沒有生命的物體也能擁有記憶呢？MEMS器件中的新應(yīng)用

生物都擁有記憶，然而你是否相信，沒有生命的物體也能擁有記憶呢？把一塊金屬板用外力彎曲，經(jīng)過再次加熱，你能驚奇地發(fā)現(xiàn)它會神奇地變回原來的形狀，這就是形狀記憶合金。近年來，記憶合金有趣的性能因廣泛應(yīng)用于MEMS而備受關(guān)注，如今已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航天等領(lǐng)域。

采用MEMS技術(shù)的傳感器芯片，資料圖

MEMS（微機電系統(tǒng)）是一門綜合學科，其涉及微加工技術(shù)、機械學、電子學等等。MEMS器件的大小從1毫米到1微米不等，其主要優(yōu)點是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等，是微型傳感器的主力軍，正在逐漸取代傳統(tǒng)機械傳感器，被用在消費電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機械、化工、醫(yī)藥等多個領(lǐng)域。

目前，常見的MEMS傳感器產(chǎn)品有壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀、靜電致動光投影顯示器、DNA擴增微系統(tǒng)、催化傳感器；復雜的MEMS機器則由各種MEMS組件組成，如旋轉(zhuǎn)齒輪、懸臂、腔和傳感器等等。

MEMS器件，資料圖

為適應(yīng)各種不同的工作環(huán)境，MEMS器件材料要盡可能適應(yīng)多種復雜環(huán)境。因此，材料也成為了影響MEMS器件發(fā)展的重要因素之一，結(jié)合現(xiàn)有材料，更好地將MEMS結(jié)構(gòu)與微電子集成，有利于創(chuàng)造成本更低效益更高的MEMS產(chǎn)品。

NiTi合金的“記憶特性”示意圖，資料圖

實際上，早在1951年，Chang和Read就在金鎳合金中觀察到了形變再加熱能變回原形的這一奇特的現(xiàn)象。Buehler在上世紀60年代發(fā)現(xiàn)了NiTi合金也具有這一“記憶特性”，且它和其他記憶合金不同，它在較低的溫度下以孿晶馬氏體的結(jié)構(gòu)存在，較高溫度下以位錯馬氏體的結(jié)構(gòu)存在。由于普通的MEMS器件由于材料在力學方面的性能，受到較大的限制，而形狀記憶合金的出現(xiàn)，很大程度上彌補了這一缺陷。如今，基于NiTi合金的薄膜，目前已應(yīng)用于包括加速度傳感器、微型壓力傳感器、微執(zhí)行器等多種MEMS傳感器中。

在微執(zhí)行器中的應(yīng)用

自90年代中期，越來越多的研究關(guān)注于使用NiTi薄膜沉積硅基板的微執(zhí)行器的發(fā)展。近日日本科學技術(shù)利用TiNi合金的特性，在聚酰亞胺上制備出了8μm厚度的TiNi合金薄膜，用于機器人蜻蜓執(zhí)行器質(zhì)量只有0.18g，但卻能拉起20.5g重的物體，是其自身深重量的225倍?；谶@份研究基礎(chǔ)上研發(fā)出來的仿真工具，通過優(yōu)化NiTi-Cu薄膜的組份參數(shù)，可改善包括楊氏模量、彈性極限等材料性能，使得記憶合金擁有更廣泛的應(yīng)用前景。

機器人蜻蜓。圖片來自Sens. Actuators

在微流閥中的應(yīng)用

微流體技術(shù)可在微觀尺寸下控制與操作和檢測復雜流體，比如樣品DNA的制備、PCR反應(yīng)、電泳檢測等操作都是在液相環(huán)境中進行。如果要將樣品制備、生化反應(yīng)、結(jié)果檢測等步驟集成到生物芯片上，則實驗所用流體的量就從毫升、微升級降至納升或皮升級，這時功能強大的微流體裝置就顯得必不可少了。

微閥門。圖片來自Sens. Actuators

但是，因為需要在較高溫度下使用，使得其應(yīng)用受到的很大的限制。德國卡爾斯魯厄研究所利用NiTiPd合金制備了3mmx3mmx5mm的微流閥。利用濺射制備的薄膜，通過調(diào)整組份的比例和加熱溫度變化影響微型閥門的轉(zhuǎn)換溫度。通過調(diào)整這些微型閥門能夠在405k溫度以上，實現(xiàn)可調(diào)節(jié)溫度下運行。通過改善SMA閥門的動態(tài)性能，提高材料的脆性和增強疲勞強度，對未來微流閥的設(shè)計提供了一種新的熱優(yōu)化思路。

在微夾具中的應(yīng)用

通過在硅懸臂上制造出有TiNi電極，當電極被加熱時，由于TiNi存在的形狀記憶效應(yīng)，懸臂梁產(chǎn)生的力和位移都非?？捎^，通過利用雙向形狀記憶效應(yīng)，TiNi薄膜還能用于制備微夾持器具備極強的穩(wěn)定性。

美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（LLNL）研制了采用形狀薄膜驅(qū)動的微夾鉗，體硅MEMS加工的經(jīng)過對準，然后在上下兩面通過濺射沉積Ni-Ti-Cu薄膜，并對薄膜進行熱處理，之后切割制成微夾鉗。微夾鉗上下兩面所沉積的Ni-Ti-Cu薄膜在比較低的溫度范圍（30℃至70℃）內(nèi)可以產(chǎn)生較大的驅(qū)動力（500MPa）。薄膜所產(chǎn)生的應(yīng)力可使夾鉗端部產(chǎn)生55um的變形，整個夾鉗可以張開110um，同時這種微夾具的壽命也很可觀，可承受超過20萬次的彎折。

微夾具。圖片來自Sens. Actuators

目前，主流制備TiNi設(shè)備的方法還是通過利用共濺射法（co-sputter），使用Ti靶材和Ni靶材共同濺射。濺射通過利用高壓將腔體內(nèi)部的惰性氣體電離，離子在電場作用下告訴碰撞靶材，靶材中的分子收到?jīng)_擊后沉積在襯底上，通常，為了改善濺射效率，大多數(shù)濺射都會在設(shè)備中增加磁控裝置，使得電子圍繞磁力線螺線形軌道運動。這樣，電子被磁力線束縛，在靶材附近磁力線平行于靶材表面的區(qū)域停留的時間增長，電子離化氣體的效率得到提高。此外，電子也不會再襯底上形成電荷積累，降低陰極和陽極之間的壓差，濺射速率提高。

隨著MEMS技術(shù)與航空航天、信息通信、生物化學、醫(yī)療、自動控制、消費電子以及兵器等應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合，為了滿足人類對更高生產(chǎn)力的追求，相信在不久的將來，類似記憶合金的新型高科技材料，將會越來越多地出現(xiàn)在我們的日常生活中。