TiNi şekil hafızalı kaplama filmin sentezlenmesi, özelliklerinin araştırılması ve örnek bir mems uygulaması

Abstract

Şekil hafızalı ince filmler sahip oldukları yüksek şekil değişim kuvveti ve dar histerezis sayesinde günümüzde stratejik ve endüstriyel kullanım alanına sahiptir. Özellikle mikro elektromekanik sistemlerde (MEMS) mikro aktüatör, mikro pompa, mikro ayna gibi ve biyomedikal uygulamalarda şekil hafızalı ince filmler kullanılmaktadır. Bu filmler arasında en çok kullanılanı TiNi esaslı şekil hafızalı filmlerdir. TiNi filmlerin üretiminde yaygın olarak kullanılan yöntem magnetron sıçratma yöntemi olup kristal yapı oluşumu için filmlere kaplama sonrası ısıl işlem uygulanmaktadır.Bu çalışmada TiNi şekil hafızalı ince filmlerin magnetron sıçratma yöntemi ile sonradan ısıl işleme ihtiyaç duymadan ve düşük sıcaklıklarda direkt kristal yapı şeklinde büyütülmesi, yapısal, mekanik, adezyon ve yorulma özelliklerinin araştırılması, şekil hafıza özelliğinin belirlenmesi ve uygun bir MEMS uygulamasının yapılması amaçlanmıştır. İlk olarak taban malzemelere ve hedefe uygulanan gücün pulse veya bias olmasına bağlı olarak hangi durumda kristal yapıya ulaşılabileceği yapılan 4 farklı ön test çalışması ile belirlendi. Taban malzemeye pulsed-dc, hedefe ise sabit akım uygulandığında daha iyi sonucun elde edilebileceği belirlendi. Buna uygun olarak Taguchi L9 tasarımına göre 9 farklı kaplama yapıldı ve Run 7 filminde tamamen kristal yapıdan oluşan TiNi film elde edildi. TiNi filmlerin yapısal özelliklerini araştırmak için SEM, EDS ve XRD analizleri, mekanik özelliklerini araştırmak için mikro ve nano sertlik testleri, adezyon özelliklerini araştırmak için çizik testleri, yorulma dayanımını araştırmak için multi-pass çizik testleri yapıldı. Şekil hafıza özelliğini belirlemek için filmlere DSC analizleri yapıldı. Son olarak TiNi filmlerden tipik bir MEMS uygulaması tasarlandı ve şekil hafıza özelliği test edildi.

Shape memory thin films generally show high recovery force and narrow transformation temperature hysteresis hence they have wide range of application areas. Especially micro electro mechanic systems (MEMS) such as micro actuators, micro mirror, micro pumps and also biomedical applications have been made with shape memory thin films. The most studied and used shape memory films for these applications are TiNi based films. TiNi films deposited by magnetron sputtering are generally amorphous so heat treatment needs to be performed on the films.In this work, we were intended to synthesized in-situ fully crystalline TiNi shape memory thin film at a lower temperature than others by conventional magnetron sputtering applying pulsed-dc voltage to the substrates without needing any heat treatment and investigation of structural, mechanical, adhesion, fatigue, and transformation temperature properties and making a suitable MEMS application. To determine depending on whether the target and substrate applied power is pulse or bias may be obtained the crystal structure, 4 different coatings conducted in. It was observed that applying pulsed-dc to substrate and bias current to target showed better results to obtain as-deposited crystalline TiNi film. For this purpose, 9 different coatings were deposited by magnetron sputtering using these main parameters using Taguchi L9 orthogonal array and at Run 7 film, as-deposited crystalline TiNi film achieved. To examine the structural properties of the fabricated films, XRD, SEM and EDS were used. Micro and nano hardness tests were used for mechanical properties. Progressive and multi-pass scratch tests were used for adhesion and fatigue like behaviours. Austenitic and martensitic transformation temperatures and hysteresis were observed via DSC (differential scanning calorimeter). Finally, a typical MEMS applications designed for TiNi films and shape memory effect was tested.