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)和最新研究成果，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—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(mén)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)體工藝聯(lián)系起來(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。圖１為日本東北大學(xué)電氣通信研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。

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。基片上面用射頻磁控濺射法鍍上1μm的tb-fe

圖1雙金屬片式磁致伸縮懸臂梁結(jié)構(gòu)

圖2雙金屬片式磁致伸縮懸臂梁驅(qū)動(dòng)動(dòng)作

薄膜，下面為相同厚度的sm-fe薄膜。該結(jié)構(gòu)的動(dòng)作原理如圖２所示。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(mén)，圖3和分別為閥門(mén)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(mén)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(mén)產(chǎn)生最大開(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)最大流量為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�５μm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。基片兩端是傾斜的腿，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