稀土超磁致伸缩功能薄膜材料的特性及应用研究进展
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稀土超磁致伸缩功能薄膜的特点
稀土超磁致伸缩功能薄膜材料除了具有基体材
料的所有特点以外 , 还具有: 型化
[ 1 4]
最大优势是器件微
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, 它能作为执行机构与其它微型传感元件、 ;
信息处理元件和控制元件组合, 实现集成化
用稀土超磁致伸缩功能薄膜制成的元器件的驱动是 无接触式的 , 靠外加磁场驱动; ! 稀土超磁致伸缩 功能薄膜比基体材料位移量大
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稀土超磁致伸缩功能薄膜的应用
稀土超磁致伸缩功能薄 膜材料的优点 决定了
其在微机电系统中有着不可估量的 前景。用这种 功能材料制成的微型驱动器主要有 2 个方 面的优 2006 年 第 9期 ∃ 61 ∃
%新技术新工艺& ∃ 材料与表面处理技术
点:
这种驱动器是由正的 稀土超磁致 伸缩功能 这种
有负磁致伸缩效应的 Sm Fe 。该微泵的流量可以通 过调整磁场的频率来调节 : 当超磁致伸缩功能薄膜 向上偏转时 , 泵的入口打开, 液体流入泵内 ; 当磁致 伸缩功能薄膜向下偏转时, 泵的出口打开 , 液体将以 一定的压力流出泵。当外加 磁场的频 率为 2 kH z 时 , 该微泵的输出流量可达 10 L / m m, 出口压力可 达 100 P a
等性能, 其优良的特性和广泛的应用前景在国际范围内得到普遍重视, 已经成为超磁致伸缩材料研究的重 点。 本文介绍了稀土超磁致伸缩功能薄膜的特点 , 重点阐述了超磁致伸缩功能薄膜材料在流体控制系统、 线性超声马达和微小行走机械等领域的研究成果及其应用, 并对稀土超磁致伸缩功能薄膜材料在国内的 发展前景进行了展望。 关键词: 稀土; 超磁致伸缩; 功能薄膜 ; 应用 中图分类号: T G14 文献标识码 : A 目前 , 随着器件集成化 程度越来越高 , 器件日 趋薄膜化、 微型化 , 各 种设备、 仪 器也 逐渐形 成整 体微型化的趋势。但在设备整体微 型化的过程中 遇到了驱动机构、 控制机构、 执 行机构等微型化的 困难。稀土超磁致伸缩功能薄膜材 料的出现为此 难题提供了一种解决方法。稀土超 磁致伸缩功能 膜材料是以稀 土超 磁致伸 缩材 料 ( 以 下简称 体材 料) 为靶材 而制备 的一种 功能薄 膜。典型的 稀土 超磁致伸缩功能薄膜材料 包括 ( T b, Dy ) F e 薄膜系 列和 Sm F e 薄膜。
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。利用超 磁致伸
缩功能薄膜材料的磁致伸缩效应可实现对阀门的阀 口进行控制。当外加磁场为零时 , 阀门的通道口与 镀有超磁致伸缩功能薄膜材料的基板紧紧相接 , 阀 门的阀口关闭, 阀门呈闭合状态 , 如图 1a 所示 ; 当有 外加磁场时, 磁致伸缩 功能产生伸缩 效应, 发 生变 形, 从而引起基板产生弯曲 , 阀口便打开了, 阀门呈 开启状态 , 如图 1b 所示。试验证明 , 当外加磁场为 30 mT 时 , 阀口的开度最大。
图3
稀土超磁致伸缩功能薄膜线性马达
3 3 在微型行走机械中的应用 功能薄膜型超磁 致伸缩驱动器作为微驱动元 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
图1 稀土超磁致伸缩功能薄膜微型阀
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功能薄膜型微驱动元件。 它的工作原理是利用外加磁场与行走机械共振来大 幅度的提高机构的步进速度。日本荒井贤一等人设 计了这种微型行走机械。他们在厚度为 7 5 m 的 聚酰亚胺基板( 长为 16 mm , 宽为 4 m m) 上面镀一 层 1 m 厚的具有正磁致伸缩效应的( T b, Dy) F e 功 能薄膜 , 而在聚酰亚胺基板的下面镀一层 1 2006 年 第 9期 m厚
%新技术新工艺& ∃ 材料与表面处理技术
的具有负磁致伸缩效应的 Sm Fe 功能薄膜。基板 两端当作是倾斜的腿 , 用来支撑和行走。这种微型 行走 机 械可 以 向 前或 向 后运 动。当 外加 磁 场 为 39 789 A/ m, 激励频率为 70 H z 时 , 其向前行走的 速度能达 65 mm / s。该行走机械不仅可在管道中行 走, 用来检测管道内部的情况 , 而且还可在平面上、 水中行走 3 4
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。当然 , 外部磁场的频率不能太高, 否
则将会由于泄漏导致输出压力的下降。
图2
稀土超磁致伸缩功能薄膜微型泵
3 2 在线性超声微马达中的应用 稀土超磁致伸缩功能薄膜材料的应变大 , 频率 相应快 , 磁滞后小, 因此 被应用于线性 超声微马达 中。用稀土超磁致伸缩功能薄膜制备的线性超声微 马达由 ( 100) 晶向硅晶片基板和具有正磁致伸缩效 应的 T b F e 功能薄 膜制成。 T b F e 功能薄 膜分别 镀在基板的两侧, 厚度约为 13 m, Si 基板的长度为 50 m, 宽度为 10 m 。当磁场大小为 30 mT 时 , 另 外加一频率为 750 H z, 激励磁场为 15 m T 时 , 这种 线性微马达的步进速度可达 3 m m/ s 。
材料与表面处理技术
Hale Waihona Puke 稀土超磁致伸缩功能薄膜材料的特性及应用研究进展
林 梅1 , 周白杨2 , 张 涛1 , 孙新岭1 , 龙 军1
( 1 后勤工程学院 军事供油 工程系 , 重庆 400016; 2 福州大学 材料学院 , 福建 福州 350004)
摘
要: 稀土超磁致伸缩功能薄膜是一种新型的功能材料 , 具有器件微型化、 位移量大、 非接触式驱动
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占世界 2/ 3, 稀土超磁致伸缩功能薄膜材料及其应 用研究有着广阔的市场和应用前景。因此 , 研究和 开发稀土超磁 致伸缩功能薄膜材料及 其应用元器 件 , 不仅能促进我国微机电系统的发展, 从而推动高 新技术的发展 , 获得巨大的经济效益和社会效益, 而且对深入研究稀土元素的性质, 推动我国稀土事 业的发展产生重大的影响。
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薄膜和负的 超磁致 伸缩功 能薄膜 组成 , 这样 将会 引起一个更大的偏转 , 产生更大的位移量 ; 动
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驱动 器 驱 动 时 不 需 要 电 缆 , 可 由 外 加 磁 场 驱 。这种 微型驱 动器 的工 作原 理是 以一 种弯 曲的转换器 为基础 , 转换 器由 没有磁 性的基 片和 超磁致伸缩薄膜组成 , 在磁场的驱动下 , 转换器产 生弯曲 , 这就与 弯曲双 金属 条类 似。 这种转 换器 的形状各 异, 主 要采用 的是 悬臂 梁式。用稀 土超 磁致伸缩功能 薄膜 材料制 成的 微型 驱动 器 ( 以下 简称功能薄膜 型超 磁致伸 缩驱 动器 ) 主要在 控制 系统、 线性 超声微 马达和 微小 行走机 械等领 域中 的应用得到了很大的发展。 3 1 在控制系统中的应用 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经成为微机械研究的 热点之一 , 而功能薄膜型超磁致伸缩微驱动器的出 现, 又为微流体元件的驱动提供了一个新方法。 E. Quandt 等人设计过一种悬臂梁式磁致伸缩微阀门 , 这种微阀门的原理如图 1 所示
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, 虽然稀土超磁致
伸缩功能膜材料的应变值比基体材料小 , 但利用稀 土超磁致伸缩功能薄膜韧性制成的可弯元件能将其 位移放大几十倍 , 例如 , 长度约为 10 m m 的稀土超 磁致伸缩功能薄膜器件 , 其位移量是同样长度体材 料器件的数倍; ∀ 稀土超磁致伸缩功能薄膜材料是 非晶态 , 因此具有磁各向异性小、 磁滞后小 [ 1 2] 、 涡流 小、 共振频率高等特点; # 用稀土超磁致伸缩功能 薄膜材料与其它微型传感元件、 信息处理元件和控 制元件组合成的微型系统能利用薄膜技术、 半导体 技术、 印刷电路技术进行流水线批量生产 , 因此制备 效率高, 生产成本较低。稀土超磁致伸缩功能薄膜 的卓越性能引起人们 的极度重视 , 国外于 20 世纪 90 年代在制动器、 振动器、 传感器等领域迅速开发 了近千种稀土超磁致伸缩功能薄膜应用器件 , 对尖 端技术、 军事、 工业制造等方面的发展起了重要的推 动作用。
德国的材料研究所已将稀土超磁致伸缩功能薄 膜材料应用于微泵的研究之中。利用超磁致伸缩功 能薄膜材料制成的这种微泵的结构如图 2 所示。微 型泵的驱动部分采用了圆盘状的超磁致伸缩功能薄 膜微型执行器。当垂直于圆盘表面施加一个变化的 磁场时, 圆盘状超磁致伸缩薄膜将上、 下偏转, 该执 行器所用的基板由 Si 材料制成, 基板的上层镀的是 具有正磁致伸缩效应的 ( T b, Dy ) F e, 下层镀的是具 ∃ 62 ∃
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稀土超磁致伸缩功能薄膜的制备
目前国际上用于制备稀土超磁致伸缩功能薄膜
的方法有离子束溅射 ( IBS) 、 离子镀 ( IP) 和真 空辉 闪蒸镀( F E) 3 种
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。F E 工艺制成的稀土超磁致伸
缩功能薄膜的成分几乎与原材料无偏移 , 但有污染 ; IBS 法具有两大特点: 一是基片与产生离子束的离 子源较远 , 以致使离子源的空间充气压高达 10 Pa, 而成膜空间的真空度为 10- 4 Pa 以下 , 从而 能保证 膜的纯度 ; 二是离子束电流、 离子束能量到达基片或 靶材的入射角度能独立控制和测量 , 容易控制薄膜 的物理结构和特性。因此 IBS 法生成的稀土超磁致 伸缩功能薄膜的质量最好 , 虽然其成分会发生偏移 , 但这个偏移与基片的位置有关 , 通过控制基片的位 置可得到所需成分的膜 ; IP 法沉积速度最高 , 但是 会引起膜与靶材之间明显的成分偏离, 并且这种偏 离没有控制。由于成分是稀土超磁致伸缩功能薄膜 的关键因素, 又考虑到环保问题, 因此在制备该功能 薄膜时一般采用 IBS 法。
。
其它方面 韩国汉城科技研究所的薄膜技术研究中心、 韩
[ 参考文献]
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