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薄膜型超磁致伸縮微執行器的研究現狀

注意:本論文已在《壓電與聲光》(2000,22(3):157~159,167)雜志發表,
使用者請注明論文出處

賈振元  武丹  楊興  郭東明  郭麗莎

(大連理工大學機械工程學院  116024)

 

      超磁致伸縮薄膜是一種性能優良的新型微驅動元件,在查閱大量文獻的基礎上,介紹了超磁致伸縮薄膜驅動的原理,綜述了薄膜型超磁致伸縮微執行器的開發和最新研究成果,重點介紹了薄膜型超磁致伸縮微執行器在微流體控制系統中的應用,在線性超聲微馬達中的應用和在微小型行走機械中的應用,并對超磁致伸縮薄膜在微執行器中的發展提出了展望。

    關鍵詞 超磁致伸縮  微執行器  薄膜

    分類號  TP242

 

0引言

     微型機電系統技術是一個新興的技術領域,而微執行器又是復雜微機電系統的關鍵技術之一.常用的微執行器根據其驅動方式可分為壓電式靜電式、形狀記憶合金驅動等。壓電式和靜電式微執行器是目前應用較廣泛的微執行器,它們具有精度高、不發熱、響應速度較快等優點,但輸出力小、驅動電壓高等缺點也限制了它們的應用;而形狀記憶合金雖然是已知的功能材料中變形量最大的,但它的響應速度較慢,且變形不連續,因而也限制了其應用。

超磁致伸縮材料是一種新型高效的磁(電)—機械能轉換材料,具有應變大、能量密度高、機電藕荷系數大、響應速度、輸出力大等優點。從其誕生開始,便引起了工業界的重視,已廣泛地應用于減震、閥門控制、微定位、機械傳動機構、振動器、傳感器及聲納系統等方面。

近年來,在磁致伸縮應用領域又出現了一個新的研究熱點—超磁致伸縮薄膜的研究與應用。許多研究者采用濺射方法在非磁性基片上制備了稀土—過渡金屬非晶薄膜,并對薄膜的結構和磁致伸縮特性進行了研究,發現磁致伸縮薄膜具有良好的軟磁性能,磁晶各向異性值低,在室溫和低磁場下能產生很大的磁致伸縮應變。與通常的體磁致伸縮材料相比,超磁致伸縮薄膜的制造過程容易和傳統的半導體工藝聯系起來,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,這對于超磁致伸縮材料的實際應用具有重要意義.可以說,正是由于超磁致伸縮薄膜材料的種種優點,決定了其在微型執行器中有著不可估量的發展前景。目前,從事微型機電系統技術方面的研究人員已將目光紛紛投向這一新型的驅動方式。[14]

 

1.    薄膜型超磁致伸縮微執行器的原理

目前的薄膜型超磁致伸縮微執行器主要采用薄膜式和懸臂梁式。其基本的驅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行鍍膜,在基片上形成具有磁致伸縮特性的薄膜材料,當有外加磁場時,薄膜會產生變形,帶動基片進行偏轉和彎曲從而達到驅動目的。為了得到較大的變形,通常在基片的一側鍍上具有正磁致伸縮效應的薄膜材料(λ>0,而在基片的另一側鍍上具有負磁致伸縮效應的薄膜材料(λ<0)。圖1為日本東北大學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7.5μm的聚酰亞胺薄膜用氧氣進行反應性離子蝕刻而成,這種材料的彈性模量小,熱穩定性高。基片上面用射頻磁控濺射法鍍上1μm的Tb-Fe

 


1雙金屬片式磁致伸縮懸臂梁結構

                        

2雙金屬片式磁致伸縮懸臂梁驅動動作

 

薄膜 (λ>0),下面為相同厚度的Sm-Fe薄膜(λ<0)。該結構的動作原理如圖2所示。當在懸臂梁長度方向外加磁場時,產生正磁致伸縮的Tb-Fe薄膜便伸長,而產生負磁致伸縮的Sm-Fe薄膜會縮短,懸臂梁的未固定端便向下彎曲產生位移。當在橫向加磁場時,懸臂梁則向上彎曲產生位移。這是一種典型的超磁致伸縮薄膜驅動方式,可以看出它具有以下優點:1)將具有正磁致伸縮效應和負磁致伸縮效應的材料結合在一起可得到較大的變形;2)可實現由外部磁場進行非接觸式驅動;3)結構簡單,便于制造。[5~7]

 

2.薄膜型超磁致伸縮微執行器研究現狀

2.1在流體控制系統中的應用

     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的研究已成為微機械研究的熱點之一。而薄膜型超磁致伸縮微執行器的出現,又為微流體元件的驅動


提供了一個新的方法。圖3所示的是德國的E.Quandt等人設計的一種懸臂梁式磁致伸縮微閥門,圖3a)和(b)分別為閥門關閉和開啟時的示意圖,3(c)為閥的A向截面圖。

3懸臂梁式磁致伸縮微型閥

 

     當閥門關閉時,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腔體中同時存在但并不能外流。當有外加磁場時,磁致伸縮薄膜發生形變從而使基片產生彎曲,這時通道口與基片相分離,液體便從上腔經過出口流出,經研究表明,當外磁場強度為30mT時閥門產生最大開口量,驅動磁場較以往設計的執行器大大減小。懸臂梁上鍍層與非鍍層的尺寸結構對變形有很大影響,通常采用有限元計算的方法得出其尺寸比。

此外,據報道德國的材料研究所已將超磁致伸縮薄膜應用于微型泵的研究之中。這種泵當控制頻率在2KHz時最大流量為10μl/min,出口壓力可達1mbar[8]

 

2.2在線性超聲微馬達中的應用

超磁致伸縮薄膜材料的應變大,頻響快,滯后小且驅動場低,因此被應用于線性超聲微馬達中,其結構如圖4所示。


      4線性超聲微馬達

      超磁致伸縮薄膜線性超聲微馬達由(100)晶向硅基片和具有正磁致伸縮效應的TbFe薄膜制成。TbFe薄膜厚13μm。當偏磁場大小為30mT,外加一頻率約為750Hz,大小為15mT的激勵磁場時,這種線性馬達的步進速度可達3mm/s[9]

 

2.3在微型行走機械中的應用

 作為微驅動元件,應用于微小行走機械具有重大的意義,隨著微型化的發展,行走機械的能源供給問題現在還沒有有效的解決方法,并成為開發微小行走機械的難關。作為該能源供給問題的一個解決方法,便是利用非接觸式驅動的超磁致伸縮微驅動元件。它的工作原理是,利用外加磁場與行走機械共振,來大幅度的提高機構的行走速度。圖5所示為日本荒井賢一等人設計的微型行走機械的截面圖。


5微型行走機械截面圖

 

     他們在厚為7.5μm的聚酰亞胺基片上、下各鍍一層1μm的分別具有正負磁致伸縮效應的超磁致伸縮薄膜。基片兩端是傾斜的腿,用來支撐和行走。此微行走機械可向前或向后運動。當外加磁場為500Oe,激勵頻率為70Hz時,其向前行走的速度能達到65mm/s。該行走機械不僅可在管道中,而且還可在平面上、水中、天棚上行走。[10]

 

2.4 其它

韓國漢城科技研究所的薄膜技術研究中心、韓國大學的材料與工程系以及美國俄亥俄州的Cincinnati大學微電子傳感器和 MEMS中心聯合開發研制出用超磁致伸縮薄膜驅動的微執行器原型。取得了較滿意的結果。日本還有報道將超磁致伸縮薄膜用于表面聲波(SAW)設備。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換成輸出電信號,波速和信號的延遲能夠由外磁場控制產生變化。

從目前的薄膜型超磁致伸縮微執行器的研究來看,主要采用的是懸臂梁式和薄膜式,即將超磁致伸縮薄膜鍍在非磁性的Si、玻璃或聚酰亞胺基片上,利用外磁場變化使薄膜伸長或縮短從而帶動基片產生彎曲變形。德國的E.Quandt在原有研究的基礎上設計了一種新型的復合層,它的結構分為兩層:一層由非晶超磁致伸縮材料構成,另一層則由具有良好的軟磁特性和很強的磁極化率材料構成,層與層之間進行磁耦合。在這樣的復合層結構中,磁極化得到了增強,因而在低磁場下可產生大的磁致伸縮,這種復合層結構要比一般的薄膜更適用于低磁場的情況。

      此外,國外還有將超磁致伸縮薄膜用于振動原子力和隧道掃描探針等高新技術之中。[1114]

 

           3 結束語

以上簡要介紹了薄膜型超磁致伸縮執行器的開發和研究現狀。未來的執行器正朝著小型化、集成化方向發展,其驅動元件也越來越多的由三維體材料向二維的薄膜材料發展。薄膜型超磁致伸縮微執行器在低場室溫下的應變大,響應速度快,功率密度高并采用非接觸式驅動,這對微執行器的發展將起到有力的推動作用。

   

參考文獻

 

1           E.du Trémolet de Lacheisserie,K.Mackay,J.Betz,et al.From Bulk to Film Magnetostri-ctive Actuators.Journal of Alloys and Compounds, 1998;275~277:685~691

2           Quanmin Su,Taesung Kim,Yun Zheng,et al.Thin Film composite actuators.SPIE,1995;2441:179~184

3           Mitsuhiro Wada,Haru-Hisa Uchida,Yoshihito Matsumura,Hirohisa Uchida ,et al.Prepa-ration of films of (TB,Dy)Fe2 giant magnetostrictive alloy by ion beam sputtering  process and their characterization.Thin Solid Films, 1996;281~282(1~2):503~506

4           K.I.Arai,T.Honda,and M.Yamaguchi.Microactuators Using Magnetostrictive Thin Fil- ms.日本應用磁學會志,1994;18(5):386~391

5           Takashi HONDA,Nonmember,Ken Ichi ARAI,et al.Basic Properties of Magnetostrictive Actuators Using Tb-Fe and Sm-Fe Thin Films.IEICE  TRANS.ELECTRON.,1997;E80-C(2):232~237

6           T.Honda,Y.hayashi,M.Yamaguchi ,et al.Fabrication of Thin-Film Actuators Using Ma-gnetostriction. 日本應用磁學會志, 1994;18(2):477~480

7           T.Honda and K.I.Arai.Driving.Principles for Magnetic Thin-Film Cantilevers.日本應 用磁學會志, 1997;21(4-2):817~820

8           E.Quant,K.Seemann.Fabrication and Simulation of Magnetostrictive Thin-film Actuat-ors.Sensors and Actuators , 1995;A50(1~2):105~109

9           E.Quandt.Giant magnetostrictive thin film materials and applications. Journal of All-oys and Compounds, 1997;258:126~132

10       T.Honda and K.I.Arai.Basic Properties of a Walking Micro-Mechanism Using Mag- netostrictive Thin Films.日本應用磁學會志, 1996;20(2):537~540

11       S.H.Lim,S.H.Han,H.J.Kim,et al.Prototype microactuators Driven by Magnetostrictive Thin Films.IEEE Trans.Magn., 1998;34(4)2042~2044

12       H.Uchida,M.Wada,K.Koike,et al.Giant Magnetostrictive Materials:thin film formation and application to magnetic surface acoustic wave devices.Journal of Alloys and Compounds, 1994;211~212:576~580

13       E.Quandt,A.Ludwig,J.Mencik,et al.Giant magnetostrictive TB/Fe/Fe multilayers. Journ-al of Alloys and Compounds, 1997;258:133~137

14       Alejandro G.Schrott and Robert J.von Gutfeld.Magnetic Arrays and Their Resonant Frequencies for the Production of Binary Codes.IEEE Trans.Magn., 1998;34(5):3765~3771

 

 

Current Study on Giant Magnetostrictive Thin Film Microactuators

Jia ZhenyuanWu Dan , Yang Xing,Guo Dongming,Guo Lisha  

(School. of  Mechanical Engineering,Dalian University of Technology ,Dalian,116024)

     Abstract: Giant Magnetostictive thin film is a new type of actuating components with high property.Based on many references,the article introduces the actuating principle of Giant magnetostictive thin film,dicusses the late research results of giant magnetostrictive thin film microactuators.Emphasis on the apply to microfluid control system,linear ultrasonic micromotor and micro walking mechanism.Put forward the progress of giant magnetostictive thin film in microactuators.

   Key words:giant magnetostictive ; microactuator ; thin film

 

 


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