薄膜型超磁致伸缩微执行器的研究现状

薄膜型超磁致伸缩微执行器的研究现状注意：本文已在《压电与声光》(2000,22(3):157～159,167)杂志发表，使用者请注明文章出处贾振元武丹杨兴郭东明郭丽莎(大连理工大学机械工程学院116024)摘要超磁致伸缩薄膜是一种性能优良的新型微驱动元件，在查阅大量文献的基础上，介绍了超磁致伸缩薄膜驱动的原理，综述了薄膜型超磁致伸缩微执行器的开发和最新研究成果，重点介绍了薄膜型超磁致伸缩微执行器在微流体控制系统中的应用，在线性超声微马达中的应用和在微小型行走机械中的应用，并对超磁致伸缩薄膜在微执行器中的发展提出了展望。关键词超磁致伸缩微执行器薄膜分类号TP2420引言微型机电系统技术是一个新兴的技术领域,而微执行器又是复杂微机电系统的关键技术之一.常用的微执行器根据其驱动方式可分为压电式、静电式、形状记忆合金驱动等。压电式和静电式微执行器是目前应用较广泛的微执行器，它们具有精度高、不发热、响应速度较快等优点，但输出力小、驱动电压高等缺点也限制了它们的应用；而形状记忆合金虽然是已知的功能材料中变形量最大的，但它的响应速度较慢，且变形不连续，因而也限制了其应用。超磁致伸缩材料是一种新型高效的磁（电）—机械能转换材料，具有应变大、能量密度高、机电藕荷系数大、响应速度、输出力大等优点。从其诞生开始，便引起了工业界的重视，已广泛地应用于减震、阀门控制、微定位、机械传动机构、振动器、传感器及声纳系统等方面。近年来，在磁致伸缩应用领域又出现了一个新的研究热点—超磁致伸缩薄膜的研究与应用。许多研究者采用溅射方法在非磁性基片上制备了稀土—过渡金属非晶薄膜，并对薄膜的结构和磁致伸缩特性进行了研究，发现磁致伸缩薄膜具有良好的软磁性能，磁晶各向异性值低，在室温和低磁场下能产生很大的磁致伸缩应变。与通常的体磁致伸缩材料相比，超磁致伸缩薄膜的制造过程容易和传统的半导体工艺联系起来,因而成本较低,并且由于薄膜中的二维磁弹性相互作用使超磁致伸缩材料又具有一些新的功能,这对于超磁致伸缩材料的实际应用具有重要意义.可以说，正是由于超磁致伸缩薄膜材料的种种优点，决定了其在微型执行器中有着不可估量的发展前景。目前，从事微型机电系统技术方面的研究人员已将目光纷纷投向这一新型的驱动方式。[1～4]１．薄膜型超磁致伸缩微执行器的原理目前的薄膜型超磁致伸缩微执行器主要采用薄膜式和悬臂梁式。其基本的驱动原理是利用非磁性基片（通常为硅、玻璃、聚酰亚胺等），采用闪蒸、离子束溅射、电离镀膜、直流溅射、射频磁控溅射等方法进行镀膜，在基片上形成具有磁致伸缩特性的薄膜材料，当有外加磁场时，薄膜会产生变形，带动基片进行偏转和弯曲从而达到驱动目的。为了得到较大的变形，通常在基片的一侧镀上具有正磁致伸缩效应的薄膜材料（λ0）,而在基片的另一侧镀上具有负磁致伸缩效应的薄膜材料(λ0)。图１为日本东北大学电气通信研究所的荒井贤一教授和本田等人研制的双金属片式磁致伸缩悬臂梁。基片厚为３μm,由商用的厚为7.5μm的聚酰亚胺薄膜用氧气进行反应性离子蚀刻而成，这种材料的弹性模量小，热稳定性高。基片上面用射频磁控溅射法镀上1μm的Tb-Fe图1双金属片式磁致伸缩悬臂梁结构图2双金属片式磁致伸缩悬臂梁驱动动作薄膜(λ0)，下面为相同厚度的Sm-Fe薄膜(λ0)。该结构的动作原理如图２所示。当在悬臂梁长度方向外加磁场时，产生正磁致伸缩的Tb-Fe薄膜便伸长，而产生负磁致伸缩的Sm-Fe薄膜会缩短，悬臂梁的未固定端便向下弯曲产生位移。当在横向加磁场时，悬臂梁则向上弯曲产生位移。这是一种典型的超磁致伸缩薄膜驱动方式，可以看出它具有以下优点：１）将具有正磁致伸缩效应和负磁致伸缩效应的材料结合在一起可得到较大的变形；２）可实现由外部磁场进行非接触式驱动；３）结构简单，便于制造。[5～7]2.薄膜型超磁致伸缩微执行器研究现状2.1在流体控制系统中的应用目前，对包括微管道、微阀、微流量计、微泵等元件的微流量控制系统的研究已成为微机械研究的热点之一。而薄膜型超磁致伸缩微执行器的出现，又为微流体元件的驱动提供了一个新的方法。图３所示的是德国的E.Quandt等人设计的一种悬臂梁式磁致伸缩微阀门，图3（a）和（b）分别为阀门关闭和开启时的示意图,图3(c)为阀的A向截面图。图3悬臂梁式磁致伸缩微型阀当阀门关闭时，通道口与镀有磁致伸缩薄膜的基片紧紧相接，液体在连通的上下两个腔体中同时存在但并不能外流。当有外加磁场时，磁致伸缩薄膜发生形变从而使基片产生弯曲，这时通道口与基片相分离，液体便从上腔经过出口流出，经研究表明，当外磁场强度为３０mT时阀门产生最大开口量，驱动磁场较以往设计的执行器大大减小。悬臂梁上镀层与非镀层的尺寸结构对变形有很大影响，通常采用有限元计算的方法得出其尺寸比。此外，据报道德国的材料研究所已将超磁致伸缩薄膜应用于微型泵的研究之中。这种泵当控制频率在２KHz时最大流量为１０μl/min,出口压力可达1mbar。[8]2.2在线性超声微马达中的应用超磁致伸缩薄膜材料的应变大，频响快，滞后小且驱动场低，因此被应用于线性超声微马达中，其结构如图4所示。图4线性超声微马达超磁致伸缩薄膜线性超声微马达由（１００）晶向硅基片和具有正磁致伸缩效应的TbFe薄膜制成。TbFe薄膜厚１３μm。当偏磁场大小为３０mT，外加一频率约为７５０Hz，大小为１５mT的激励磁场时，这种线性马达的步进速度可达３mm/s。[9]2.3在微型行走机械中的应用作为微驱动元件，应用于微小行走机械具有重大的意义，随着微型化的发展，行走机械的能源供给问题现在还没有有效的解决方法，并成为开发微小行走机械的难关。作为该能源供给问题的一个解决方法，便是利用非接触式驱动的超磁致伸缩微驱动元件。它的工作原理是，利用外加磁场与行走机械共振，来大幅度的提高机构的行走速度。图5所示为日本荒井贤一等人设计的微型行走机械的截面图。图5微型行走机械截面图他们在厚为７．５μm的聚酰亚胺基片上、下各镀一层１μm的分别具有正负磁致伸缩效应的超磁致伸缩薄膜。基片两端是倾斜的腿，用来支撑和行走。此微行走机械可向前或向后运动。当外加磁场为５００Oe，激励频率为70Hz时，其向前行走的速度能达到６５mm/s。该行走机械不仅可在管道中，而且还可在平面上、水中、天棚上行走。[10]2.4其它韩国汉城科技研究所的薄膜技术研究中心、韩国大学的材料与工程系以及美国俄亥俄州的Cincinnati大学微电子传感器和MEMS中心联合开发研制出用超磁致伸缩薄膜驱动的微执行器原型。取得了较满意的结果。日本还有报道将超磁致伸缩薄膜用于表面声波（SAW）设备。在用压电材料做成的基片上镀上一层超磁致伸缩薄膜材料，表面声波在基片上传播并转换成输出电信号，波速和信号的延迟能够由外磁场控制产生变化。从目前的薄膜型超磁致伸缩微执行器的研究来看，主要采用的是悬臂梁式和薄膜式，即将超磁致伸缩薄膜镀在非磁性的Si、玻璃或聚酰亚胺基片上，利用外磁场变化使薄膜伸长或缩短从而带动基片产生弯曲变形。德国的E.Quandt在原有研究的基础上设计了一种新型的复合层,它的结构分为两层:一层由非晶超磁致伸缩材料构成,另一层则由具有良好的软磁特性和很强的磁极化率材料构成,层与层之间进行磁耦合。在这样的复合层结构中,磁极化得到了增强,因而在低磁场下可产生大的磁致伸缩,这种复合层结构要比一般的薄膜更适用于低磁场的情况。此外,国外还有将超磁致伸缩薄膜用于振动原子力和隧道扫描探针等高新技术之中。[11～14]3结束语以上简要介绍了薄膜型超磁致伸缩执行器的开发和研究现状。未来的执行器正朝着小型化、集成化方向发展，其驱动元件也越来越多的由三维体材料向二维的薄膜材料发展。薄膜型超磁致伸缩微执行器在低场室温下的应变大，响应速度快，功率密度高并采用非接触式驱动，这对微执行器的发展将起到有力的推动作用。参考文献1E.duTrémoletdeLacheisserie,K.Mackay,J.Betz,etal.FromBulktoFilmMagnetostri-ctiveActuators.JournalofAlloysandCompounds,1998;275~277:685~6912QuanminSu,TaesungKim,YunZheng,etal.ThinFilmcompositeactuators.SPIE,1995;2441:179~1843MitsuhiroWada,Haru-HisaUchida,YoshihitoMatsumura,HirohisaUchida,etal.Prepa-rationoffilmsof(TB,Dy)Fe2giantmagnetostrictivealloybyionbeamsputteringprocessandtheircharacterization.ThinSolidFilms,1996;281~282(1~2):503~5064K.I.Arai,T.Honda,andM.Yamaguchi.MicroactuatorsUsingMagnetostrictiveThinFil-ms.日本应用磁学会志,1994;18(5):386~3915TakashiHONDA,Nonmember,KenIchiARAI,etal.BasicPropertiesofMagnetostrictiveActuatorsUsingTb-FeandSm-FeThinFilms.IEICETRANS.ELECTRON.,1997;E80-C(2):232~2376T.Honda,Y.hayashi,M.Yamaguchi,etal.FabricationofThin-FilmActuatorsUsingMa-gnetostriction.日本应用磁学会志,1994;18(2):477~4807T.HondaandK.I.Arai.Driving.PrinciplesforMagneticThin-FilmCantilevers.日本应用磁学会志,1997;21(4-2):817~8208E.Quant,K.Seemann.FabricationandSimulationofMagnetostrictiveThin-filmActuat-ors.SensorsandActuators,1995;A50(1~2):105~1099E.Quandt.Giantmagnetostrictivethinfilmmaterialsandapplications.JournalofAll-oysandCompounds,1997;258:126~13210T.HondaandK.I.Arai.BasicPropertiesofaWalkingMicro-MechanismUsingMag-netostrictiveThinFilms.日本应用磁学会志,1996;20(2):537~54011S.H.Lim,S.H.Han,H.J.Kim,etal.PrototypemicroactuatorsDrivenbyMagnetostrictiveThinFilms.IEEETrans.Magn.,1998;34(4)2042~204412H.Uchida,M.Wada,K.Koike,etal.GiantMagnetostrictiveMaterials:thinfilmformationandapplicationtomagneticsurfaceacousticwavedevices.JournalofAlloysandCompounds,1994;211~212:576~58013E.Quandt,A.Ludwig,J.Mencik,etal.GiantmagnetostrictiveTB/Fe/Femultilayers.Journ-alofAlloysandCompounds,1997;258:133~13714AlejandroG.SchrottandRobertJ.vonGutfeld.MagneticArraysandThe