DE29722840U1 - Dünnschichtverbund - Google Patents
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Description
Forschungszentrum Karlsruhe, den 22. Dez. 1997
Karlsruhe GmbH PIA 9792 Rü/he ANR 5661498
Die Erfindung betrifft einen Dünnschichtverbund gemäß dem Oberbegriff
des ersten Schutzanspruchs.
Ein solcher Dünnschichtverbund ist z. B. aus der Veröffentlichung von J. A. Walker, K. J. Gabriel und M. Mehregany: „Thinfilm
processing of TiNi shape memory alloy", Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) 243-246 bekannt. Bei diesem Dünnschichtverbund
besteht die Schicht der Formgedächtnis-Legierung aus einer TiNi-Legierung und das Substrat aus Polyimid.
Ein weiterer Dünnschichtverbund, der ebenfalls aus einer TiNi-Legierung
und einem Polyimid besteht, wird in der Veröffentlichung von Li Hou, T. J. Pence und David, S. Grummon: „Strukture
and Thermal Stability in Titanium-Nickel Thin Films Sputtered at elevated-Temperature on Inorganic an Polymeric Substrates", Mat.
Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 360(1995)369-374 beschrieben.
In der Veröffentlichung von T. Kim, Quanmin Su und Manfred Wuttig:
„Thermo-Mechanical Ni50Ti50/Si Composite Thin Film Switch",
Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 360(1995)375-380 wird über einen Dünnschichtverbund berichtet, bei dem die Formgedächtnis-Legierung
aus Ni50Ti50 und das Substrat aus Silicium oder 3C-SiC besteht.
P. Krulevitch, P. B. Ramsey, D. M. Makowiecki, A. P. Lee, M. A. Northrup und G. C. Johnson beschreiben einen Dünnschichtverbund
mit einem Substrat aus Silicium, bei dem als Formgedächtnislegierung eine Legierung aus Nickel, Titan und Kupfer verwendet
wird.
Die Verwendung von Titan-Nickel-Formgedächtnislegierungen auf einem Siliciumsubstrat für Mikroventile oder Aktoren für Mikroventile
ist Gegenstand der Veröffentlichung von A. David Johnson und Eric. J. Shahoian.
Die genannten Dünnschichtverbunde weisen Nachteile auf. Silicium
als Substratmaterial ermöglicht wegen seiner Sprödigkeit und seiner geringen Bruchzähigkeit nur relativ kleine Auslenkungen
bzw. Krümmungen, so daß die entsprechenden Aktoren ihre Form bei geänderten Temperaturen nur in geringem Maße ändern. Ein
Dünnschichtverbund mit einem Polyimid-Substrat weist aufgrund
des kleinen &Egr;-Moduls von Polyimid kein Zweiwegverhalten auf und läßt sich deswegen nur durch Anwendung äußerer Kräfte zu Schaltvorgängen
aktivieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteilen abzuhelfen
und insbesondere einen Dünnschichtverbund der eingangs genannten Art vorzuschlagen, der größere Auslenkungen und ein
Zweiwegverhalten ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im ersten Schutzanspruch
gekennzeichnete Merkmal gelöst. In den weiteren Schutzansprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen des Dünnschichtverbundes
beschrieben.
Erfindungsgemäß wird ein Dünnschichtverbund vorgeschlagen, der
aus zwei parallel zueinander angeordneten Schichten besteht: einem Substrat aus einem Metall und einer Schicht einer Formgedächtnislegierung.
Als Substrat wird bevorzugt ein Metall der IV., V. und VI. Nebengruppe des Periodischen Systems eingesetzt.
Besonders bevorzugt werden die Metalle Chrom, Molybdän, Wolfram, Zirkonium, Hafnium, Tantal und Niob. Statt der reinen Metalle
können auch Legierungen der genannten Metalle eingesetzt werden. Alternativ können als Substrat Metalle eingesetzt werden, die
den Invar-Effekt zeigen. Bevorzugt wird insbesondere Kovar®, eine Fe-Ni-Co-Legierung. Die Dicke des Substrats beträgt
vorzugsweise 1 um bis 1 mm.
Als Formgedächtnis-Legierung kommt das an sich bereits bekannte Ti-Ni in Betracht. Stattdessen kann auch eine Ni-Al-Mn-Fe-Legierung
oder eine Legierung auf der Basis von Cu-Zn-Al verwendet
werden. Die Formgedächtnis-Legierung wird bevorzugt in einer Dicke von 100 nm bis 50 &mgr;&igr;&agr; eingesetzt.
Bei manchen Materialkombinationen kann es zweckmäßig sein, den Bimetalleffekt des Dünnschichtverbundes zu unterdrücken. Zu diesem
Zweck kann auf der freien Seite des Substrats eine Schicht mit den gleichen mechanischen Eigenschaften, aber ohne einen
Formgedächtniseffekt, aufgebracht werden. Diese Schicht kann beispielsweise aus Nickel (&agr; = 13,3.10"6) oder Kupfer
(&agr; = 17.10"6) bestehen und zwischen 50 nm und 50 um dick sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem
Substrat und der Schicht der Formgedächtnis-Legierung eine elektrisch isolierende Schicht z. B. aus Titandioxid vorgesehen. In
diesem Fall kann die Formgedächtnis-Schicht mit Hilfe Joulescher Wärme, d. h. mittels elektrischem Strom, erwärmt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren und einer Beschreibung
eines Herstellungsverfahrens näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 in schematisierter Form Herstellung und Eigenschaften des Dünnschichtverbundes;
Fig. 2 die Auslenkung des Dünnschichtverbundes; Fig. 3 die Meßergebnisse mit einer besonderen Ausführungsform
des Dünnschichtverbundes;
Fig. 4 den Verlauf der Schichtspannung in der Schicht der Formgedächtnis-Legierung
in Abhängigkeit von der Temperatur bei einer besonderen Ausführungsform des Dünnschichtverbundes.
Die Formgedächtnis-Legierung des Dünnschichtverbundes läßt sich durch einen PVD-Prozeß (Physical Vapour Deposition), z. B. durch
Magnetronsputtern oder durch Laser-Ablation auf dem Substrat abscheiden.
Dabei kann die Formgedächtnis-Schicht während des Abscheideprozesses durch erhöhte Substrattemperatur oder nach dem
Abscheideprozeß mittels Wärmebehandlung kristallisiert werden.
In Figur 1 ist der Dünnschichtverbund aus dem Substrat 2 und der
Formgedächtnis-Schicht 3 im spannungsfreien Zustand, der sich während des Abscheideprozesses bei erhöhter Substrattemperatur
(35O0C bis 7000C) oder durch nachfolgende Wärmebehandlung (bei
ca. 500° bis 8000C) ergibt, dargestellt (siehe Teil a)). Optional
kann eine zusätzliche Wärmebehandlung bei 4000C durchgeführt
werden. Der in Teil a) und b) gezeigte Dünnschichtverbund ist durch eine Maske 1 aus einem Sauerstoff-Gettermaterial (z. B.
Titan) gegen Durchbiegen fixiert. In Teil b) sind die beim Abkühlen auftretenden Spannungen bei einer Temperatur oberhalb der
Martensitstarttemperatur M3 durch Pfeile symbolisiert. In der
Formgedächtnis-Schicht ergeben sich Zugspannungen, im Substrat dagegen Druckspannungen.
Wesentlich am Herstellungsprozeß ist, daß sich in der Formgedächtnis-Schicht
beim Abkühlen nach der Kristallisation eine laterale mechanische Spannung
J &tgr;? &igr;
"-NiTl &igr; ^Sub
®Sub ^NiTi
Diese Spannung kann durch Verwendung eines Substrats mit niedrigerem
thermischen Ausdehnungskoeffizienten aber höherem effektivem &Egr;-Modul Esub f erzeugt werden. Solche Substrate sind insbesondere:
Mo asub = 5,l*10"6 l/K Esub v = 459,4 GPa
W aSub = 4,5*10"6 l/K Esub &lgr; = 570,8 GPa
Kovar asub = 4,8*10"6 l/K Esub x = 200 GPa
zum Vergleich NiTi amTi = hn^io'6 l/K ENiTi » = 89 GPa
(Austenit)
Die Vergrößerung der Substratdicke dSUb ergibt den gleichen Effekt,
wie die Vergrößerung des effektiven &Egr;-Modul des Substrats.
Die gewünschte Aktorauslenkung ist jedoch proportional zu 1/( ESUb
ydsub 2) , so daß die Vergrößerung von der Substratdicke von erheblichem
Nachteil ist.
Die Spannung erhöht sich während des Abkühlens, bis die Martensitstarttemperatur
M3 erreicht wird. Ab diesem Moment kann sich durch Bildung energetisch günstig orientierter Martensitvarianten
die Spannung je nach Formgedächtnis-Legierung um bis zu 450 MPa abbauen.
Wird ein solcher Aktor wieder über die Austenitstarttemperatur erhitzt, so baut sich diese Spannung wieder auf und der Dünnschichtverbund
zeigt eine ausgeprägte Auslenkung. In Fig. 1, Teil c) und d), ist dieser Vorgang schematisch dargestellt. Teil
c) zeigt den Zustand im Martensit-Bereich, Teil d) im Austenitbereich.
Die während des Abkühlvorgangs entstehende Zugspannung kann maximiert
werden, wenn der Dünnschichtverbund zwischen zwei ebenen Platten fixiert wird. Der Schichtverbund kann dadurch dem zu erzielenden
Spannungszustand nicht mehr durch Krümmung ausweichen.
Für die in-situ Kristallisation ist entsprechend zur Fixierung des Dünnschichtverbundes eine Maske zu wählen, die den Beschichtugsprozeß
nicht behindert. Wird als Material für die Fixierung des Verbundes ein Sauerstoff-Gettermaterial {z. B. Titan) verwendet,
so kann dieses möglichen Oxidationsprozessen während der Wärmebehandlung entgegenwirken.
In manchen Legierungen auf der Basis von TiNi können bei ca. 4000C Ausscheidungen entstehen, die sich entsprechend dem gerade
herrschenden Spannungszustand des DünnschichtVerbundes orientieren.
Diese Ausscheidungen führen zu einer Bevorzugung bestimmter Martensitvarianten und sind damit verantwortlich für den Zweiwegeeffekt.
Im oben beschriebenen Herstellungsprozeß unterstützt dieser Zweiwegeeffekt das oben beschriebene Zweiwegeverhalten im
Verbund und erhöht damit den erzielbaren Effekt.
Fig. 2 zeigt ein Schema eines Dünnschichtverbundes. Der Zusammenhang
zwischen der Schichtspannung af und dem Krümmungsradius &rgr;
ergibt sich aus
Of = Esds 2 / 6{l-us)df«p
&ugr;3 = Poissonzahl des Substrats
E3= &Egr;-Modul des Substrats
d== Dicke des Substrats
df= Dicke der Formgedächtnis-Schicht.
Fig. 3 zeigt die Messung der Schichtspannung eines Dünnschichtverbundes
bestehend aus einer 6,5 pm dicken Ti50Ni22Pd28-Legierung
auf einem 50 ym dicke Substrat aus Molybdän. Deutlich zeigt sich
hier die Nichtlinearität im Spannungsverlauf.
Der lineare Anteil vor und nach der Hysterese ist reiner Bimetalleffekt.
Dieser kann durch eine Beschichtung mit einer Schicht mit gleichen mechanischen Eigenschaften, aber ohne den
Formgedächtniseffekt auf der Rückseite des Dünnschichtverbundes kompensiert werden.
Formgedächtnis-Schichten der chemischen Zusammensetzung Ti(NiCu2o) zeigen einen größeren Formgedächtniseffekt {siehe
hierzu Fig. 4). Auf die Kompensation des Bimetalleffekts kann in diesem Fall verzichtet werden.
Aufgrund des großen &Egr;-Moduls von Molybdän {324,8 MPa) konnten
die für den Effekt notwendigen Schichtspannungen sogar auf Substraten der Stärke 8 um erzeugt werden. Damit sind sogar gesputterte
Molybdän-Schichten zur Erzeugung des Zweiwegeverhaltens anwendbar.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß der erfindungsgemäße
Dünnschichtverbund insbesondere für den Einsatz als
Sensor oder Aktor eignet. Bei der Verwendung als Sensor lassen sich Temperaturen in Mikrobereichen messen. Wird der Dünnschichtverbund
als Aktor eingesetzt, können temperaturabhängig miniaturisierte Komponenten wie Mikroventile oder Mikrogreifer
gesteuert werden.
Eine Ti54NiPd28-Schicht auf einem 50um Mo-Substrat wird bei 7000C
krisallisiert. Beim Abkühlen beginnt sich zwischen 7000C und der
Rekristallisationstemperatur von 4800C die Zugspannung in der
Schicht aufzubauen. Die Temperaturdifferenz DT zwischen dieser
Temperatur und der Martensitstarttemperatur M3 = 165°C beträgt
also zwischen 535°C und 3150C. Daraus resultiert eine Schichtspannung zwischen 262MPa und 154MPa.
Der gemessene Wert für die Spannungsdifferenz zwischen Austenit-
und Martensitzustand beträgt 130MPa.
Eine Ni5oTi5O-Schicht hat eine Martensitstarttemperatur von ca.
500C, die Schichtspannung ist entsprechend höher und liegt zwischen
330 und 210 MPa.
Der gemessene Wert für die Spannungsdifferenz zwischen Austenit-
und Martensitzustand liegt bei 320MPa.
Claims (11)
1. Dünnschichtverbund bestehend aus einer Schicht einer Formgedächtnis-Legierung
und einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat aus einem Metall oder einer Metall-Legierung besteht.
2. Dünnschichtverbund nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
als Formgedächtnis-Legierung eine Legierung auf der Basis von Ti-Ni eingesetzt wird.
3. Dünnschichtverbund nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
als Formgedächtnis-Legierung eine Legierung auf der Basis von Ni-Al-Mn-Fe eingesetzt wird.
4. Dünnschichtverbund nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
als Formgedächtnis-Legierung eine Legierung auf der Basis von Cu-Zn-Al eingesetzt wird.
5. Dünnschichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat aus mindestens einem Metall der IV., V. und/oder VI. Nebengruppe des Periodischen Systems besteht.
6. Dünnschichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
als Substrat ein Metall mit einem Invar-Effekt gewählt wird.
7. Dünnschichtverbund nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat aus Chrom, Molybdän, Wolfram, Zirkonium, Hafnium Tantal und/oder Niob besteht.
8. Dünnschichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke der Schicht der Formgedächtnis-Legierung 100 nm bis 50 um beträgt.
9. Dünnschichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke des Substrats 1 um bis 1 mm beträgt.
10.Dünnschichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat auf seiner freien Seite mit einer Kompensationsschicht
versehen ist.
11. Dünnschichtverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schicht aus der Formgedächtnis-Legierung und dem
Substrat eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE29722840U DE29722840U1 (de) | 1997-12-24 | 1997-12-24 | Dünnschichtverbund |
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| DE29722840U1 true DE29722840U1 (de) | 1998-02-12 |
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE29722840U1 (de) |
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