超磁致伸缩薄膜的应用探究

超磁致伸缩薄膜（Giant Magnetostrictive thin Film，GMF）是指用非磁性基片（通常为硅、玻璃、铜、聚酰亚胺等）和体磁致伸缩靶材，采用闪蒸、离子束溅射、电离镀膜、直流溅射、射频磁控溅射等物理气相沉积方法进行镀膜，使其在基片上形成具有磁致伸缩特性的薄膜材料。施加外磁场时，磁致伸缩薄膜产生变形，从而使基片产生弯曲或偏转，最终达到驱动的目的［41］。

按照超磁致伸缩薄膜的层数，可将GMF分为单层超磁致伸缩薄膜、双层超磁致伸缩薄膜和多层超磁致伸缩薄膜。其中，双层和多层超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩应变、能量密度、响应速度等性能优于单层超磁致伸缩薄膜，近年来成为超磁致伸缩薄膜领域研究的热点，并在微位移致动器应用中表现出了良好的应用前景。

具有优异性能的超磁致伸缩薄膜材料及其微致动器在提高微机械和微系统产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用。基于GMF的微位移致动器具有以下优点：由外部磁场驱动，可实现非接触驱动和远程控制；具有良好的软磁性能，可靠性高、驱动力大、响应快、灵敏度高；体积小、性能稳定，易于实现微型化和集成化。目前，主要应用在微型泵、微型阀、微行走装置和光纤开关等方面。

1．微型泵

超磁致伸缩薄膜微型泵是将超磁致伸缩薄膜的弯曲形变作为动力源，并与进出口的单向阀相互配合，产生液体的流动。图1－10所示为德国Quant等人［42］设计的超磁致伸缩薄膜微型泵的结构简图，该微型泵以双层超磁致伸缩薄膜为驱动源，上层为具有磁致伸缩正效应的TbDyFe合金薄膜，下层为具有磁致伸缩负效应的SmFe合金薄膜，上下层薄膜的磁致伸缩效应相反。外加磁场增大时，上层TbDyFe合金薄膜伸长，下层SmFe合金薄膜收缩，基片向下弯曲，泵腔体积被压缩；外加磁场减小时，上层TbDyFe合金薄膜收缩，下层SmFe合金薄膜伸长，基片向上弯曲，泵腔体积增大。通过施加交变磁场，将流体泵入和泵出。当驱动频率为2 kHz时，微型泵的流量能达到10 μL／m in，输出压力为100 Pa。提高驱动频率可增大流量，但微型泵的密封比较困难，过高的频率可能会导致泄漏。

图1-10　超磁致伸缩薄膜微型泵的结构简图

2．微型阀

超磁致伸缩薄膜微型阀是通过GMF的弯曲变形实现阀门的开启和关闭，其结构简图如图1－11所示。外磁场为零时，GMF不产生形变，阀门关闭；当施加外磁场时，GMF产生形变，基片产生弯曲变形，阀门开启，液体由出口流出［43］。通过控制外磁场磁场强度的大小，可以精确控制微型阀的流量。这种类型的微型阀具有结构简单、工作可靠、流量可控和外形尺寸小的优点，是微型流体控制系统的理想控制器件。

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图1-11　超磁致伸缩薄膜微型阀的结构简图

3．微行走装置

利用GMF的弯曲形变还可以实现微型机械装置的行走式运动，日本Honda等利用双层超磁致伸缩复合薄膜设计了一个微行走机械，其基本结构如图1－12所示。基片为7.5 μm厚的聚酰亚胺，上、下各镀一层具有正、负磁致伸缩效应的1 μm GMF，基片两端与地面成60°夹角，可实现前、后两个方向上的运动。当激励频率为70 Hz时，最大行走速度能达到65 mm／s，该微型行走装置可在管道、平面、水中、天棚上行走［44］。

图1-12　超磁致伸缩薄膜微行走装置的基本结构

4．光纤开关

GMF功能材料具有稳定性高、反应灵敏和驱动简单等优点，可以应用在光学微器件的开发设计中。Moon以超磁致伸缩RFe薄膜为驱动材料，研究了非晶TbFe和SmFe基薄膜，并制作了一个悬臂梁型光纤开关，可以实现一维光路的切换［45］。Bourouina等人研究了超磁致伸缩双晶片微谐振器，由涂有溅射沉积TbDyCoFe合金薄膜的硅悬臂梁组成，能够在只有一个激励场的情况下，同时产生弯曲和扭转振动，利用这种特性研制了二维光学扫描仪，该装置工作频率为10～61 kHz，能够产生±12°的光学偏转角［46］。

5．传感器

利用GMF的磁致伸缩逆效应可开发体积小、灵敏度高、非接触式新型传感器。Toriia等采用超磁致伸缩薄膜研制了一种新型的微型力传感器［47］，该微型传感器结构轻小、设计新颖，当GMF受力时，GMF的磁致伸缩逆效应使其磁导率发生变化，进而使得铜线圈的电感发生改变，线圈电感的变化又引起了线圈响应频率的变化，最后体现为电信号的变化。采用GMF的微型力传感器具有很高的灵敏度，加之外形轻小，是微系统的理想力传感器。国防科技大学张学亮等采用TbDyFe超磁致伸缩薄膜制作了一种光纤磁传感器，结果表明，较大直流偏置磁场可使系统响应灵敏度提高约20倍［48］。国防科技大学吕凤军研制了单层膜和多层膜相结合的光纤磁传感器，干涉仪信号响应灵敏度可达4.15×10－6 rad／（A／m）［49］。