[发明专利]一种TiNi基形状记忆合金多层薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种记忆合金多层薄膜。本发明也涉及一种记忆合金多层薄膜的制备方法。

背景技术

微机电系统(microelectro mechanical system,MEMS)是自20世纪80年代国际上兴起的一种前沿性高科技，其具有高度集成化、微型化、智能化等突出特点，在电子、通信、计算机、生物医学等领域表现出极大的应用前景。TiNi基形状记忆合金薄膜在MEMS领域表现出广阔的应用前景。其应用主要有两类：一类是利用TiNi基合金优异的阻尼性能制备微传感器用的阻尼减震部件，另一类是利用其形状记忆效应制备微驱动元件。

作为MEMS最重要的组成部分之一，微传感器通常用于测量载体的速度、加速度与温度等重要参数。在使用中，当承受极端的机械振动时，微传感器易于产生较大的偏差，甚至于失效，从而影响整个器件的工作。现有的各类阻尼措施，例如热弹性阻尼、空气阻尼、压膜阻、主动约束层阻尼与粘滞吸能等，只能够提供微弱的减振效果，并且与MEMS工艺不兼容。因此，TiNi基形状记忆合金薄膜由于具有优异的阻尼性能以及与现有MEMS工艺良好的兼容性而进入了研究者的视野。TiNi合金在相变过程中表现出远高于马氏体相状态或母相状态的阻尼特性，因此，用于阻尼目的的最佳材料是处于相变区间中的合金。然而，对于热诱发马氏体相变而言，典型的相变温区(或相变区间，Ms-Mf)约为20℃左右，这极大地限制了合金的阻尼应用。

此外，与其他微驱动器材料相比较，TiNi基合金薄膜具有较大的驱动应变和输出力，因此在微驱动领域中表现出较大的应用前景。目前研究者已经基于TiNi基合金薄膜开发了各种不同的微驱动器，例如已经成功获得商业应用的微阀门。然而受制于均质TiNi合金薄膜较小的相变区间，微驱动器的可控性较差。

添加第三组元是一种调控TiNi合金相变温度的有效手段，例如添加Fe、Al、Cr、V等元素可以降低合金的相变温度，而添加Zr、Hf、Pt、Pd、Au等元素则可以升高合金的相变温度。众所周知，溅射是制备TiNi基合金薄膜的适当方法之一。通过控制靶材的成分，可以较方便地制备成分沿厚度方向变化的TiNi基合金多层膜，从而增大TiNi基合金多层膜的相变区间，获得兼具宽相变区间、高阻尼特性与良好可控性的TiNi基合金多层膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相变温度区间大，可控性好，阻尼特性高的TiNi基形状记忆合金多层薄膜。本发明的目的还在于提供一种可以直接得到处于晶态的多层膜，避免后续退火处理所引起的原子扩散和成分均匀化的TiNi基形状记忆合金多层薄膜的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的TiNi基形状记忆合金多层薄膜是由TiNiFe层、TiNi层和TiNiHf层按周期排列的多层膜。

本发明的TiNi基形状记忆合金多层薄膜的制备方法为：

（1）、以TiNiFe材料、TiNi材料与TiNiHf材料作为溅射靶材，其中TiNiFe材料成分为Ti的原子个数比为48～51%、Fe的原子个数比为1～3％、其余为Ni，TiNi材料成分为Ti的原子个数比为49～52％、其余为Ni，TiNiHf材料成分为Ni的原子个数比为48～51%、Hf原子个数比为6～15％、其余为Ni，将三种靶材分别安装在磁控溅射设备相应的靶位上；

（2）、将衬底置于真空室样品台上，抽真空至1×10^-4～1×10^-5Pa，充入氩气至真空度为0.1～0.5Pa，将样品台加热至250～450℃，在溅射功率为200～600W，靶材与衬底间距为60～200mm的条件下溅射沉积TiNiFe薄膜；

（3）、关闭TiNiFe材料靶位的电源；

（4）、开启TiNi材料靶位的电源，以与步骤（2）相同的参数溅射沉积TiNi薄膜；

（5）、关闭TiNi材料靶位的电源；

（6）、开启TiNiHf材料靶位的电源，以与步骤（2）相同的参数溅射沉积TiNiHf薄膜，得到TiNiFe/TiNi/TiNiHf三层膜；

（7）、重复步骤（2）～（6），得到TiNiFe/TiNi/TiNiHf多层膜。

本发明的TiNi基形状记忆合金多层薄膜的制备方法还可以包括：

1、溅射沉积过程中样品台保持以20～30rpm的速度旋转。

2、所述的TiNiFe材料、TiNi材料与TiNiHf材料分别为TiNiFe合金、TiNi合金与TiNiHf合金。