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無(wú)錫昌林液壓氣動(dòng)成套有限公司
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無(wú)錫昌林液壓氣動(dòng)成套有限公司
閱讀：295發(fā)布時(shí)間：2013-7-6
摘要超磁致伸縮薄膜是一種性能優(yōu)良的新型微驅(qū)動(dòng)元件，在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹了超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)的原理，綜述了薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的開(kāi)發(fā)和研究成果，重點(diǎn)介紹了薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器在微流體控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，性超聲微馬達(dá)中的應(yīng)用和在微小型行走機(jī)械中的應(yīng)用，并對(duì)超磁致伸縮薄膜在微執(zhí)行器中的發(fā)展提出了展望。
關(guān)鍵詞超磁致伸縮微執(zhí)行器薄膜
0引言
微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)是一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，而微執(zhí)行器又是復(fù)雜微機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一.常用的微執(zhí)行器根據(jù)其驅(qū)動(dòng)方式可分為壓電式、靜電式、外形記憶合金驅(qū)動(dòng)等。壓電式和靜電式微執(zhí)行器是目前應(yīng)用較廣泛的微執(zhí)行器，它們具有精度高、不發(fā)熱、響應(yīng)速度較快等優(yōu)點(diǎn)，但輸出力小、驅(qū)動(dòng)電壓高等缺點(diǎn)也限制了它們的應(yīng)用；而外形記憶合金雖然是已知的功能材料中變形量zui大的，但它的響應(yīng)速度較慢，且變形不連續(xù)，因而也限制了其應(yīng)用。
超磁致伸縮材料是一種新型的磁—機(jī)械能轉(zhuǎn)換材料，具有應(yīng)變大、能量密度高、機(jī)電藕荷系數(shù)大、響應(yīng)速度、輸出力大等優(yōu)點(diǎn)。從其誕生開(kāi)始，便引起了工業(yè)界的重視，已廣泛地應(yīng)用于減震、閥門控制、微定位、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、振動(dòng)器、傳感器及聲納系統(tǒng)等方面。
近年來(lái)，在磁致伸縮應(yīng)用領(lǐng)域又出現(xiàn)了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)—超磁致伸縮薄膜的研究與應(yīng)用。許多研究者采用濺射方法在非磁性基片上制備了稀土—過(guò)渡金屬非晶薄膜，并對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和磁致伸縮特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)磁致伸縮薄膜具有良好的軟磁性能，磁晶各向異性值低，在室暖和低磁場(chǎng)下能產(chǎn)生很大的磁致伸縮應(yīng)變。與通常的體磁致伸縮材料相比，超磁致伸縮薄膜的制造過(guò)程輕易和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝起來(lái)，因而成本較低，并且由于薄膜中的二維磁彈性相互作用使超磁致伸縮材料又具有一些新的功能，這對(duì)于超磁致伸縮材料的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義.可以說(shuō)，正是由于超磁致伸縮薄膜材料的種種優(yōu)點(diǎn)，決定了其在微型執(zhí)行器中有著不可估量的發(fā)展前景。目前，從事微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)方面的研究人員已將目光紛紛投向這一新型的驅(qū)動(dòng)方式。
１．薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的原理
目前的薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器主要采用薄膜式和懸臂梁式。其基本的驅(qū)動(dòng)原理是利用非磁性基片，采用閃蒸、離子束濺射、電離鍍膜、直流濺射、射頻磁控濺射等方法進(jìn)行鍍膜，在基片上形成具有磁致伸縮特性的薄膜材料，當(dāng)有外加磁場(chǎng)時(shí)，薄膜會(huì)產(chǎn)生變形，帶動(dòng)基片進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和彎曲從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)目的。為了得到較大的變形，通常在基片的一側(cè)鍍上具有正磁致伸縮效應(yīng)的薄膜材料，而在基片的另一側(cè)鍍上具有負(fù)磁致伸縮效應(yīng)的薄膜材料。
基片厚為３μm，由商用的厚為5μm的聚酰亞胺薄膜用氧氣進(jìn)行反應(yīng)性離子蝕刻而成，這種材料的彈性模量小，熱穩(wěn)定性高?；厦嬗蒙漕l磁控濺射法鍍上1μm的tb-fe
薄膜，下面為相同厚度的sm-fe薄膜。當(dāng)在懸臂梁長(zhǎng)度方向外加磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生正磁致伸縮的tb-fe薄膜便伸長(zhǎng)，而產(chǎn)生負(fù)磁致伸縮的sm-fe薄膜會(huì)縮短，懸臂梁的未固定端便向下彎曲產(chǎn)生位移。當(dāng)在橫向加磁場(chǎng)時(shí)，懸臂梁則向上彎曲產(chǎn)生位移。這是一種典型的超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)方式，可以看出它具有以下優(yōu)點(diǎn)：１）將具有正磁致伸縮效應(yīng)和負(fù)磁致伸縮效應(yīng)的材料結(jié)合在一起可得到較大的變形；２）可實(shí)現(xiàn)由外部磁場(chǎng)進(jìn)行非接觸式驅(qū)動(dòng)；３）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造。
薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器研究現(xiàn)狀
1在流體控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
目前，對(duì)包括微管道、微閥、微流量計(jì)、微泵等元件的微流量控制系統(tǒng)的研究已成為微機(jī)械研究的熱點(diǎn)之一。而薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的出現(xiàn)，又為微流體元件的驅(qū)動(dòng)
提供了一個(gè)新的方法。圖３所示的是德國(guó)的e.quandt等人設(shè)計(jì)的一種懸臂梁式磁致伸縮微閥門，圖3和分別為閥門關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)的示意圖，圖3為閥的a向截面圖。
圖3懸臂梁式磁致伸縮微型閥
當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，通道口與鍍有磁致伸縮薄膜的基片緊緊相接，液體在連通的上下兩個(gè)腔體中同時(shí)存在但并不能外流。當(dāng)有外加磁場(chǎng)時(shí)，磁致伸縮薄膜發(fā)生形變從而使基片產(chǎn)生彎曲，這時(shí)通道口與基片相分離，液體便從上腔經(jīng)過(guò)出口流出，經(jīng)研究表明，當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度為３０mt時(shí)閥門產(chǎn)生zui大開(kāi)口量，驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)較以往設(shè)計(jì)的執(zhí)行器大大減小。懸臂梁上鍍層與非鍍層的尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)變形有很大影響，通常采用有限元計(jì)算的方法得出其尺寸比。
此外，據(jù)道德國(guó)的材料研究所已將超磁致伸縮薄膜應(yīng)用于微型泵的研究之中。這種泵當(dāng)控制頻率在２khz時(shí)zui大流量為１０μl/min，出口壓力可達(dá)1mbar。
2性超聲微馬達(dá)中的應(yīng)用
超磁致伸縮薄膜材料的應(yīng)變大，頻響快，滯后小且驅(qū)動(dòng)場(chǎng)低，因此被應(yīng)用于線性超聲微馬達(dá)中，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4線性超聲微馬達(dá)
超磁致伸縮薄膜線性超聲微馬達(dá)由晶向硅基片和具有正磁致伸縮效應(yīng)的tbfe薄膜制成。tbfe薄膜厚１３μm。當(dāng)偏磁場(chǎng)大小為３０mt，外加一頻率約為７５０hz，大小為１５mt的激勵(lì)磁場(chǎng)時(shí)，這種線性馬達(dá)的步進(jìn)速度可達(dá)３mm/s。
3在微型行走機(jī)械中的應(yīng)用
作為微驅(qū)動(dòng)元件，應(yīng)用于微小行走機(jī)械具有重大的意義，隨著微型化的發(fā)展，行走機(jī)械的能源供給問(wèn)題現(xiàn)在還沒(méi)有有效的解決方法，并成為開(kāi)發(fā)微小行走機(jī)械的難關(guān)。作為該能源供給問(wèn)題的一個(gè)解決方法，便是利用非接觸式驅(qū)動(dòng)的超磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)元件。它的工作原理是，利用外加磁場(chǎng)與行走機(jī)械共振，來(lái)大幅度的提高機(jī)構(gòu)的行走速度。圖5所示為日本荒井賢一等人設(shè)計(jì)的微型行走機(jī)械的截面圖。
圖5微型行走機(jī)械截面圖
他們?cè)诤駷椋罚?mu;m的聚酰亞胺基片上、下各鍍一層１μm的分別具有正負(fù)磁致伸縮效應(yīng)的超磁致伸縮薄膜?；瑑啥耸莾A斜的腿，用來(lái)支撐和行走。此微行走機(jī)械可向前或向后運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外加磁場(chǎng)為５００oe，激勵(lì)頻率為70hz時(shí)，其向前行走的速度能達(dá)到６５mm/s。該行走機(jī)械不僅可在管道中，而且還可在平面上、水中、天棚上行走。
4其它
韓國(guó)漢城科技研究所的薄膜技術(shù)研究中心、韓國(guó)大學(xué)的材料與工程系以及美國(guó)俄亥俄州的cincinnati大學(xué)微電子傳感器和mems中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制出用超磁致伸縮薄膜驅(qū)動(dòng)的微執(zhí)行器原型。取得了較滿足的結(jié)果。日本還有道將超磁致伸縮薄膜用于表面聲波設(shè)備。在用壓電材料做成的基片上鍍上一層超磁致伸縮薄膜材料，表面聲波在基片上傳播并轉(zhuǎn)換成輸出電信號(hào)，波速和信號(hào)的延遲能夠由外磁場(chǎng)控制產(chǎn)生變化。
從目前的薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的研究來(lái)看，主要采用的是懸臂梁式和薄膜式，即將超磁致伸縮薄膜鍍?cè)诜谴判缘膕i、玻璃或聚酰亞胺基片上，利用外磁場(chǎng)變化使薄膜伸長(zhǎng)或縮短從而帶動(dòng)基片產(chǎn)生彎曲變形。德國(guó)的e.quandt在原有研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型的復(fù)合層，它的結(jié)構(gòu)分為兩層：一層由非晶超磁致伸縮材料構(gòu)成，另一層則由具有良好的軟磁特性和很強(qiáng)的磁極化率材料構(gòu)成，層與層之間進(jìn)行磁耦合。在這樣的復(fù)合層結(jié)構(gòu)中，磁極化得到了增強(qiáng)，因而在低磁場(chǎng)下可產(chǎn)生大的磁致伸縮，這種復(fù)合層結(jié)構(gòu)要比一般的薄膜更適用于低磁場(chǎng)的情況。
此外，國(guó)外還有將超磁致伸縮薄膜用于振動(dòng)原子力和隧道掃描探針等*之中。
3結(jié)束語(yǔ)
以上簡(jiǎn)要介紹了薄膜型超磁致伸縮執(zhí)行器的開(kāi)發(fā)和研究現(xiàn)狀。未來(lái)的執(zhí)行器正朝著小型化、集成化方向發(fā)展，其驅(qū)動(dòng)元件也越來(lái)越多的由三維體材料向二維的薄膜材料發(fā)展。薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器在低場(chǎng)室溫下的應(yīng)變大，響應(yīng)速度快，功率密度高并采用非接觸式驅(qū)動(dòng)，這對(duì)微執(zhí)行器的發(fā)展將起到有力的推動(dòng)作用。
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