Ti-Ni形状記憶合金スパッタ薄膜を用いたマイクロアクチュエータの作製

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10555210
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 宮崎 修一 筑波大学, 物質工学系, 教授 (50133038)
• 研究分担者: 石田 章 文部科学省, 金属材料技術研究所, 室長
• キーワード: Ti-Ni / 形状記憶合金 / マイクロアクチュエータ / スパッタ法 / 薄膜 / マルテンサイト変態 / マイクロマシン

研究概要

本研究では、形状記憶合金の中で最もアクチュエータ特性の優れたTi-Ni合金を、Si基板上に作製し、Siにフォトリソグラフィ法を適用して微細加工を施すことによりマイクロアクチュエータ構造を製作し実用化への一歩を進めることを目的とした。まず、Si基板上に2ミクロンの厚さのTi-Ni薄膜をスパッタ法でコーティングしたものを用意した。Si基板とTi-Ni合金薄膜の間の化学反応を抑えて、安定性のある形状記憶特性を付与するための熱処理法を確立するために、種々の温度で結晶化及び記憶処理を行った。次に、Ti-Ni合金薄膜を含めたSiの微細加工の技術を確立して、ダイアフラム型マイクロアクチュエータを試作した。アクチュエータ部が、膜厚が2ミクロンのTi-Ni薄膜と1ミクロンのSiO2膜とから構成された構造にした。最後に、微細構造に組み込まれたTi-Ni合金薄膜のアクチュエータ特性の定量的評価を行った。
アクチュエータ特性は、通電加熱及び放熱中の変形挙動を三次元形状測定装置を用いて行った。その結果、Mf点以下の温度である室温では、上に凸の形状になっていることが確認された。温度を上げて、Af点を超えると平坦な形状になった。平坦な形状が母相で記憶されたものであり、凸形状はマルテンサイト相で現れるものであるため、2方向形状記憶効果を示すことが分った。このことは、試作したマイクロアククエータは、外力を加えなくても冷却過熱だけで動く特性を有していることを示している。動的特性も評価した。50Hzでも動いていることが確認できたため、応答特性がバルク材と比べて2桁改善できたことになる。

研究成果

• [文献書誌] V.H.Ni: "Texture and Shape Memory Behavior in Sputter-Deposited Ti-Ni Thin Films"Inter Symp.Plasticity and Its Current Applicating Plasticity-99, Cancun, Mexico. 255-258 (1999)
• [文献書誌] Y.Liu: "Strain Dependence of Pseudoelastic Hysteresis of NiTi"Metallurgical and Materials Transaction A. 30A. 1275-1282 (1999)
• [文献書誌] S.Miyazaki: "Fatigue Life of Ti-50 at%Ni and Ti-40Ni-10Cu (at%) Shape Memory Wires"Materials Science and Engineering, A. 273-275. 658-663 (1999)
• [文献書誌] K.Kitamura: "Effect of Rolling Reduction on the Deformation Texture and Anisotropy of Transformation Stram in Ti-Ni Plates"Materials Science and Engineering, A. 273-275. 758-762 (1999)
• [文献書誌] M.Kohl: "Shape Memory Microvalves Based on Rolled Sheets or Thin Films"Matericals Science and Engineering, A. 273-275. 784-788 (1999)
• [文献書誌] M.Kohl: "Anisotropy in Microdevices Produced by Micromachining of Cold-rolled NiTi-Sheets"Materials Science and Engineering, A. 270. 145-150 (1999)