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TiNi形状记忆合金薄膜制备工艺及其单元互联微执行器研究

曲炳郡  
【摘要】: 利用其形状记忆效应原理,TiNi形状记忆合金(SMA)薄膜以其大的输出力和变位、高的功率密度、良好的生物相容性、低功耗以及长寿命,有望成为微机电系统(MEMS)中高性能的微驱动材料。在此背景下,本文研究其驱动特性、制备工艺、微加工技术及其在微机电系统中的应用。 针对SMA的驱动机理,本文概括了SMA的驱动过程不易控特性,并提出单元互联结构这一实现SMA微执行器驱动过程准可控的设计概念。基于单元互联设计,提出SMA微夹持器的变力夹持理论模型。研究了两类基本的SMA驱动单元模型:具有弯曲变形输出的双向弯曲梁单元和具有直线性位移输出的轴向伸缩单元。对两类分别由SMA驱动双向弯曲、轴向伸缩基本单元互联而成的微执行机构,进行了运动学分析,并建立了各自的运动学方程。 在TiNi形状记忆合金薄膜制备方面,研究了丝材冷轧法及直流磁控溅射法制膜工艺。采用丝材冷轧法,制备了75μm、90μm两种厚度的TiNi形状记忆薄膜,示差扫描量热(DSC)法测得其马氏体逆相变峰值温度分别为35℃、109℃,在溅射工艺中,采用富Ti的TiNi合金靶(Ti-48at%Ni)而不是其它成分补偿措施,来增加TiNi薄膜中的Ti含量。通过溅射法,在玻璃衬底上淀积了TiNi薄膜,并在600℃进行了真空退火,DSC法测得其马氏体逆相变峰值温度为75℃,利用原子力显微镜,对玻璃基TiNi形状记忆合金薄膜的衬底面与生长面进行了表面微观形貌分析,发现:生长面晶粒呈现出沿薄膜法线方向柱状堆积的趋势,晶粒致密性差,微孔洞多;而衬底面晶粒致密,几乎没有微孔洞存在。为优化溅射工艺参数以用于后续的硅基TiNi薄膜制备,本文从工艺因素入手,对玻璃基溅射薄膜两个表面的质量差异进行了分析,并给出合理解释。按照改进的工艺参数,在单晶硅衬底上溅射-淀积了TiNi薄膜,并进行了超高真空退火,DSC法测得其马氏体逆相变峰值温度为72℃,利用能谱分析(EDS)技术测得其Ti含量约为51at%,通过对非晶TiNi薄膜与单晶硅衬底之间的界面进行EDS及X射线衍射(XRD)分析,发现在用大功率(2000W)直流磁控溅射法制备TiNi薄膜过程中,存在Ti、Ni与Si的双向扩散,发生了界面反应,并有三元化合物Ni_3Ti_2Si生成。 在与TiNi形状记忆薄膜相关的硅基MEMS加工工艺中,TiNi薄膜的图形化是关键技术之一。研究了剥离工艺在硅基TiNi薄膜(厚度在10μm以上)光刻 中的应用。有别于传统方法,采用溅射的Pt膜作为TINi薄膜在HFtO3ThO中 腐蚀的保护掩膜。大量试验表明:配比为35nil:27Inl:118rnl的HFgyO3A12O腐蚀 系统对TWi薄膜具有较快的腐蚀速率,而且对8的腐蚀不明显,因而适合 于硅基TINi形状记忆薄膜的湿法腐蚀。同时,Pt掩膜在HFNO3/HO腐蚀系 统中具有抗腐蚀力强、不脱落的特点,是腐蚀较厚 Tei膜 ( 5 n m)的理想掩膜 材料。此外,研究了8基TWi形状记忆簿膜的结构释放工艺,并通过实验得到 了理想的工艺模块。 以微机器人为应用背景,研制了TINi形状记忆薄膜驱动的双薄膜型SMA旋 转关节,建立了该关节的驱动模型。通过三个SMA旋转关节互联,研制出由一 个微操作臂和一个微手爪构成的二维微机器人原型,建立了其运动学方程,并进 行了驱动特性研究。以微小物体操作为背景,研制了TINi形状记忆薄膜驱动硅微 夹持器。试验表明:微夹持力稳定输出为*,夹持尺寸范围在 16M01 11m 之间,驱动功率0.3W,表明TWi形状记忆簿膜具有用于微执行器的突出优势。 综上所述,本文基于SMA的驱动机理所提出的单元互联方法,能够从结构 设计角度改进SMA驱动特性的不足,这对于拓展SMA的应用范围具有重要意义。 所研制的双薄膜型SMA旋转关节,在易于微型化的同时,既避免了传统机械式 运动副存在摩擦和装配间隙的缺点,又克服了柔性铰链一般仅用来设计微小角位 移机构的局限性,在微机器人领域具有良好的应用前景。工艺研究表明:利用Pt 作为掩膜进行TWi薄膜的湿法腐蚀,工艺稳定,成功率高,是进行TINi u光 刻的理想掩蔽材料。


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