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，在查閱大量文獻的基礎(chǔ)上，介紹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)和最新研究成果，重點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)中的應用，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(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)行器又是復雜微機電系統(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)行器是目前應用較廣泛的微執(zhí)行器，它們具有精度高、不發(fā)熱、響應速度較快等優(yōu)點，但輸出力小、驅(qū)動電壓高等缺點也限制了它們的應用；而外形記憶合金雖然是已知的功能材料中變形量最大的，但它的響應速度較慢，且變形不連續(xù)，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—機械能轉(zhuǎn)換材料，具有應變大、能量密度高、機電藕荷系數(shù)大、響應速度、輸出力大等優(yōu)點。從其誕生開始，便引起了工業(yè)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(gòu)、振動器、傳感器及聲納系統(tǒng)等方面。

近年來，在磁致伸縮應用領(lǐng)域又出現(xiàn)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(jié)構(gòu)和磁致伸縮特性進行了研究，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，在室暖和低磁場下能產(chǎn)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輕易和傳統(tǒng)的半導體工藝聯(lián)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(yōu)點，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(chǎn)生變形，帶動基片進行偏轉(zhuǎn)和彎曲從而達到驅(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的薄膜材料，而在基片的另一側(cè)鍍上具有負磁致伸縮效應的薄膜材料。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(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)動動作

薄膜，下面為相同厚度的sm-fe薄膜。該結(jié)構(gòu)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(chǎn)生正磁致伸縮的tb-fe薄膜便伸長，而產(chǎn)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(chǎn)生位移。當在橫向加磁場時，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：１）將具有正磁致伸縮效應和負磁致伸縮效應的材料結(jié)合在一起可得到較大的變形；２）可實現(xiàn)由外部磁場進行非接觸式驅(qū)動；３）結(jié)構(gòu)簡單，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(zhí)行器的出現(xiàn)，又為微流體元件的驅(qū)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3和分別為閥門關(guān)閉和開啟時的示意圖，圖3為閥的a向截面圖。

圖3懸臂梁式磁致伸縮微型閥

當閥門關(guān)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(fā)生形變從而使基片產(chǎn)生彎曲，這時通道口與基片相分離，液體便從上腔經(jīng)過出口流出，經(jīng)研究表明，當外磁場強度為３０mt時閥門產(chǎn)生最大開口量，驅(qū)動磁場較以往設計的執(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)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。

2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(qū)動場低，因此被應用于線性超聲微馬達中，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4線性超聲微馬達

超磁致伸縮薄膜線性超聲微馬達由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。

3在微型行走機械中的應用

作為微驅(qū)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(fā)展，行走機械的能源供給問題現(xiàn)在還沒有有效的解決方法，并成為開發(fā)微小行走機械的難關(guān)。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(qū)動的超磁致伸縮微驅(qū)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(gòu)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。

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。

4其它