關(guān)于新型功能材料精密微驅(qū)動(dòng)器的研究綜述

解 甜，王傳禮，喻曹豐

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

驅(qū)動(dòng)器(Actuator)通常又稱為執(zhí)行器、制動(dòng)器、作動(dòng)器、促動(dòng)器、激勵(lì)器、調(diào)節(jié)器等，是驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、拖動(dòng)、操縱等裝置、機(jī)構(gòu)或元器件的總稱[1]。按照驅(qū)動(dòng)器的工作機(jī)理可以將其分為結(jié)構(gòu)(構(gòu)造)型驅(qū)動(dòng)器和物性型驅(qū)動(dòng)器。結(jié)構(gòu)型驅(qū)動(dòng)器即傳統(tǒng)通用驅(qū)動(dòng)器，通過物體的結(jié)構(gòu)要素實(shí)現(xiàn)對(duì)目的物的驅(qū)動(dòng)和操作，按照動(dòng)力源形式進(jìn)行分類，包括電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器(電動(dòng)單元組合儀表中的執(zhí)行單元或執(zhí)行結(jié)構(gòu))、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器(又稱氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以壓縮空氣為動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))、液動(dòng)驅(qū)動(dòng)器(油缸、油馬達(dá)的總稱)等。物性型驅(qū)動(dòng)器主要是利用物體的物性效應(yīng)(物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等)實(shí)現(xiàn)對(duì)目的物的驅(qū)動(dòng)與操作，包括利用壓電效應(yīng)的壓電驅(qū)動(dòng)器、利用靜電效應(yīng)的靜電驅(qū)動(dòng)器、利用電致與磁致伸縮效應(yīng)的電與磁驅(qū)動(dòng)器、利用光學(xué)效應(yīng)的光化學(xué)驅(qū)動(dòng)器、利用金屬的形狀記憶效應(yīng)的仿生驅(qū)動(dòng)器等等。

精密微位移驅(qū)動(dòng)器是指行程小(一般小于毫米級(jí))、精度高和靈敏度高的機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)精度達(dá)到亞微米、納米級(jí)是精密加工、精密定位以及精密測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備[2]。精密微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括精密微位移驅(qū)動(dòng)器、傳感及檢測(cè)和控制系統(tǒng)等，其中精密微位移驅(qū)動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給功能的核心器件，一直是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?？蒲腥藛T將新型功能材料引入為精密位移驅(qū)動(dòng)器，開發(fā)了一系列功能性材料驅(qū)動(dòng)的微位移驅(qū)動(dòng)器[3-4]。

功能材料驅(qū)動(dòng)的微位移驅(qū)動(dòng)器，從能量轉(zhuǎn)換形式分類，有機(jī)電驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、壓電/電致伸縮驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)、流變體驅(qū)動(dòng)等。基于電熱式、磁致伸縮、電磁、壓電陶瓷、靜電或形狀記憶合金的微型驅(qū)動(dòng)器在近幾年是研究的熱點(diǎn)[5]。其主要研究?jī)?nèi)容、性能特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域如圖1所示，下面對(duì)它們做簡(jiǎn)單介紹。

圖1 基于功能材料的新型驅(qū)動(dòng)器及應(yīng)用

1 靜電驅(qū)動(dòng)

靜電驅(qū)動(dòng)是利用電荷間吸引力和排斥力的互相作用來驅(qū)動(dòng)電極而產(chǎn)生的平移或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用靜電作為驅(qū)動(dòng)的微驅(qū)動(dòng)器在微位移驅(qū)動(dòng)中有著廣泛的應(yīng)用。靜電驅(qū)動(dòng)又分為靜電回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和靜電直線驅(qū)動(dòng)。

原理：靜電驅(qū)動(dòng)可看作電容器極板間的庫(kù)侖力，使得其中一個(gè)極板相對(duì)另一個(gè)極板產(chǎn)生一定的回轉(zhuǎn)或移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力的大小、方向可通過改變偏置電壓的大小和方向來實(shí)現(xiàn)。按電極結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分類，靜電微驅(qū)動(dòng)器分為兩種：平行板電容方式、梳齒型電容方式，在掃描微鏡方向靜電梳狀微驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的比較多。其典型結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 靜電微驅(qū)動(dòng)方式

對(duì)于平行板電容靜電驅(qū)動(dòng)力簡(jiǎn)化為

(1)

式中，ε0為介電常數(shù)，S為極板正對(duì)面積，V0為偏置電壓，x為極板間距離。由公式(1)可知：靜電力和距離的平方成反比，因此驅(qū)動(dòng)行程不會(huì)太大，適用于微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

T.C.H.Nguyen[6]，W.C.Tang等人于1989年利用靜電原理研制了典型的靜電梳狀微驅(qū)動(dòng)器；P.Basset,A.Kaiser[7]等人也于2002年利用這個(gè)原理成功地設(shè)計(jì)出直線驅(qū)動(dòng)的微型閥。目前，靜電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)大致分為四類[8]：線性梳齒機(jī)，立式梳齒機(jī)，旋轉(zhuǎn)式梳齒機(jī)，以及平面靜電執(zhí)行器，結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，圖中箭頭表示運(yùn)動(dòng)方向。

靜電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用的也比較多。由于其多功能性、簡(jiǎn)單性以及與IC制造技術(shù)的高兼容性，目前已成為應(yīng)用最廣泛的驅(qū)動(dòng)器。典型微器件應(yīng)用的熱點(diǎn)有數(shù)字光處理器中的數(shù)字微鏡[9](DMD)，光通訊中的靜電驅(qū)動(dòng)MEMS微開關(guān)[10-11]，微慣性傳感器-微陀螺[12](microgyro)，利用材料機(jī)械特性制作的微諧振器[13-14](resonator)，靜電微馬達(dá)[15-16]，靜電力顯微鏡[17-18]，此外微動(dòng)平臺(tái)、微泵、微閥、微鉗[19]等也采用靜電力作為驅(qū)動(dòng)源。

圖3 靜電驅(qū)動(dòng)器

靜電驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)[20]總結(jié)如下：

優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，僅需對(duì)兩個(gè)導(dǎo)電表面施加電壓，不需要特殊的加工材料，易于微電子工藝集成。②功耗低，靜電驅(qū)動(dòng)依靠的是兩平板之間的電壓差，與電流無(wú)關(guān)，因此在低頻時(shí)有很高的能效。③具有快速響應(yīng)能力，靜電驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換速度由充放電時(shí)間常數(shù)確定，制作靜電微驅(qū)動(dòng)器所用材料的時(shí)間常數(shù)較小。

缺點(diǎn)：①靜電驅(qū)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生吸合效應(yīng)，主要因?yàn)殪o電力相對(duì)電壓是非線性關(guān)系，會(huì)出現(xiàn)吸合現(xiàn)象，導(dǎo)致工作失效，經(jīng)常出現(xiàn)還會(huì)有損使用壽命。②驅(qū)動(dòng)電壓高，高電壓會(huì)導(dǎo)致器件中電流擊穿，這對(duì)器件的穩(wěn)定性十分不利。③工作環(huán)境要求高，粉塵等對(duì)驅(qū)動(dòng)器有較大影響。

2 形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)

形狀記憶合金(SMA)[21-22]是一種集傳感、驅(qū)動(dòng)于一體的新型功能材料，其主要特征是具有形狀記憶效應(yīng)，能感知溫度或位移的變化，可將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。通過控制加熱或冷卻可使SMA材料具有感知、執(zhí)行、判斷和自適應(yīng)的能力。盡管形狀記憶合金的種類不少[23]，但至今實(shí)用化的也只有TiNi系合金(如TiNi,TiNiCu,TiNiFe等)和Cu基合金(如CuA1Ni, CuZnAl等)。

在驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)研究方面，最常用的形狀記憶合金分別是：溫控形狀記憶合金(Thermal Shape Memory Alloy，TSMA) 和磁控形狀記憶合金(Magnetically Controlled Shape Memory Alloy，MSMA)[24-26]。

原理：溫控形狀記憶效應(yīng)是由于合金中發(fā)生了熱彈性或應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變。在許多形狀記憶合金系中存在兩種不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，高溫時(shí)稱之為奧氏體相，是一種體心立方晶體結(jié)構(gòu)的CsCl相(又稱B2)；而低溫時(shí)稱之為馬氏體相(M)，是一種低對(duì)稱性的單斜晶體結(jié)構(gòu)。合金成分的改變可以使馬氏體形成和消失的溫度在173～373K范圍內(nèi)變化。對(duì)于Ti-Ni系來說，B2到馬氏體相之間還存在一個(gè)很重要的R相，它具有菱形晶體結(jié)構(gòu)[27]。如圖4所示。

圖4 形狀記憶效應(yīng)的微觀機(jī)理

形狀記憶效應(yīng)是由于發(fā)生馬氏體相變和逆馬氏體相變所致。處于低溫馬氏體狀態(tài)的 SMA，在外力作用下發(fā)生變形，如果對(duì)其加熱，當(dāng)加熱溫度超過馬氏體逆相變起始溫度時(shí)，材料內(nèi)部隨即發(fā)生馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。此時(shí)若材料處于自由狀態(tài)則其變形消失，并恢復(fù)原始狀態(tài)；如果處于約束狀態(tài)，在材料內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力。

2.1 溫控形狀記憶合金(TSMA)驅(qū)動(dòng)

溫控形狀記憶合金(TSMA)是通過溫度的變化誘發(fā)馬氏體相和母相之間的可逆相變實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能的，它具有較大的可逆恢復(fù)應(yīng)變和大的恢復(fù)力。利用形狀記憶合金和普通彈簧構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器如圖5所示。

圖5 形狀記憶合金和普通彈簧構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器

TSMAA按照結(jié)構(gòu)的不同可以分為3類：偏動(dòng)式、差動(dòng)式和內(nèi)嵌式，內(nèi)嵌式是突破傳統(tǒng)偏/差動(dòng)模式提出的一種新結(jié)構(gòu)，集成了致動(dòng)和偏動(dòng)元件，從根本上簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。在具有微型化、精密定位與柔性傳動(dòng)綜合要求的醫(yī)用假肢、小負(fù)載工業(yè)機(jī)器人、家用機(jī)器人及步行機(jī)器人中都有潛在廣泛的用途與誘人的技術(shù)發(fā)展前景?，F(xiàn)階段，對(duì)TSMAA及抓持器的研究主要集中在提高定位精度、加快響應(yīng)速度以及豐富功能等方面[28]。

2.2 磁控形狀記憶合金(MSMA)驅(qū)動(dòng)

磁控形狀記憶合金(MSMA)是通過外加應(yīng)力場(chǎng)和磁場(chǎng)誘發(fā)馬氏體相變而產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。MSMA驅(qū)動(dòng)器是通過改變溫度或去掉磁場(chǎng)的方式經(jīng)逆相變恢復(fù)到原來的奧氏體相，同時(shí)產(chǎn)生較大的回復(fù)力，從而對(duì)外做功的自動(dòng)化裝置[29-30]。

一種典型的磁控形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的工作原理如圖6所示[31]。圖中磁場(chǎng)由電磁鐵產(chǎn)生，通過調(diào)節(jié)電磁鐵勵(lì)磁繞組的電流控制磁場(chǎng)大小與方向。當(dāng)勵(lì)磁繞組里有電流通過時(shí)，電磁鐵產(chǎn)生垂直于 MSMA元件的磁場(chǎng)，則MSMA元件在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生伸長(zhǎng)變形。磁場(chǎng)去掉以后，MSMA元件保持變形后的形狀不變，此時(shí)加在MSMA元件上的彈簧壓力使其恢復(fù)變形，并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能[32-33]。

圖6 磁控形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的工作原理

MSMAA與TSMAA相比,同樣具有輸出位移大,有較高的輸出力-重量比,運(yùn)行柔順度高等特點(diǎn)。由于驅(qū)動(dòng)方式的不同, MSMAA的響應(yīng)速度比TSMAA響應(yīng)速度快得多,但體積也相對(duì)大了很多,在微小型機(jī)械裝置中的應(yīng)用受到一定限制。MSMA工作溫度范圍太窄，特性還不夠理想，需要進(jìn)行深入的研究和探討。

基于SMA記憶機(jī)制的驅(qū)動(dòng)器研究，自八十年代中、后期開始，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家如美、日、加等，相繼開展了相關(guān)研究，主要著眼于主從機(jī)構(gòu)手、機(jī)器人關(guān)節(jié)、手爪的驅(qū)動(dòng)以及人體內(nèi)疏浚、起搏器的致動(dòng)等傳統(tǒng)電磁式驅(qū)動(dòng)器不能很好勝任或根本無(wú)力企及的應(yīng)用領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)也有較多的學(xué)者開展對(duì)SMA驅(qū)動(dòng)器的研究，見諸于論文的有上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華南理工大學(xué)、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等。

SMA驅(qū)動(dòng)器的反應(yīng)速度主要與加熱和冷卻過程有關(guān)。形狀記憶合金應(yīng)用于微操作系統(tǒng)、微機(jī)器人特別是管道徹機(jī)器人中，在醫(yī)用領(lǐng)域如微創(chuàng)介入手術(shù)中得到了廣泛深入的研究。

SMA驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)總結(jié)如下：

優(yōu)點(diǎn)：①輸出力大和形變量大：分別是壓電材料的十倍左右。②結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單：在相變過程中使驅(qū)動(dòng)器直接輸出位移和力，無(wú)需減速器。③具有傳感功能：利用形狀記憶合金電阻參數(shù)會(huì)改變的特性，可以直接檢測(cè)到溫度，在沒有外感傳感器時(shí)驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)反饋控制。④無(wú)噪音，無(wú)污染。

缺點(diǎn)：①響應(yīng)速度比較慢，而且形變是階躍型變化。②SMA 驅(qū)動(dòng)器一般采用電流加熱，在環(huán)境自然冷卻，若要快速加熱，需要大電流，需要加大SMA材料直徑，且反復(fù)加熱和冷卻的疲勞作用又會(huì)使其SMA材料的回復(fù)應(yīng)變性能降低。③TiNi合金加工困難和加工費(fèi)用高，這就限制了基于TiNi合金的SMA驅(qū)動(dòng)器更為廣泛的應(yīng)用。因此，有待研究開發(fā)減少加工成本，減少一次成形生產(chǎn)加工費(fèi)用的SMA驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品目前大部分應(yīng)用于微驅(qū)動(dòng)器中，如在薄板、絲和薄膜狀等小體積材料中得到了廣泛應(yīng)用。

3 電磁驅(qū)動(dòng)

電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于一些斷電保護(hù)裝置中，可以應(yīng)用于機(jī)械、核能、冶金等領(lǐng)域[34]。

圖7 電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖

原理：利用電磁鐵的原理，給載流線圈通入恒定的電流，使線圈和磁介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生磁場(chǎng)力，進(jìn)而使驅(qū)動(dòng)器發(fā)生位移變化，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。主要通過控制線圈中的電流大小來控制電磁力的大小，使具有彈性支承的工作臺(tái)產(chǎn)生精密的微位移[35]。典型結(jié)構(gòu)示意圖[36]如圖7所示。其基本工作原理：電磁鐵通電吸合，電磁鐵鐵心5提起，帶動(dòng)閥頭閉合；斷電時(shí)，鐵心及閥頭在重力作用下下落，此時(shí)保護(hù)裝置投入運(yùn)行。這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有吸力大、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，使保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)式投入，具有很好的安全性。

微電磁驅(qū)動(dòng)器主要分為轉(zhuǎn)動(dòng)型微馬達(dá)和線性位移微驅(qū)動(dòng)器[37]。

電磁微馬達(dá)可分為只使用軟磁材料的磁阻抗可變型電磁微馬達(dá)和同時(shí)使用軟磁和硬磁材料的電磁型微馬達(dá)[38]。磁阻可變型微馬達(dá)是由一個(gè)固定的電磁鐵和一個(gè)可動(dòng)鐵心組成閉合磁通回路系統(tǒng)，可動(dòng)鐵心可以任意放置，但是只有當(dāng)磁通回路的氣隙最小，即回路的磁阻最小時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)能量最低。如果某時(shí)磁阻抗不是最小，則電磁鐵會(huì)驅(qū)動(dòng)可動(dòng)鐵心，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的磁阻抗降到最低，這就是這種微馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)原理。

線性位移微驅(qū)動(dòng)器主要有螺線管型電磁微驅(qū)動(dòng)器[39]和平面線圈型電磁微驅(qū)動(dòng)器。圖8為一螺線管型電磁微驅(qū)動(dòng)器，它采用表面微細(xì)加工工藝把線圈制作在由高磁導(dǎo)鐵鎳制成的C型鐵心上，線圈產(chǎn)生的電磁力能夠線性地驅(qū)動(dòng)電磁鐵前端的滑板，滑板被固定在硅彈簧上。圖9為平面線圈型電磁微驅(qū)動(dòng)器的原理圖，該驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)圓形平面線圈、硅支撐膜和一塊磁體薄片構(gòu)成。由平面線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將吸引在硅支撐膜上的磁性體，從而硅膜向下彎曲。該平面線圈是用表面微細(xì)加工的方法在硅基片上制成的[40-42]。

近年來也成功地研制出了直徑在2毫米以下的電磁型微馬達(dá)，這種微馬達(dá)采用無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子分上下層分布。定子是由在鐵氧體基板上制備的6只驅(qū)動(dòng)線圈所組成，轉(zhuǎn)子用永磁薄片為基體材料，采用特殊的充磁方法，在垂直于薄片方向?qū)懭氪艠O，使永磁薄片具有多個(gè)磁極。當(dāng)在定子線圈中通入電流時(shí)，產(chǎn)生的電磁力會(huì)使轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)[43-44]。

圖8 螺線管型微驅(qū)動(dòng)器

圖9 平面線圈型微驅(qū)動(dòng)器

4 電熱驅(qū)動(dòng)

電熱驅(qū)動(dòng)是基于不同材料間熱膨脹效應(yīng)的差異產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的方式，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)或執(zhí)行功能，其本質(zhì)是利用材料受熱后自身的彈性形變來實(shí)現(xiàn)微位移和力的輸出。目前，基于熱膨脹響應(yīng)的微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的熱能主要由電能轉(zhuǎn)化而來，即電熱微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

原理：電熱驅(qū)動(dòng)是基于不同材料間熱膨脹效應(yīng)的差異產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的方式，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)或執(zhí)行功能，其本質(zhì)是利用材料受熱后自身的彈性形變來實(shí)現(xiàn)微位移和力的輸出。

在一般應(yīng)用中，材料的熱膨脹系數(shù)與材料的溫度變化成線性比例關(guān)系，即

Δl=l0·α·(T-T0)=l0·α·ΔT

式中，Δl為材料熱膨脹量，l0為材料長(zhǎng)度，ΔT為材料溫升；α為材料膨脹系數(shù)，其值隨溫度變化。以硅為例，一般取熱膨脹系數(shù)為2.6×10-6℃-1，長(zhǎng)度為500m的硅懸臂梁從室溫升至500℃，如果忽略線性膨脹系數(shù)隨溫度的變化，其伸長(zhǎng)量為0.6175m。變化較小，所以，在電熱驅(qū)動(dòng)裝置中，需要對(duì)其進(jìn)行放大處理。

目前，在微機(jī)電系統(tǒng)及微光機(jī)電系統(tǒng)中常用的熱驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)主要有：雙層膜電熱驅(qū)動(dòng)器，U型電熱驅(qū)動(dòng)器和V型電熱驅(qū)動(dòng)器，以及這三種形狀結(jié)構(gòu)的組合變形機(jī)構(gòu)。

雙層膜電熱驅(qū)動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)是由上半部分圖形化的金屬電阻絲結(jié)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)層和下半部分的偏置層構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)線中通入電流，使導(dǎo)線發(fā)熱升溫，驅(qū)動(dòng)層和偏置層的體積都隨溫度升高而膨脹，但由于二者的熱膨脹系數(shù)不同，驅(qū)動(dòng)層和偏置層組成的執(zhí)行結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生向上翹曲的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 雙層膜電熱微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖及變形

雙層膜結(jié)構(gòu)的曲率計(jì)算公式[45]為

從式中可以看出，雙層膜電熱驅(qū)動(dòng)器的兩種材料的選擇對(duì)驅(qū)動(dòng)器的性能有很大的影響，兩材料的膨脹系數(shù)差別越大，溫升越高，則末端變形越大。為了達(dá)到較好的驅(qū)動(dòng)效果，對(duì)懸梁臂的幾何尺寸要進(jìn)行合理的優(yōu)化。

U型電熱驅(qū)動(dòng)器原理[46]：這個(gè)電熱驅(qū)動(dòng)器配置是一個(gè)類似于“U”形狀的電閉環(huán)，是由同一根導(dǎo)線制成的，兩個(gè)臂腳由兩個(gè)固定錨柱固定在基板上。它由一個(gè)“熱”臂和一個(gè)“冷”臂組成，通常在平面U形梁上有彎曲，如圖11(a)所示[47]。熱臂比冷臂具有更高的溫度，因?yàn)樗哂休^窄的導(dǎo)電路徑，增加了電阻率和電流密度。對(duì)冷臂的平面偏轉(zhuǎn)是通過雙臂的差熱膨脹實(shí)現(xiàn)的，給它一個(gè)操作模式(“打開”或“關(guān)閉”)。撓性是一種薄的結(jié)構(gòu)，位于冷臂和錨之間，它放大了撓度。當(dāng)電流通過窄而寬的臂平行時(shí)，如圖11(b)所示，結(jié)構(gòu)會(huì)偏轉(zhuǎn)到較窄的臂上，因?yàn)檩^寬的臂具有較低的阻力，因此會(huì)產(chǎn)生更多的電流，變得比窄臂更熱。

圖11 基于冷熱臂結(jié)構(gòu)的U型電熱微驅(qū)動(dòng)器

該驅(qū)動(dòng)器主要由兩個(gè)寬度不同，長(zhǎng)度相等的膨脹臂構(gòu)成，兩個(gè)膨脹臂均用同一種導(dǎo)電材料制成，在自由端相連，構(gòu)成一個(gè)電路回路。熱臂要比冷臂窄，因而熱臂的電阻要比冷臂的電阻高。當(dāng)在熱臂和冷臂上通入電流時(shí)，在熱臂上產(chǎn)生的熱要比冷臂多，在熱膨脹的作用下，熱臂在長(zhǎng)度方向的伸長(zhǎng)量也要大于冷臂。由于兩臂在自由端相連，互相牽制，所以導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由端將向冷臂方向彎曲，從而產(chǎn)生橫向驅(qū)動(dòng)作用。

V型電熱驅(qū)動(dòng)器利用材料的體積膨脹，通過巧妙的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)微觀尺度的驅(qū)動(dòng)，基本結(jié)構(gòu)如圖12所示[48]。

圖12 基于材料體積膨脹效應(yīng)的V 型電熱微驅(qū)動(dòng)器

V型電熱微驅(qū)動(dòng)器的基本單元是兩端固定在基底上呈V字型的懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖13(a)所示。當(dāng)通過電極施加交變或脈沖電壓時(shí)，V型懸臂梁的末端可在一定頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)微幅振動(dòng)。最常用的是其陣列結(jié)構(gòu)[49]，圖13(b)所示。

圖13 電熱驅(qū)動(dòng)器基本單元

由于V型電熱微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)位移比較小，因此有些機(jī)構(gòu)提出將各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲媒M合，2009年上海交通大學(xué)張叢春、吳義伯[50]等提出了一種基于U+V型的柔性復(fù)合梁電熱微驅(qū)動(dòng)器，如圖 14(a)所示。同年，M.Mayyas[51-52]等也提出了一種類似的U+V型電熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該設(shè)計(jì)主要是利用V型梁熱驅(qū)動(dòng)器陣列的末端(Apex)驅(qū)動(dòng)作用，使得一對(duì)結(jié)構(gòu)反向?qū)ΨQ的U型熱驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，這樣便增加了僅僅依靠U型熱驅(qū)動(dòng)器所產(chǎn)生的位移，實(shí)現(xiàn)了微夾鉗操作，如圖14(b)所示。

圖14 基于U+V 型的柔性復(fù)合梁電熱微驅(qū)動(dòng)器

電熱驅(qū)動(dòng)器緊湊，比較容易制造、穩(wěn)定，且對(duì)于微米安裝、微米定位能產(chǎn)生高驅(qū)動(dòng)力、高位移，結(jié)合了在CMOS兼容的電壓和電流下能夠驅(qū)動(dòng)的能力。尤其，多晶硅電熱驅(qū)動(dòng)器能夠在集成電路(IC)電流/電壓狀態(tài)下操作，也能被IC技術(shù)兼容的表面微加工技術(shù)通過多用于MEMS過程制造。電熱驅(qū)動(dòng)器是位移控制，在檢測(cè)硬和易碎的樣品上非常有用(例如納米線和超薄薄膜)。

電熱驅(qū)動(dòng)的主要特點(diǎn)總結(jié)如下：

優(yōu)點(diǎn)：①具有較大的輸出位移和輸出力。②驅(qū)動(dòng)電壓低、行程大等，相同尺度下體積功率密度顯著高于靜電和電磁驅(qū)動(dòng)。③使微小運(yùn)動(dòng)部件的局部升溫所需要的能量很少，而很低的受熱質(zhì)量可以使升溫和降溫速度明顯高于宏觀體系，有利于提高響應(yīng)速度。④薄膜制備和加工技術(shù)的應(yīng)用使其設(shè)計(jì)和加工變得相對(duì)簡(jiǎn)單。⑤作為熱機(jī)械驅(qū)動(dòng)的介質(zhì)，許多材料組合的多種結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)被廣泛研究，適用原理穩(wěn)定可靠。⑥電熱驅(qū)動(dòng)過程也不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾7.熱驅(qū)動(dòng)模式容易實(shí)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的集成電路電壓范圍工作，且與 Post-IC工藝相互兼容。

缺點(diǎn)：①由于熱慣性，電熱驅(qū)動(dòng)器不適合作高速位移移動(dòng)。②與周圍介質(zhì)存在熱交換，影響輸出位移精度。③隔熱要求較高，否則相鄰部件會(huì)引起熱變形。④輸出位移相對(duì)較小。

5 壓電陶瓷式微型驅(qū)動(dòng)

近年來研究比較多的是壓電陶瓷式微型驅(qū)動(dòng)器[53]。 壓電陶瓷能夠產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)主要是基于壓電材料的性質(zhì)。常用的壓電材料有鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇(BaTiO3)等，鋯鈦酸鉛陶瓷(PZT) 具有強(qiáng)壓電性，很適合于工程實(shí)際，目前PZT以其較強(qiáng)且穩(wěn)定的壓電性能成為應(yīng)用最廣的壓電材料。

圖15 逆壓電效應(yīng)示意圖

原理：壓電陶瓷微型驅(qū)動(dòng)器是運(yùn)用機(jī)電耦合效應(yīng)，即逆壓電效應(yīng)(給壓電陶瓷輸入一定的控制電壓，使壓電陶瓷產(chǎn)生的輸入位移)來產(chǎn)生微位移的。逆壓電效應(yīng)的原理如圖15所示，當(dāng)壓電晶體處于外電場(chǎng)中時(shí)會(huì)發(fā)生形變，形變的大小與電場(chǎng)大小呈正相關(guān)，當(dāng)電場(chǎng)撤銷時(shí)形變就會(huì)恢復(fù)。

逆壓電效應(yīng)用如下公式表示：

x=SEX+dE

式中，x為應(yīng)變，d為壓電常數(shù)，其中SE、X為張量。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)元件的不同，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器主要分為兩種形式：壓電疊堆式驅(qū)動(dòng)器和壓電晶片式驅(qū)動(dòng)器，圖16為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的兩種常見形式，圖16(a)為采用長(zhǎng)條形片狀壓電晶片，沿厚度方向極化，當(dāng)在厚度方向施加電壓時(shí)，晶體片將沿長(zhǎng)度方向作伸縮變形。若將這種晶體片粘貼到所要控制的對(duì)象上，其伸縮變形將轉(zhuǎn)換成作用于控制對(duì)象的機(jī)械力，使控制對(duì)象產(chǎn)生一定的位移。圖16(b)為由疊堆式壓電晶體片組成，當(dāng)沿疊堆厚度方向施加交變電壓時(shí)，將在厚度方向產(chǎn)生延伸變形，從而形成輸出位移。

圖16 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器

壓電式微位移驅(qū)動(dòng)器在微定位與微控制領(lǐng)域得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視。從上世紀(jì)八十年代開始，國(guó)際上就掀起了壓電微位移定位技術(shù)的研究熱。美國(guó)海軍將壓電微定位技術(shù)用于正在研制一種艦載對(duì)地攻擊超音速導(dǎo)彈，彈內(nèi)設(shè)置兩對(duì)正交壓電陶瓷“腱”或萬(wàn)向節(jié)，從而使彈體隨意彎曲或旋轉(zhuǎn)，以此來控制導(dǎo)彈的飛行。美國(guó)MIT的航空航天系空間研究工程中心和電子工程計(jì)算機(jī)系的人工智能中心都在從事壓電式微驅(qū)動(dòng)器的研究。賓州州立大學(xué)在 1994到1998期間投資1.5億美元用于壓電驅(qū)動(dòng)器的研制。IBM蘇黎世研究所成功地研制出世界上第一臺(tái)新型表面分析儀，其掃描頭就是由三個(gè)互相垂直的壓電微位移驅(qū)動(dòng)器組成，可用于三維掃描。德國(guó)在2000年研制成功精度在0.5 nm，移動(dòng)范圍在25 mm，速度為l0 mm/s 的壓電微位移驅(qū)動(dòng)器。

在光學(xué)領(lǐng)域光纖對(duì)接方面，壓電陶瓷執(zhí)行器可用于光纖之間的精密對(duì)準(zhǔn)[54]；在機(jī)械制造方面，可應(yīng)用于超精密機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)超精密加工[55-56]；在電子方面，壓電陶瓷執(zhí)行器可用于電化學(xué)加工、微刻蝕和微雕刻；在生物醫(yī)學(xué)及遺傳工程領(lǐng)域，能用于細(xì)胞操作，完成細(xì)胞夾持、細(xì)胞液注入細(xì)胞等生物工程化操作；在實(shí)際的醫(yī)療科學(xué)操作方面[57]，壓電陶瓷執(zhí)行器已經(jīng)應(yīng)用于顯微外科手術(shù)，降低患者手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高手術(shù)成功率。另外，壓電陶瓷執(zhí)行器還能實(shí)現(xiàn)微機(jī)電[58]系統(tǒng)的加工、封裝及裝配，X 射線曝光機(jī)的超精密微定位裝置及高精度進(jìn)給等。

壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：①理論上可以具有無(wú)限制的分辨率，實(shí)際因素影響，控制精度可以達(dá)到納米級(jí)甚至皮米級(jí)的分辨率。②單位質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)力大。③響應(yīng)速度快，在微妙量級(jí)。④功耗低，電能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，能量消耗少。⑤體積小，便于集成。⑥電壓控制，不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不受磁場(chǎng)干擾。⑦動(dòng)態(tài)性能好。⑧動(dòng)態(tài)性能好。

缺點(diǎn)[59]：①驅(qū)動(dòng)電壓高，位移輸出小，一般為幾十微米。②壓電材料有應(yīng)變量小、遲滯、非線性、蠕變等不良特性，影響系統(tǒng)性能的提高。

6 超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)

自1842年Joule發(fā)現(xiàn)磁致伸縮效應(yīng)即焦耳效應(yīng)之后，人們便開始了對(duì)磁致伸縮材料的研究。超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material-GMM)是一種磁控功能材料，可以實(shí)現(xiàn)電-磁-機(jī)-熱能量雙向轉(zhuǎn)換，同時(shí)完成能量獲取與信息感知?；诔胖律炜s材料的優(yōu)越特性，已經(jīng)成功制造了電-聲換能器、電-機(jī)換能器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和電子器件等，廣泛應(yīng)用于海洋、地質(zhì)、航空航天、運(yùn)輸、加工制造、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、儀器、電子及民品等技術(shù)領(lǐng)域[60]。國(guó)內(nèi)超磁致伸縮材料已在聲學(xué)換能、閥門液壓、微位移與微振動(dòng)控制、減振降噪等應(yīng)用領(lǐng)域中取得了重要突破。在超精密加工、精密定位、精密儀器、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)、生物工程及微型機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究還有廣闊的發(fā)展空間[61]。

超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器(Giant Magnetostrictive Actuator-GMA)逐漸成為物性型智能驅(qū)動(dòng)器的典型代表，因其自身具備的物性特點(diǎn)在航空航天、武器裝備、微流體、納米制造等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖17 鐵磁體的線磁致伸縮示意圖

原理[62]：磁致伸縮一詞常指線磁致伸縮。線磁致伸縮指鐵磁體在磁化過程中具有線度的伸長(zhǎng)或縮短，如圖17所示。線磁致伸縮或線磁致伸縮系數(shù)通常用λ表示，λ=Δl/l0，其中l(wèi)為鐵磁體的長(zhǎng)度，Δl為鐵磁體長(zhǎng)度l0方向上的仲長(zhǎng)量。當(dāng)λ>0時(shí)，為正線磁致伸縮，它表示鐵磁體沿磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)，而垂直于磁場(chǎng)方向縮短；當(dāng)λ<0時(shí)，為負(fù)線磁致伸縮，表示沿磁場(chǎng)方向縮短，在垂直于磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)。

鐵磁體在外磁場(chǎng)的作用下，通過磁化導(dǎo)致磁致伸縮，引起物體的幾何尺寸發(fā)生變化。反過來，通過對(duì)材料施加拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，也能引起鐵磁體的磁性能發(fā)生變化，這就是磁致伸縮逆效應(yīng)。

利用磁致伸縮正效應(yīng)可制作驅(qū)動(dòng)器或振動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)力、微位移驅(qū)動(dòng)或振動(dòng)控制；利用磁致伸縮逆效應(yīng)可制作傳感器，實(shí)現(xiàn)力、力矩和位移等物理量的感知；利用磁致伸縮正逆耦合效應(yīng)，可以開發(fā)集驅(qū)動(dòng)、力測(cè)量、輸出力感知和輸出力可控等功能于一體的精密驅(qū)動(dòng)器件[63]。

目前，較為成型的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)[64-65]主要有直動(dòng)型、旋轉(zhuǎn)型和薄膜型三類。典型的為直動(dòng)型超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)如圖18所示。圖中，驅(qū)動(dòng)器由Terfenol-D棒、軛鐵、螺線管激勵(lì)線圈、永久磁鐵、殼體、頂桿、預(yù)緊螺栓和彈簧墊圈等構(gòu)成。其中頂桿、預(yù)緊螺栓和彈簧墊圈組成的預(yù)應(yīng)力組件給Terfenol-D棒施加預(yù)應(yīng)力，該軸向預(yù)應(yīng)力可使Terfenol-D棒內(nèi)部磁疇在零磁場(chǎng)時(shí)盡可能地沿著與軸向應(yīng)力垂直的方向排列，從而實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)控制激勵(lì)電流大小控制外加勵(lì)磁磁場(chǎng)作用，實(shí)現(xiàn)磁能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，并獲得軸向磁致伸縮應(yīng)變和位移輸出。

圖18 超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器典型結(jié)構(gòu)示意圖

超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)[66]如下：

優(yōu)點(diǎn)：①高可靠性，居里溫度較高(300 以上)，遠(yuǎn)比壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛 PZT)、形狀記憶合金要高，因此在較高溫度下工作可保持性能穩(wěn)定。②位移分辨率高(納米級(jí))。③能量密度高(14000～25000J*m-3)，是壓電陶瓷的10～25倍。④響應(yīng)速度快(微秒級(jí))、工作頻率范圍寬(0～100KHz)、輸出位移大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于驅(qū)動(dòng)等優(yōu)異特性。

缺點(diǎn)：①超磁致伸縮材料本身較脆，抗壓不抗拉，且結(jié)構(gòu)可加工較差。②超磁致伸縮材料的渦流效應(yīng)是超磁致驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行效率低的一個(gè)主要因素，尋求合理的材料結(jié)構(gòu)以減小渦流損耗，提高馬達(dá)效率是必要的。

隨著薄膜制備技術(shù)及其它先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，采用物理沉積法在非磁性基片上濺射鍍膜，可制備出性能更加優(yōu)越、應(yīng)用前景更加廣泛的超磁致伸縮薄膜材料[67]。超磁致伸縮薄膜除了具有合金材料的性能外，還具有渦流損耗及磁滯小等特性[68-69]。一般是在非磁性基片(通常是用一些半導(dǎo)體材料如Si制成)的上、下表面采用閃蒸、離子束濺射、電離鍍膜、直流濺射、射頻磁控濺射等方法分別鍍上具有正(如:TbFe)、負(fù)(如:SmFe)磁致伸縮特性的薄膜制成，當(dāng)在長(zhǎng)度方向外加磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生正磁致伸縮的上表面薄膜伸長(zhǎng)，而產(chǎn)生負(fù)磁致伸縮的下表面薄膜縮短，從而帶動(dòng)基片發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖19為日本Hirosaki大學(xué)生物科學(xué)研究院研制[70]的大型和小型兩種懸臂梁式超磁致伸縮薄膜微型氣體閥，閥門的開關(guān)由一個(gè)帶有橡膠的磁致伸縮薄膜組成。當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，磁致伸縮薄膜發(fā)生變形使基片產(chǎn)生彎曲，這時(shí)通道口與基片相分離，氣體便由直徑為1mm的管道出口流出，達(dá)到控制的目的。

圖19 GMM薄膜微型氣閥及原理圖

硅基片超磁致伸縮薄膜的出現(xiàn)，使超磁致伸縮微馬達(dá)同計(jì)算機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)智能化和機(jī)電一體化成為可能，此外超磁致伸縮微馬達(dá)體積小，耗材少，成本低，用于微型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)具有獨(dú)到優(yōu)點(diǎn)。薄膜的成功制備為超磁致伸縮微型馬達(dá)的研究提供了新的應(yīng)用材料。薄膜型超磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)與應(yīng)用已成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)[71]。

7 結(jié) 語(yǔ)

隨著變體飛行器、仿生機(jī)械、微型醫(yī)療機(jī)械、特種機(jī)器人、大功率換能器、主動(dòng)減振、超精密加工裝備等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)體積小、控制精度和位移分辨率高、響應(yīng)速度快、力矩大的多自由度微位移執(zhí)行器的需求與日劇增。目前，壓電陶瓷材料仍然是研究開發(fā)最成熟和應(yīng)用比例最高的功能材料，超磁致伸縮效應(yīng)和材料雖然最早被發(fā)現(xiàn)，卻經(jīng)歷了最長(zhǎng)的時(shí)間才付諸于實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用。這些基于電-磁(熱)-力轉(zhuǎn)換功能材料的新型執(zhí)行器，自身還有很多問題有待完善，比如遲滯、非線性位移控制問題、可靠性分析等。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展與高科技的發(fā)展也密切相關(guān)，如新材料、新工藝技術(shù)的開發(fā)，都會(huì)對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展與成熟。