專利名稱：極小熱滯形狀記憶合金薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種形狀記憶合金薄膜的制備方法，特別是一種極小熱滯形狀記憶合金薄膜的制備方法，屬于微加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
形狀記憶合金由于其獨(dú)特的力學(xué)特性，被作為溫度和力的檢測和控制元件，得到廣泛應(yīng)用。其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到工業(yè)控制，電子技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天、軍事國防等眾多領(lǐng)域。NiTi形狀記憶合金為目前應(yīng)用最多的形狀記憶合金材料之一。經(jīng)過幾十年的研究積累，其體材料形式如，塊、板、薄帶、絲的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)非常成熟。自上世紀(jì)八十年代起，隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對該技術(shù)中的重要和關(guān)鍵部件-微型驅(qū)動器的研究引起了世界各國研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視，研究的關(guān)鍵技術(shù)包括功能材料制備、驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計和驅(qū)動器的微制備技術(shù)等。目前微驅(qū)動器的主要驅(qū)動原理有壓電、靜電、電磁、熱氣動、雙金屬效應(yīng)和形狀記憶效應(yīng)驅(qū)動等。在上述各種驅(qū)動方式中，形狀記憶合金驅(qū)動的功密度最大，達(dá)5×107J/m3，比其他驅(qū)動功密度大近兩個數(shù)量級，被公認(rèn)為是一種較理想的驅(qū)動方式。薄膜形式的形狀記憶合金材料由于制備工藝與其它微加工工藝兼容性好，并且具有較大的表面積與體積比，可提高熱交換率，與形狀記憶合金體材料相比響應(yīng)速度有所提高。因此，在微驅(qū)動器及傳感器研究中，對性能優(yōu)異的形狀記憶合金薄膜的研究有著非常重要的意義。在已有的有關(guān)NiTi基形狀記憶合金薄膜微驅(qū)動器研究報道中，多數(shù)是基于NiTi材料中的馬氏體相變來實(shí)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)的。專利權(quán)人為上海交通大學(xué)，專利號為99113953.4，該專利提出了一種采用形狀記憶合金/硅雙層膜驅(qū)動結(jié)構(gòu)的微泵，微泵是由微驅(qū)動器、泵腔體、和微閥組成，核心技術(shù)是在硅構(gòu)成的泵腔體的頂部直接沉積形狀記憶合金薄膜，形成可雙向運(yùn)動的NiTi/Si驅(qū)動膜。在上述的形狀記憶合金/硅微泵中，形狀記憶合金薄膜為NiTi材料，材料相變主要在單斜結(jié)構(gòu)的馬氏體相與高溫體心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體之間相轉(zhuǎn)變。伴隨馬氏體相變，發(fā)生熱應(yīng)力的積聚和松弛，從而導(dǎo)致位移變化。雖然馬氏體相變的應(yīng)變量較大，但是從馬氏體轉(zhuǎn)變到奧氏體相變所需要的溫度區(qū)域(即相變熱滯)較寬，通常為20-30℃。這意味著在相變時需要較多的加熱和冷卻時間來克服熱滯，因此限制了驅(qū)動頻率的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種極小熱滯形狀記憶合金薄膜的制備方法。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過采用具有極小熱滯的R相變形狀記憶合金作為主要驅(qū)動材料，明顯改進(jìn)了微驅(qū)動器的動態(tài)特性。本發(fā)明是根據(jù)以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的R相變?yōu)榱庑谓Y(jié)構(gòu)，也是一種熱彈性馬氏體相變，其最顯著的特點(diǎn)是具有極小的相變熱滯，熱滯寬度僅為0-2℃左右。此外，相變溫度對熱循環(huán)、應(yīng)力、成份影響均較穩(wěn)定。雖然R相變的可恢復(fù)應(yīng)變或位移較馬氏體相變要小，但是由于熱滯的大幅度下降，導(dǎo)致相轉(zhuǎn)變時冷-熱循環(huán)時間下降，使得在較高頻率段，有利于相變發(fā)生和相變程度的提高，從而全面改善位移和頻響特性。在用形狀記憶合金薄膜制備的驅(qū)動器中，一般采用外加脈沖電流對形狀記憶合金薄膜進(jìn)行加熱，當(dāng)薄膜內(nèi)溫度繞相變區(qū)域變化時，薄膜發(fā)生周期性相變，應(yīng)力隨之集聚和松弛，使驅(qū)動器產(chǎn)生往復(fù)機(jī)械振動。由于相變熱滯直接影響了完全相變的時間，也就是相變周期的大小。所以，減小熱滯可以縮短振動的周期，提高振動頻率。從材料角度，利用R相變的極小熱滯特性來提高形狀記憶合金薄膜驅(qū)動器的頻響特性，是一種有效而且易行方法。
本發(fā)明的極小熱滯形狀記憶合金薄膜為NiTi兩元合金，其重量百分比為Ni52.6-51.9％，Ti47.4-48.1％，膜厚為5-8微米，柔軟且易變形。室溫以上的相變過程為R相變及逆相變即奧氏體相變，具有完全相變特征。R相變平均溫度為50℃-70℃，相變熱滯寬度幾乎為0-2℃，室溫時薄膜結(jié)構(gòu)為R相和少量的Ti2Ni析出相。
通過選擇NiTi材料的組份和薄膜沉積，可得到室溫以上的完全R相結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金薄膜，關(guān)鍵在于(1)NiTi組份的嚴(yán)格控制，因?yàn)橄嘧兘Y(jié)構(gòu)和相變溫度對組分的比例有著強(qiáng)烈的依賴性；(2)薄膜沉積參數(shù)的選擇，薄膜的沉積過程會影響成膜的組分和膜內(nèi)應(yīng)力情況。(3)晶化工藝參數(shù)確定。通過對薄膜沉積后的后晶化處理，可有效控制析出相，將R相變與馬氏體相變分離，并將相變溫度控制在室溫以上。本發(fā)明采用磁控濺射方法和后晶化熱處理，選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)制備極小熱滯形狀記憶合金薄膜，制備方法具體如下(1)選用NiTi鑄態(tài)合金材料作為濺射靶材，嚴(yán)格控制NiTi組份，靶材成份的確定應(yīng)考慮濺射時Ti消耗較多，保證沉積后的薄膜有一定的Ti含量，重量百分比為Ni52.6-51.9％，Ti47.4-48.1％。
(2)NiTi薄膜的濺射沉積，濺射前真空環(huán)境和沉積時的各項(xiàng)參數(shù)對薄膜成份和應(yīng)力有一定影響規(guī)律，需進(jìn)行選擇和優(yōu)化。通常的薄膜濺射參數(shù)為濺射前的本底真空度4-8×10-5pa；濺射時氬氣作為工作氣體，壓力為0.1-0.8Pa；濺射功率為150W-250W；濺射時間100-180分鐘；濺射時襯底不加熱，濺射后所得到的薄膜為非晶態(tài)，薄膜需進(jìn)行后晶化處理。
(3)NiTi薄膜的后晶化處理，采用光熱快速加熱爐，在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行，晶化處理參數(shù)為溫度為500-550℃，時間為20-30分鐘。Ti含量一定的NiTi合金在晶化時會出現(xiàn)析出相，利用析出相強(qiáng)化抑制馬氏體相變的作用，使R相變從馬氏體相變中分離，并能夠在室溫以上獨(dú)立出現(xiàn)。晶化的溫度和時間可控制析出量，晶化溫度過低會影響薄膜的晶化程度，過高會減弱對馬氏體相變的抑制作用。因此，合適的晶化溫度的選擇對控制R相變是十分關(guān)鍵的。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明方法制備的薄膜，室溫時具有典型的R相變特征，對其進(jìn)行室溫以上加熱-冷卻循環(huán)，可以產(chǎn)生熱滯近似為零的完全相變過程，與馬氏體相變的20-30℃熱滯相比，極大改善驅(qū)動膜的頻響特性。對形狀記憶合金薄膜施加脈沖加熱電流時，可發(fā)生完全的R相變及逆相變，NiTi/Si驅(qū)動膜的特征頻率可達(dá)400Hz，動態(tài)特性明顯提高。從材料角度，較好的解決了形狀記憶合金響應(yīng)頻率不高的內(nèi)在問題，拓寬了形狀記憶合金薄膜在微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1采用玻璃襯底，濺射前的本底真空度8×10-5pa；濺射氬氣工作氣壓0.8Pa；濺射功率為250W；濺射時間100分鐘；晶化溫度為500℃，時間為30分鐘。沉積獲得的薄膜成份的重量百分比為Ni52.6％，Ti47.4％，膜厚為5微米。將薄膜從基底剝離后，柔軟且易變形，機(jī)械性能良好。電阻-溫度測試曲線表明，室溫以上的相變過程為R相變及逆相變即奧氏體相變，具有完全相變特征。R相變平均溫度為58℃，相變熱滯寬度幾乎為0℃。X衍射分析結(jié)果顯示，室溫時薄膜結(jié)構(gòu)為R相和少量的Ti2Ni析出相。
實(shí)施例2
Ni51.9％，Ti48.1％，膜厚為8微米。將薄膜沉積在微泵硅腔體頂部可形變區(qū)域，作為微泵的驅(qū)動器。濺射條件為本底真空度6×10-5pa；氬氣工作氣壓0.4Pa；濺射功率為200W；濺射時間110分鐘；晶化溫度為530℃，時間約為30分鐘。
經(jīng)上述濺射參數(shù)沉積得到薄膜厚度約為5微米，室溫以上為R相變。薄膜經(jīng)電阻條形化后，對其施加一定頻率的脈沖電流加熱，產(chǎn)生周期性相變。用光干涉微位移測量儀分別測量具有R相變和馬氏體相變的NiTi/Si薄膜的位移變化。在頻率小于20Hz時，具有R相變的驅(qū)動膜位移比具有一定馬氏體相變的驅(qū)動膜要小。但是，當(dāng)頻率高于20Hz時，R相變的位移反比馬氏體相變的要大，在400Hz時位移仍可達(dá)到0.5微米，特征頻率為馬氏體相變特征的4倍。
實(shí)施例3Ni52.25％，Ti47.75％，膜厚為6.5微米將薄膜沉積在微泵硅腔體頂部可形變區(qū)域，作為微泵的驅(qū)動器。濺射條件為本底真空度4×10-5pa；氬氣工作氣壓0.1Pa；濺射功率為150W；濺射時間120分鐘；晶化溫度為550℃，時間約為20分鐘。
上述條件下沉積獲得了具有R相特征形狀記憶合金/硅驅(qū)動膜，并組裝到微泵中。在驅(qū)動面積、形狀相同的條件下，比較R相變和馬氏體相變的工作情況。R相變微泵水載時的特征頻率可達(dá)167Hz(流量為7um/min)，特征頻率為具有馬氏體相變的6倍。除此之外，仍保持了原有馬氏體相變特征微泵的高可靠性和長工作壽命的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種極小熱滯形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于薄膜由NiTi兩元合金構(gòu)成，其重量百分比為Ni52.6-51.9％，Ti47.4-48.1％，膜厚為5-8微米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種極小熱滯形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征在于制備方法具體如下(1)選用NiTi鑄態(tài)合金材料作為濺射靶材；(2)NiTi薄膜的濺射沉積參數(shù)為濺射前的本底真空度4-8×10-5pa，濺射時氬氣作為工作氣體，壓力為0.1-0.8Pa，濺射功率為150W-250W；(3)NiTi薄膜的后晶化處理，采用光熱快速加熱爐，在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行，晶化處理工藝為溫度為500-550℃，時間為20-30分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種極小熱滯形狀記憶合金薄膜的制備方法，其特征是薄膜室溫以上的相變過程為R相變及逆相變，R相變平均溫度為50℃-70℃，相變熱滯寬度為0-2℃，室溫時薄膜結(jié)構(gòu)為R相和少量的Ti2Ni析出相。
全文摘要
極小熱滯形狀記憶合金薄膜的制備方法屬于薄膜材料和薄膜技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明薄膜由NiTi兩元合金構(gòu)成，其重量百分比為Ni52.6－51.9％，Ti47.4－48.1％，膜厚為5－8微米。采用磁控濺射方法和后晶化熱處理制備，方法具體如下(1)選用NiTi鑄態(tài)合金材料作為濺射靶材；(2)NiTi薄膜的濺射沉積，濺射參數(shù)為濺射前的本底真空度4－8×10
文檔編號C22C19/03GK1399005SQ0213671
公開日2003年2月26日 申請日期2002年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月29日
發(fā)明者徐東, 程秀蘭, 蔡炳初, 王莉 申請人:上海交通大學(xué)