形狀記憶合金驅動之微形幫浦

形狀記憶合金驅動之微形幫浦

形狀記憶合金驅動之微形幫浦

形狀記憶合金驅動之微形幫浦

形狀記憶合金驅動之微形幫浦

摘要 摘要 摘要 摘要 鈦鎳形狀記憶合金(TiNi SMAs)由於具 有優異的形狀記憶效應(SME)及超彈 性(PE) ， 此 種 特 性 可 應 用 於 微 機 械 (MEMS)㆗之微幫浦(Micropump)、致 動 器 (Actuator) 及 流 量 控 制 (Flow Control)等元件㆗，因此需要製造可精 密控制成分之鈦鎳合金(即可精確控制 鈦鎳合金之變態溫度)，同時具有優良 形狀記憶特性、缺陷少且易於再加工 至所需尺寸及厚度且兩面皆光面之鈦 鎳形狀記憶合金薄膜與鈦鎳形狀記憶 合金箔來驅動無閥式擴散器幫浦。本 年度計劃主要探討鈦鎳合金薄膜與合 金箔之機械與材料特性。 ㆒、前言 ㆒、前言 ㆒、前言 ㆒、前言 微形幫浦在機械、電機、光學、 生物、化學、醫學等許多領域都有很 廣泛的用途，隨著 MEMS 技術的提 昇，微形幫浦也發展出許多不同的類 型，各有不同的優缺點。現有微幫浦 系統㆗，大致包括了兩個主要部分， 其 ㆒ 是 致 動 腔 室 （ Actuating chamber），為具有㆒個往復振動薄膜 （Diaphragm）的腔室，驅動其㆗流體 運動，其㆓為止回閥（Valve），其功用 在使作往復受力的流體止流向㆒方。 這兩部分㆒般都是分別製作完成，再 以黏合方式將之合為㆒體，做成微幫 浦，費工耗時，良率及可靠度低。有 閥式微幫浦是以止回閥，避免流體有 回流的現象，而提高幫浦的效能，但 止回閥的設計實用㆖也有許多的問題 存在，如磨損、疲勞等。另㆒類微幫 浦是利用無閥式擴散器取代主動、被 動式止回閥，使用擴散器主要的優點 是 它 沒 有 移 動 結 構 ， 可 避 免 機 械 疲 勞、破壞和阻塞。 就薄膜的選擇而言，形狀記憶合 金薄膜化後，由於表面積與體積比大 增，對於其致動能力也大為提昇，且 具有良好的加工性、熱循環穩定性、 耐蝕性及延展性，並且因其單位體積 所能提供的能量較其他致動材料來得 大，並且擁有較長的致動距離，所以 形狀記憶合金薄膜可說是深具潛力的 微致動器候選材料 [1,2,3]。 以往習用之技術主要是利用濺鍍 沉 積 法 (Sputter Deposition) 製 成 [4,5]。濺鍍沉積法具有易控制薄膜合金 成分和厚度的優點，但其製程緩慢， 濺鍍薄膜織構固定，且易受到雜質(如 氧等)污染而影響薄膜在形狀記憶特性 ㆖的表現，此外，由於薄膜需沉積在 ㆒基材㆖，其後將薄膜由基材取㆘則 是相當的困難。因此在此領域㆗極需 ㆒種方法，其係可製造出能精確控制 鈦 鎳 合 金 成 分 、 具 優 良 形 狀 記 憶 特 性、缺陷少、易於再加工至所需尺寸 且兩面皆為光面之鈦鎳形狀記憶合金 箔。本計劃因此除採用濺鍍沉積法製 成形狀記憶合金薄膜，亦研究利用雙 陰極平板電解研磨拋光的方法研發鈦 鎳合金箔，此方法的優點為不需要使 用濺鍍設備，可以低成本且快速方便 的製造出各種大小及厚度之鈦鎳形狀 記憶合金箔。鈦鎳合金箔的化學組成 成分在提供合金塊材時便可精確的被 控制，且在製程㆗不易受到雜質的污 染 ； 經 由 不 同 的 加 工 及 熱 處 理 的 方 法，可以控制所需之結晶組織及變態 溫度。而使用雙陰極平板可同時電解 拋光薄板兩面，減少拋光時間，改善 試片表面品質，並得到所需之兩面皆 為光面的鈦鎳合金箔。 本計劃將以鈦鎳形狀記憶合金薄 膜與鈦鎳形狀記憶合金箔來驅動無閥 式擴散器幫浦。

㆓、形狀記憶效應 ㆓、形狀記憶效應 ㆓、形狀記憶效應 ㆓、形狀記憶效應 所謂形狀記憶效應是指在固體㆗ ㆒種結晶可逆的麻田散體相變態，也 就 是 在 麻 田 散 體 相 施 加 ㆒ 適 度 的 外 力 ， 使 形 狀 記 憶 合 金 產 生 適 度 的 變 形，然後再將外力移除，並提升溫度 直至逆變態起始點 As，此時形狀記憶 合金會逐漸回復到原來的形狀，直到 溫度高於 Af 後完全回復到原來的形 狀，如圖㆒所示。而誘發麻田散體相 變態的主要因素為溫度與壓力；前者 形成的機構為溫度誘發麻田散體相變 態，後者形成的機構為應力誘發麻田 散體相變態，使形狀記憶合金具有超 彈性效應。 我們可以將形狀記憶效應的簡要 原理及發生過程由以㆘㆕個步驟來說 明：(1)降低溫度，使溫度低於 Mf以產 生麻田散體相變態。(2)施加適度的外 力，使其產生有限度之變形。(3)將外 力移除，此時仍保留變形之狀態。(4) 升溫至 Af以㆖，產生逆變態以回復材 料原來之外形。 圖㆒形狀記憶合金Ms、Mf、As、Af的定義及形 狀記憶效應示意圖 第㆒階段的降溫過程㆗，母相依 熱力學的平衡進行熱彈性麻田散體相 變 態 ， 並 形 成 自 我 調 適 ( Self-accommodation )的麻田散體。也 就是說母相在生成單㆒麻田散體時， 會因為單方向的剪切而產生相當大的 變形，為了降低此形狀的應變，在降 溫的變態過程㆗，麻田散體會以自我 調適的方式成長。在第㆓階段㆗，麻 田體因外力的施加產生有相當大的變 形，此變形與㆒般金屬變形的機構不 同 ， ㆒ 般 金 屬 的 變 形 機 構 是 滑 移 ( Slip )，而形狀記憶合金則為麻田散體 ㆗各個兄弟晶間合併的調適機構。第 ㆔階段將外力移除後，麻田散體因其 本身自我調適而呈現暫穩態狀態，當 外力移除後不再施以任何能量(如升溫 行為)，也就是說合金將維持於施力後 產生形變的形狀。第㆕階段㆗，逐步 提升溫度直至 As，此時麻田散體開始 產生逆變態，且由於兄弟晶的麻田散 體與母相晶格間有㆒定的對應關係， 因此麻田散體會沿著原來剪切的逆方 向逐漸回復至母相；當溫度高於 Af 時，此時晶格間的逆變態完全完成， 在巨觀㆖會回復到原來的形狀。 ㆔、結果與討論 ㆔、結果與討論㆔、結果與討論 ㆔、結果與討論---擴散式幫浦擴散式幫浦擴散式幫浦擴散式幫浦 擴散器正負方向的壓力降，可以以㆘ 型式表示 2

2

positive positive positive

p

ρν

_ξ

∆

=

(3-1) 2

2

negative negative negative

p

ρν

_ξ

∆

=

(3-2) 其㆗

ν

_positive和

ν

_negative為擴散器正負方 向最窄區域的平均速度，則擴散器正 負方向的體積流率如㆘

positive

A

positive positive

φ

=

×

ν

(3-3)

negative

A

negative negative

φ

=

×

ν

(3-4)

向最窄的面積，如果尺寸大小㆒樣， 則

A

_positive

=

A

_negative

=

A

，則（3-3）（3-4） 可改寫為 positive

A

positive

φ

= ×

ν

(3-5) negative

A

negative

φ

= ×

ν

(3-6) 由（3-1）（3-2）式㆗可得知擴散器正 負方向載口速度分別為

(

)

1 2 2

positive ppositive positive

ν = ∆ ρξ (3-7)

(

)

1 2

2

negative pnegative negative

ν = ∆ ρξ (3-8) 將（3-7）（3-8）代入（3-5）（3-6）㆗， 則擴散器正負方向的體積流率可改寫 為

(

)

1 2

2

positive

A

p

positive positive

φ

=

∆

ρξ

（3-9）

(

)

1 2

2

negative

A

p

negative negative

φ

=

∆

ρξ

（3-10） 計 算 過 程 ㆗ 假 設 擴 散 器 完 全 相 同，且入口、出口的壓力相對於貯存 器的壓力可忽略。假設體積變化可以 以弦波的方式描述，則體積變化可寫 為

(

)

sin 2

o x

V

₌

V

_π

ft

(3-11) 其㆗

V

_x為體積變化的振幅，

f

為幫浦 的驅動頻率。假設壓力損失係數在整 個幫浦作動的過程㆗不會改變，則薄 膜來回振動㆒次，從出口傳送出的流 體體積為

( )

( )

1 2 1 2

1

2

1

o x

V

V

η

η



₋



=







+ 





(3-12) 若使用相同薄膜大小之停止閥幫 浦，假設停止閥關閉時，回流量等於 零，則薄膜來回振動㆒次，則最大傳 輸體積為

2

V

_x。所以定義擴散式幫浦之

幫浦行程效率（pump stroke efficiency） 為

( )

( )

1 2 1 2

1

2

₁

o p x

V

V

η

η

η

−

=

=

+

(3-13) 由本式可得知，

η ξ

=

_negative

ξ

_positive必須 大於1，幫浦才會作動，而且越大效率 越高。 ㆕、形狀記憶合金擴散式幫浦設計 a. 流道設計 如圖㆓所示，擴散器入口導角半徑 為16

µ

m

，窄口寬度為80

µ

m

，長 度

L

為1093

µ

m

，開口角度為

7

°

圖㆓ 擴散器尺寸(單位µm) 流道設計為兩個擴散器的組合，如 圖㆔所示。 圖㆔ 流道立體圖 b. 驅動器設計 將 TiNi 薄膜底㆘的 silicon 蝕刻 掉，再與玻璃在真空㆘ bonding， 如圖㆕所示。 1093 80 7o R=16

圖㆕silicon與玻璃在真空㆘bonding c. 幫浦設計 將流道與TiNi 驅動器 bonding 成完 整的幫浦，如圖五所示。 圖五 幫浦組合圖 ㆕、結果與討論 ㆕、結果與討論 ㆕、結果與討論 ㆕、結果與討論---鈦鎳合金箔鈦鎳合金箔鈦鎳合金箔鈦鎳合金箔 為了製造Ti50Ni50原子比例之鈦鎳 形狀記憶合金，秤取所需原子比例的 純鈦（99.7 wt %）及純鎳（99.9 wt %）， 經由真空電弧熔煉，熔煉時通入氬氣 為保護氣體，並使用純鈦粒為吸氧劑 （Getter），重複熔煉六次，以俾合金 均質化。將 熔 煉 後 之 鑄 錠 置 於 高 溫 爐 800℃ 反 覆 熱 軋 至 厚 度 為 1 ㎜ 以 ㆘ 之 鈦 鎳 合 金 板 。 用 兩 片 0.5 ㎜ 厚 之 不 銹 鋼 板 ㆖ ㆘ 將 該 鈦 鎳 合 金 板 夾 住 ， 並 於 疊 板 ㆕ 邊 行 多 點 銲 接 ， 確 實 將 鈦 鎳 合 金 板 及 ㆖ ㆘ 之 不 銹 鋼 板 以 銲 點 銲 住 ， 繼 續 將 此 疊 板 於 800℃ 行 熱 軋 ， 將 合 金 板 以 輥 輪 軋 至 厚 度 約 0.1 ㎜ 。 重 覆 ㆖ 述 軋 延 方 式 可 以 得 到 更 薄 之 鈦 鎳 合 金 箔 。 如圖6 所示，使用兩部電源供應 器及兩塊銅板於鈦鎳合金薄板兩面行 雙陰極平板電解研磨拋光，電解液為 CH3COOH（99.8%）：HClO4（70%） ＝100：5 之混合溶液，電解電壓約為 20V，電解電流約為 1A，電解溫度為 24℃。電解液溫度以溫度計量測，並 以恆溫水槽控制電解液溫度。電解過 程不攪拌，即可以得到表面光亮之鈦 鎳合金箔，電解研磨拋光約20 分鐘， 即可得到厚度10μm 以㆘之箔片。 圖 6 電解拋光示意圖 圖7 為鈦鎳合金箔側邊的 SEM 照 片，由圖顯示厚度大約為6μm。 電源供應器 _{＋ ＋} ＋ － 溫度計 _－ 銅 板 鈦 鎳 箔 片 電解液 恆溫水槽

圖 7 鈦鎳合金箔片藉由 SEM 照片顯 示厚度之圖 而圖 8 為鈦鎳形狀記憶合金箔之 電解時間和厚度的關係圖，起始厚度 約為100μm 之鈦鎳合金箔片，雙陰極 以各為 20V 的電壓同時對鈦鎳箔兩面 進行電解拋光研磨約12 分鐘時，鈦鎳 箔厚度可達約20μm。 0 20 40 60 80 100 120 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 時 間 （ 分 鐘 ） 鈦 鎳 箔 厚 度︵ ︶ 圖 8 鈦鎳合金箔片電解拋光之時間 和厚度的關係圖 最 後 圖 9 為 將 電 解 研 磨 拋 光 完 成 之 鈦 鎳 合 金 箔 片 行 微 差 掃 瞄 熱 分 析 （DSC） 實 驗 之 結 果 ， 可 以 得 到 吸 、 放 熱 峰 ， 且 變 態 溫 度 和 鈦 鎳 合 金 塊 材 之 結 果 相 似 。 麻 田 散 體 變 態 開 始 溫 度 （Ms） 及 結 束 溫 度 （Mf） 分 別 為 32.74℃ 及 8.78℃；母 相 變 態 開 始 溫 度（ As） 及 結 束 溫 度 （Af） 分 別 為 51.78 ℃ 及 71.67℃ ， 吸 、 放 熱 皆 約 為 13J/g，顯 示 該 合 金 箔 片 具 有 良 好 的 形 狀 記 憶 特 性 。 圖 9 鈦鎳合金箔片之差微掃瞄熱分 析(DSC)之圖 五、參考文獻 五、參考文獻五、參考文獻 五、參考文獻

[1] E. Makino, M. Uenoyama and T. Shibata Katsutoshi, Flash Evaporation of TiNi Shape Memory Thin Film for Microactuators, Sensors and Actuators A, Vol. 71, pp. 187-192, 1998.

[2] E. Makino and T. Mitsuya and T. Shibata, Dynamic Actuation Properties of TiNi Shape Memory Diaphragm,

Sensors and Actuators A, Vol. 79, pp.

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[3] E. Makino and T. Shibata and K. Kato, Fabrication of TiNi Shape Memory Micropump, Sensors and

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[4] Katsutoshi, Y. MasaakiProceeding - IEEE Micro Electro Mechanical System(1990) 217-221.

[5] Tomus D, Tsuchiya K, Inuzuka M, Sasaki M, Imai D, Ohmori T, Umemoto M, Scripta Materialia 2003 (48) 489-494.