基本介紹
- 中文名：磁致伸縮薄膜
- 外文名：GMFs
- 屬於：功能材料
- 優點1：能量密度高，回響頻率快
- 優點2：非接觸式驅動及易微型化、集成化
- 套用：微感測器、微執行器等
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GMFs的概述
超磁致伸縮薄膜(GMFs)是近幾年發展起來的一種新型的功能材料，由於其能量密度高，回響頻率快，非接觸式驅動及易微型化、集成化等優點，使其在微感測器、微執行器等領域具有廣闊的套用前景。
HONDA等利用雙面超磁致伸縮複合膜設計一個微行走機械，在外加磁場為39789A/m，激勵頻率為70Hz時，其向前行走的速度能達到65mm/s；OKAZAKI等檢測FePd-Al-Ni和FeGa-Al-Ni薄膜的振動特性，20mm長的薄膜在50mT的交流磁場下最大振幅可達到1.4mm；劉巍和張永順等分析其製備的正負超磁致伸縮雙面膜在低磁場下的振動特性，研製一種微型泳動機器人；莊輝虎對Sm-Fe系薄膜進行了不同溫度真空退火處理研究，其結果表明，合適溫度的真空退火可以提高其磁致伸縮性能，特別是低場(0~100mT)下的磁敏性。
Sm-FeGMFs的製備
採用IBSD法在聚醯亞胺襯底(20mm×5mm×80μm)上製備Sm-FeGMFs。濺射靶材為真空熔鑄Sm-Fe合金靶，濺射氣體為高純氬氣(99.999%)，濺射工藝參數如下：背底真空不大於2.0×10^5Pa，工作氣壓2×10^2~3×10^2Pa，放電電壓50~100V，束流電壓800~1500V，加速電壓250~350V，束流電流10~30mA。
製備態Sm-FeGMFs磁致伸縮及幅頻特性
不同膜厚的Sm-FeGMFs在300~400kA/m的外加磁場作用下磁偏轉量均達到飽和。這是因為外加磁場由小到大的變化過程中，磁性薄膜內的磁疇邊界發生移動；疇內的磁矩會發生旋轉，且各個磁疇在外磁場方向上發生磁致伸縮形變；當磁性薄膜內的磁疇基本與外磁場方向平行時，薄膜將不再伸長，即可達到飽和磁致伸縮狀態。
薄膜的飽和磁偏轉量隨膜厚的增加逐漸增大，0.70μm厚Sm-FeGMFs在外加磁場作用下最大偏轉量達到107.6μm。懸臂樑結構在激勵磁場作用下為簡諧振動。振幅、頻率與相位是諧振動的3個特徵，固有頻率是系統一種振動特性，僅僅取決於系統的慣性(薄膜本身的尺寸和質量)和彈性。GMFs的低頻特性是設計開發超磁致伸縮薄膜型微執行器和微感測器器件關鍵性能參數之一，且在共振頻率的情況下，薄膜懸臂樑自由端幅頻特性與器件設計的要求密切相關。
通過分析Sm-FeGMFs幅頻特性曲線可知，Sm-FeGMFs表現出明顯的超諧波共振特徵。實驗過程採用共振幅值法(即最大峰峰值對應的頻率)作為Sm-FeGMFs相應的共振頻率。所製備的不同膜厚Sm-FeGMFs的共振頻率範圍為60~64Hz，且在共振頻率下，Sm-FeGMFs的振幅隨薄膜厚度的增加逐漸增大，當膜厚為0.70μm時，其共振時振幅值達87μm。由此可見，在設計薄膜型器件時可以依據要求製備與襯底厚度匹配且膜厚合適的Sm-FeGMFs，以滿足其驅動能力的需求。
退火態Sm-FeGMFs磁致伸縮及幅頻特性
隨退火溫度的逐漸升高，Sm-FeGMF的飽和磁偏轉量逐漸降低，經過150℃真空退火後，Sm-FeGMF的低場磁敏性並未改善；而經過200℃真空退火後，Sm-FeGMF低場磁敏性能得到明顯地提高。這是因為當退火溫度較低時，薄膜內原子沒有足夠的能量進行大量的擴散重排；隨著退火溫度的升高，薄膜內原子獲得較高的能量、進行了較充分的擴散，原子重新排列、膜內缺陷減少，且內應力得到一定的釋放，故導致Sm-FeGMF在低場下的磁敏性得到提高。同時，隨退火溫度的升高，薄膜原子排列的有序化程度不斷提高，膜的結構馳豫趨於充分，微結構各向異性減小，膜面內趨於各向同性，在一定程度上降低了其飽和磁偏轉量。膜厚為0.70μm的Sm-FeGMF製備態和經過150和200℃真空退火後的振幅—頻率曲線。製備態Sm-FeGMF成膜後經低溫真空退火處理，其一階共振頻率在小範圍內隨退火溫度的升高而增大(60～74Hz)；而其在低頻率下發生共振時的振幅則隨低溫退火溫度的升高而明顯增大，經過200℃真空退火後，其振幅值從製備態的87μm提高到300μm，比
製備態時提高了約3倍，這主要是與薄膜的內應力及組織結構發生的變化有關。這表明在特定的驅動電源頻率範圍內，通過對成膜後的Sm-FeGMFs進行合適溫度的真空退火處理，可使得懸臂樑結構薄膜獲得較大的振幅，從而改善或調整其驅動能力。工程上主要套用GMFs的動態回響特性。膜厚為0.70μm的懸臂樑結構Sm-FeGMF製備態及經200℃真空退火後，發生一階共振時，其驅動電流與振動回響隨時間變化的回響曲線。製備態與成膜後經低溫真空退火處理後的Sm-FeGMFs在一階共振頻率下懸臂樑自由端均隨驅動信號作同頻率振動，且振動波形的波峰波谷排列整齊，說明懸臂樑結構Sm-FeGMFs的反應速度快，輸出重複性好；振動與輸入電流的回響曲線具有很好的跟隨性。
振動波形和驅動電流的波形存在一定相位差。分析認為，由於驅動線圈為阻感性，流入線圈的電流要滯後於線圈電壓一定相位差，同時由於GMFs具有磁滯現象，其輸出應變滯後於驅動磁場一定相位差，因此，兩者綜合導致Sm-FeGMFs懸臂樑自由端輸出的應變與輸入的驅動電流間始終保持著一定的相位差。
