JP2006142478A - 熱弾性アクチュエータ設計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、材料の各アプリケーションに対する潜在的有効性の指標の導出に関する手順に従って選択される材料から形成される膨張要素を組み込んだ熱弾性アクチュエータの設計に関する。指標εは、εγ=Eγ2T/ρCから導出される。ただし、Eは材料のヤング率、γは熱膨張係数、Tは最大動作温度、ρは密度、Cは比熱容量である。素材は、クロム、モリブデン、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、バナジウムまたはジルコニウムのホウ化物、炭化物、窒化物またはケイ化物を含む群から選択され得る。
【選択図】図1
Description
PCT/AU00/00518, PCT/AU00/00519, PCT/AU00/00520, PCT/AU00/00521,
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PCT/AU00/00596, PCT/AU00/00597, PCT/AU00/00598, PCT/AU00/00516,
PCT/AU00/00517およびPCT/AU00/00511。
最近まで、定期的に使用され、あるいはこのようなアプリケーションでの使用を検討された唯一の材料はポリシリコンや単結晶シリコンであった。しかし、出願人はほんの少し前に、窒化チタンおよびホウ化/二ホウ化チタンがこのアプリケーションに関連する優れた特性を示すという驚くべき発見をした。
(ただし、Eは材料のヤング率であり、γは熱膨張係数であり、Tは最高動作温度であり、ρは密度であり、Cは比熱容量である)に従って計算するステップを含む方法、に関連する。
(a)0.1μΩmと10.0μΩmの間の抵抗率;
(b)空気中で化学的に不活性;
(c)選択されたインク中で化学的に不活性;および
(d)CVD、スパッタリングまたは他の薄膜堆積技術により堆積可能。
動作温度およびたわみだけによって特徴づけられるスイッチとは異なり、アクチュエータはたわみ、力および動作温度の組合せによって特徴づけられる。基本的な熱弾性設計は、2つの接合された層の長手方向の膨張の差によって特徴づけられる。したがって、孤立した接合されていない層の膨張は、全体的な挙動に直接関係する。ここでは、材料アクチュエーション効率を説明するのに単一材料の梁を使用する。アプローチは直接的であり、全般的な熱弾性設計と関係がある。導出は、材料特性が熱範囲の全域で一定であると仮定している。
ここで、δL=梁の伸び、L0=梁のもとの長さ、T=動作温度(温度上昇)、およびγ=梁の熱膨張係数。
F=梁の膨張によって及ぼされる力、A=梁の断面積、E=ヤング率。
ここで、Q=熱エネルギーの入力、V=梁の体積、ρ=密度、およびC=梁の比熱容量。
ここで、W=機械仕事である。
極めて高い特性(PTFE−高いg、ダイヤモンド−高いE)を有する材料を含む異なる薄膜材料と、ホウ化物、ケイ化物、窒化物および炭化物を含むすべての主たるCVD群からの化合物を表2に示す。効率値は、シリコンの効率値に従ってスケーリングされる、なぜならスケーリングされた値を含めると、以下の本文で説明する設計方程式が大いに単純化されるからである。基準材料に関して材料のスケーリングあるいは比較をすることは材料選択のプロセスにおいて不可欠のステップである。さらに、スケーリングはまた、以下の比較によって明らかにされるように、より読みやすい指数を生じる。シリコンは、リソグラフィ作製における優位性のため基準材料として選ばれる。
ここで、
γ=熱膨張係数、
E=ヤング率、
ρ=密度、
C=比熱容量、
O.T.=酸化温度、
M.T.=融点、
mε=効率勾配(シリコンのmε値に対して正規化したもの、正規化されたシリコンの値m(r,ε)=0.8865e−06)、
εc=材料指数(シリコンのε値に対して正規化したもの、正規化されたシリコンのεr=1.25e−03)、
KXX=熱伝導率、および
R=抵抗率、
である。
一定の梁体積について、材料とシリコンとの間で機械仕事および熱入力が比較される。したがって、比較1では直接材料置換により要求される最高可能相対仕事と、関連する相対熱入力とを計算する。異なる材料の比較の詳細は表3に含まれており、その表は、CVDセラミックスがシリコンよりはるかに優れたアクチュエータ材料であることを示している(表3は融点を用いて作成され、表4は酸化温度を用いて作成されている)。窒化チタンは、シリコンのわずか4.41倍の量の熱入力で、159.3倍の量の機械仕事を出力することができる。式8およびスケーリングされた材料効率比(表2に含まれている)のファクタは方法の用途の広さを説明する以下の比較に繰り返し現れる。
一定の体積について、同量の熱エネルギーを受けるとき、異なる材料は異なる量だけ温度が上がる。材料の体積は、同量のシリコン熱エネルギーが両方のアクチュエータに入力されるという制約に従ってシリコン体積に比例してスケーリングされ、比較材料はその動作温度に到達する。したがって、アクチュエーション効率値は不変のままである、なぜならアクチュエーション効率値は体積の関数ではなく動作可能温度に到達するからである(式5が示すように)。比較2は熱および体積が決定的なファクタである設計の場合を表す。
一定体積の梁について、シリコン熱エネルギーから生じる出力機械仕事が比較される。比較材料に対する動作温度と効率値は変化する。しかし、新しい効率値は、温度と効率との間の直線関係(図3に示されるような)のために、新旧動作温度の乗法的比を用いて容易に計算される。新しい動作温度および仕事は、式11および12で与えられる。この比較は、熱が決定的なパラメータである設計の場合を表す。
材料の体積は、比較材料動作温度およびシリコン仕事が維持されるという制約に従い、シリコン体積に関してスケーリングされる。したがって、シリコン仕事値が当初の仕事より小さい場合、体積はスケーリングにより縮小される。さもなければ、体積はPTFEやアモルファス二酸化シリコンの場合のように増加する。材料アクチュエーション効率は、式14に示されるように逆数として計算の中に再び現れる。
一定体積の梁について、シリコン機械仕事を出力するのに要求される入力熱エネルギーが比較される。比較材料に対する動作温度、したがって効率値は変化する。新しい効率は、比較3で説明されているのと同一のやり方で計算することができる。動作温度および熱入力値は式15および16を用いて計算される。
表3に含まれている結果を説明するために、熱アーム/冷アーム型のアクチュエータを図1に示す。ヒータに入力される熱量に対する唯一の定常状態の解を分析する。デバイスは、空気で分離され非熱伝導性のブロックによって端部で互いに結合された2個の同一の材料層を有する。出力機械パワーの力/たわみ特性は、2層の間の間隔を変更することにより調整することができる。より大きな間隔は、横断力を増加させるが、たわみを減少させる。
5個の別個の材料特性の組合せが、熱弾性設計に対する材料の潜在力を評価するのに重要であり、1つの卓越した特性を有する材料が必ずしも最良の候補であるとは限らないことが示されている。これは、PTFE(高いg)およびダイヤモンド(高いE)の両方について、表3において明白である。金および銅は両方とも、高いgの値を有するが、低いEおよび高いrの値によって良い候補としては妨げられる。シリコンは他のいくつかの材料と比較すると非常に効率が低いが、アモルファス二酸化シリコンはおそらくすべてのうちで最も効率の低い材料である。
Claims (6)
- チタンのケイ化物および炭化物、
を含む群から選択される、機能的に適合するいかなる材料または材料の組合せから作られる、熱弾性設計における膨張要素。 - 以下の特性:
(a)0.1μΩmと10.0μΩmの間の抵抗率;
(b)空気中で化学的に不活性;
(c)選択されたインク中で化学的に不活性;および
(d)CVD、スパッタリングまたは他の薄膜堆積技術により堆積可能;
のうちの1つ以上をさらに含む、請求項1に記載の膨張要素。 - タンタル、モリブデン、ニオブ、クロム、タングステン、バナジウム、およびジルコニウムのホウ化物、ケイ化物、炭化物および窒化物、
を含む群から選択される、機能的に適合するいかなる材料または材料の組合せから作られる、熱弾性設計における膨張要素。 - 以下の特性:
(a)0.1μΩmと10.0μΩmの間の抵抗率;
(b)空気中で化学的に不活性;
(c)選択されたインク中で化学的に不活性;および
(d)CVD、スパッタリングまたは他の薄膜堆積技術により堆積可能;
のうちの1つ以上をさらに含む、請求項3に記載の膨張要素。 - チタン、タンタル、モリブデン、ニオブ、クロム、タングステン、バナジウム、およびジルコニウムのホウ化物、ケイ化物、炭化物および窒化物、を含む群から選択される、機能的に適合するいかなる合金材料または合金材料の組合せから作られる、熱弾性設計における膨張要素。
- 以下の特性:
(a)0.1μΩmと10.0μΩmの間の抵抗率;
(b)空気中で化学的に不活性;
(c)選択されたインク中で化学的に不活性;および
(d)CVD、スパッタリングまたは他の薄膜堆積技術により堆積可能;
のうちの1つ以上をさらに含む、請求項5に記載の膨張要素。
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