初探薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的探究目前狀況

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1、初探薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的探究目前狀況摘要超磁致伸縮薄膜是一種性能優(yōu)良的新型微驅(qū)動元件，在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，先容了超磁致伸縮薄膜驅(qū)動的原理，綜述了薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的開發(fā)和最新探究成果，重點(diǎn)先容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，在線性超聲微馬達(dá)中的應(yīng)用和在微小型行走機(jī)械中的應(yīng)用，并對超磁致伸縮薄膜在微執(zhí)行器中的發(fā)展提出了展看。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)動方式可分為壓電式、靜電式、外形記憶合金驅(qū)動等。壓電式和靜電式微執(zhí)行器是目前應(yīng)用較廣泛的微

2、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)動電壓高等缺點(diǎn)也限制了它們的應(yīng)用；而外形記憶合金固然是已知的功能材料中變形量最大的，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高效的磁（電）—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)。從其誕生開始，便引起了產(chǎn)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)械傳動機(jī)構(gòu)、振動器、傳感器及聲納系統(tǒng)等方面。近年來，在磁致伸縮應(yīng)用領(lǐng)域又出現(xiàn)了一個新的探究熱門—超磁致伸縮薄膜的探究和應(yīng)用。很多探究者采用濺射方法在非磁性基片上制備了稀土—過渡金屬

3、非晶薄膜，并對薄膜的結(jié)構(gòu)和磁致伸縮特性進(jìn)行了探究，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，在室熱和低磁場下能產(chǎn)生很大的磁致伸縮應(yīng)變。和通常的體磁致伸縮材料相比，超磁致伸縮薄膜的制造過程輕易和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝聯(lián)系起來,因而本錢較低,并且由于薄膜中的二維磁彈性相互功能使超磁致伸縮材料又具有一些新的功能,這對于超磁致伸縮材料的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義.可以說，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)展遠(yuǎn)景。目前，從事微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)方面的探究職員已將目光紛紛投向這一新型的驅(qū)動方式。[1～4１．薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器的原理目前的薄膜型超

4、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)動原理是利用非磁性基片（通常為硅、玻璃、聚酰亞胺等），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)有外加磁場時，薄膜會產(chǎn)生變形，帶動基片進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和彎曲從而達(dá)到驅(qū)動目的。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（λ%26gt;0）,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(λ%26lt;0)。圖１為日本東北大學(xué)電氣通訊探究所的荒井賢一教授和本田等人研制的雙金屬片式磁致伸縮懸臂梁?；駷椋肠蘭,由商用的厚為7.5μm的聚酰亞

5、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圖2雙金屬片式磁致伸縮懸臂梁驅(qū)動動作薄膜(λ%26gt;0)，下面為相同厚度的Sm-Fe薄膜(λ%26lt;0)。該結(jié)構(gòu)的動作原理如圖２所示。當(dāng)在懸臂梁長度方向外加磁場時，產(chǎn)生正磁致伸縮的Tb-Fe薄膜便伸長，而產(chǎn)生負(fù)磁致伸縮的Sm-Fe薄膜會縮短，懸臂梁的未固定端便向下彎曲產(chǎn)生位移。當(dāng)在橫向加磁場時，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；

6、２）可實(shí)現(xiàn)由外部磁場進(jìn)行非接觸式驅(qū)動；３）結(jié)構(gòu)簡單，便于制造。[5～72.薄膜型超磁致伸縮微執(zhí)行器探究目前狀況2.1在流體控制系統(tǒng)中的應(yīng)用目前，對包括微管道、微閥、微流量計、微泵等元件的微流量控制系統(tǒng)的探究已成為微機(jī)械探究的熱門之一。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)動圖3懸臂梁式磁致伸縮微型閥當(dāng)閥門封閉時，通道口和鍍有磁致伸縮薄膜的基片牢牢相接，液體在連通的上下兩個腔體中同時存在但并不能外流。當(dāng)有外加磁場時，磁致伸縮薄膜發(fā)生形變從而使基片產(chǎn)生彎曲，這時通道口和基片相分離，液體便從上腔經(jīng)過出口流出，經(jīng)探究表明，當(dāng)外磁場強(qiáng)度為３０mT時閥門產(chǎn)生最大開口量，驅(qū)動

7、磁場較以往設(shè)計的執(zhí)行器大大減小。懸臂梁上鍍層和非鍍層的尺寸結(jié)構(gòu)對變形有很大影響，通常采用有限元計算的方法得出其尺寸比。此外，據(jù)報道德國的材料探究所已將超磁致伸縮薄膜應(yīng)用于微型泵的探究之中。這種泵當(dāng)控制頻率在２KHz時最大流量為１０μl/min,出口壓力可達(dá)1mbar。[82.2在線性超聲微馬達(dá)中的應(yīng)用超磁致伸縮薄膜線性超聲微馬達(dá)由（１００）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)偏磁場大小為３０mT，外加一頻率約為７５０Hz，大小為１５mT的激勵磁場時，這種線性馬達(dá)的