有限要素法を用いた応力解析によるTiNi 形状記憶合金薄膜の結晶成長予測

摘要

形状記憶合金は，温度変化等に起因する相変態により変位を得ることができる機能性材料であり，他の機能性材料と比べ，高い変位と発生力を得ることが可能で，生体適合性にも優れている．そのため，形状記憶合金はアクチュエータとして医療·工業分野で広く用いられている．著者らは形状記憶合金の中でも特に大発生力を有するTiNi 合金を用い，自動血糖値測定デバイス[1]へ搭載する薄膜であっても十分な変位を有するマイクロポンプ用TiNi 形状記憶合金薄膜アクチュエータの開発を行っている．マイクロポンプ用TiNi 形状記憶合金アクチュエータを設計する上で重要となる発生力は，TiNi の変態温度，繰り返し特性や，さらにはTiNi 合金の組成比，結晶化処理，形状記憶処理条件などによる薄膜中に生じるひずみによって変化することが知られている．その中で特に薄膜中の残留ひずみは形状記憶特性を左右する結晶面方位に寄与し，基板の影響によるものが大きい．そこで基板やバッファ層の選定が重要な因子となっている．それ故，アクチュエータとして薄膜が十分な発生力を有するためには，薄膜の結晶成長制御が必要となる．そこで有限要素法解析を行い基板と薄膜の実際に創製した薄膜の残留ひずみと比較し，シミュレーションによるTiNi とバッファ層のひずみを再現する格子不整合率を考慮したひずみ推定手法の基礎研究を行いこのひずみ測定手法の有効性を確認した [2]． しかし，現状のバッファ層条件では残留応力の予測まで行うことができない．本研究では，基板として半導体分野で広く用いられているSi(001)基板を採用し，バッファ層材料としてTiNi の結晶成長が良好であるNb を選定し[3]，上記ひずみ推定手法を用い，実際に創製した薄膜に生じた応力のシミュレーションによる再現を行い，薄膜の結晶をより成長させ,大きい残留応力を有するためのバッファ層条件を検討した．