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MEMS领域中记忆合金薄膜的进展

2018-05-09 09:59更新
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生物都拥有记忆,然而你是否相信,没有生命的物体也能拥有记忆呢?把一块金属板用外力弯曲,经过再次加热,你能惊奇地发现它会神奇地变回原来的形状,这就是形状记忆合金。近年来,记忆合金有趣的性能因广泛应用于MEMS而备受关注,如今已被广泛应用于医疗、航天等领域。

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采用MEMS技术的传感器芯片

MEMS(微机电系统)是一门综合学科,其涉及微加工技术、机械学、电子学等等。MEMS器件的大小从1毫米到1微米不等,其主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等,是微型传感器的主力军,正在逐渐取代传统机械传感器,被用在消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工、医药等多个领域。

目前,常见的MEMS传感器产品有压力传感器、加速度传感器、陀螺仪、静电致动光投影显示器、DNA扩增微系统、催化传感器;复杂的MEMS机器则由各种MEMS组件组成,如旋转齿轮、悬臂、腔和传感器等等。

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MEMS器件

为适应各种不同的工作环境,MEMS器件材料要尽可能适应多种复杂环境。因此,材料也成为了影响MEMS器件发展的重要因素之一,结合现有材料,更好地将MEMS结构与微电子集成,有利于创造成本更低效益更高的MEMS产品。

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NiTi合金的“记忆特性”示意图

实际上,早在1951年,Chang和Read就在金镍合金中观察到了形变再加热能变回原形的这一奇特的现象。Buehler在上世纪60年代发现了NiTi合金也具有这一“记忆特性”,且它和其他记忆合金不同,它在较低的温度下以孪晶马氏体的结构存在,较高温度下以位错马氏体的结构存在。由于普通的MEMS器件由于材料在力学方面的性能,受到较大的限制,而形状记忆合金的出现,很大程度上弥补了这一缺陷。如今,基于NiTi合金的薄膜,目前已应用于包括加速度传感器、微型压力传感器、微执行器等多种MEMS传感器中。

在微执行器中的应用

自90年代中期,越来越多的研究关注于使用NiTi薄膜沉积硅基板的微执行器的发展。近日日本科学技术利用TiNi合金的特性,在聚酰亚胺上制备出了8μm厚度的TiNi合金薄膜,用于机器人蜻蜓执行器质量只有0.18g,但却能拉起20.5g重的物体,是其自身深重量的225倍。基于这份研究基础上研发出来的仿真工具,通过优化NiTi-Cu薄膜的组份参数,可改善包括杨氏模量、弹性极限等材料性能,使得记忆合金拥有更广泛的应用前景。

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机器人蜻蜓

在微流阀中的应用

微流体技术可在微观尺寸下控制与操作和检测复杂流体,比如样品DNA的制备、PCR反应、电泳检测等操作都是在液相环境中进行。如果要将样品制备、生化反应、结果检测等步骤集成到生物芯片上,则实验所用流体的量就从毫升、微升级降至纳升或皮升级,这时功能强大的微流体装置就显得必不可少了。

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微阀门

但是,因为需要在较高温度下使用,使得其应用受到的很大的限制。德国卡尔斯鲁厄研究所利用NiTiPd合金制备了3mmx3mmx5mm的微流阀。利用溅射制备的薄膜,通过调整组份的比例和加热温度变化影响微型阀门的转换温度。通过调整这些微型阀门能够在405k温度以上,实现可调节温度下运行。通过改善SMA阀门的动态性能,提高材料的脆性和增强疲劳强度,对未来微流阀的设计提供了一种新的热优化思路。 

在微夹具中的应用

通过在硅悬臂上制造出有TiNi电极,当电极被加热时,由于TiNi存在的形状记忆效应,悬臂梁产生的力和位移都非常可观,通过利用双向形状记忆效应,TiNi薄膜还能用于制备微夹持器具备极强的稳定性。

美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室(LLNL)研制了采用形状薄膜驱动的微夹钳,体硅MEMS加工的经过对准,然后在上下两面通过溅射沉积Ni-Ti-Cu薄膜,并对薄膜进行热处理,之后切割制成微夹钳。微夹钳上下两面所沉积的Ni-Ti-Cu薄膜在比较低的温度范围(30℃至70℃)内可以产生较大的驱动力(500MPa)。薄膜所产生的应力可使夹钳端部产生55um的变形,整个夹钳可以张开110um,同时这种微夹具的寿命也很可观,可承受超过20万次的弯折。

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微夹具

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目前,主流制备TiNi设备的方法还是通过利用共溅射法(co-sputter),使用Ti靶材和Ni靶材共同溅射。溅射通过利用高压将腔体内部的惰性气体电离,离子在电场作用下告诉碰撞靶材,靶材中的分子收到冲击后沉积在衬底上,通常,为了改善溅射效率,大多数溅射都会在设备中增加磁控装置,使得电子围绕磁力线螺线形轨道运动。这样,电子被磁力线束缚,在靶材附近磁力线平行于靶材表面的区域停留的时间增长,电子离化气体的效率得到提高。此外,电子也不会再衬底上形成电荷积累,降低阴极和阳极之间的压差,溅射速率提高。

随着MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域相结合,为了满足人类对更高生产力的追求,相信在不久的将来,类似记忆合金的新型高科技材料,将会越来越多地出现在我们的日常生活中。

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