新型微位移致动器的研究

    1　引　言

    微位移致动器是一类能够实现微米、亚微米及纳米尺度超高精度位置执行与控制的传感或执行器。它的出现带动了诸如超大规模集成电路加工、精密光学控制、超精加工、显微分析、人工智能控制等的飞速发展,在国防、微电子、航空、航天等尖端领域发挥着极为重要的作用[1]。传统的微位移致动器的驱动材料多采用热膨胀元件和压电陶瓷,由于在这类材料中普遍存在伸缩应变量小、反应时间长、驱动结构复杂、易老化等问题,严重影响了致动器工作范围的扩大和控制精度的提高。伴随具有大应变量的稀土超磁致伸缩材料的出现,微位移致动器的研制产生了新的飞跃。磁致伸缩是一种磁-机械耦合现象,以Tb-Dy-Fe为代表的稀土超磁致伸缩材料,其伸缩量为普通压电陶瓷的30~50倍,响应时间低于10-6s,是理想的位移致动材料[2]。现有的以TbDy-Fe超磁致伸缩材料为驱动单元的微位移致动器,其工作范围已有数10μm,致动精度可达纳米量级。20世纪90年代初,日本研制出第一代磁致伸缩型位移致动器,其位移分辨率可达10nm[3];近年来,国内相研制出具有水冷结构的磁致伸缩致动器,最大位移输出达20μm以上。

    常规的磁致伸缩型微位移致动器,大多采用多晶或具有孪晶结构的磁致伸缩材料作为驱动单元。由于晶界和孪晶界对畴壁的移动具有阻碍作用,其低场下的位移输出较小,调控精度受到很大影响。为弥补这一缺陷,在这类致动器设计中,大电流、高电压是常用的驱动方式。这一做法带来的后果是:器件体积难以减小,线圈及致动器局部温升较高,直接影响了致动器的工作性能。为消除致动器工作中环境温度变化所带来的不利影响,保证磁致伸缩材料能够在稳定的温度条件下工作,在这类致动器中,一般需设计复杂的强制水冷结构,因而大大限制了微位移致动器的应用。迄今为止,国内外尚未有可实用化的、超高精度磁致伸缩型微位移致动器研制成功的报导。已有的相关领域的研究,仅局限于对实验室原理型器件的探索。

    2　研究内容

    2.1　高近年来,武汉理工大学发明了利用磁悬浮冷坩

    埚提拉稀土-铁超磁致伸缩单晶材料的技术,解决了高性能超磁致伸缩材料制备的污染和孪晶两大难题,制备出具有优异性能的Tb-Dy-Fe单晶材料[4]。研究表明,磁致伸缩材料的性能是影响微位移致动器控制精度的核心因素,而致动器结构的简化、成本的降低则是决定其能否实用的关键[5]。高性能的磁致伸缩材料,在很低的驱动场作用下即可表现出大的伸缩位移,这就可以大大简化微位移致动器的结构。与国外普遍采用的Terfenol-D材料相比,作者采用的Tb-Dy-Fe单晶由于消除了常出现于这类材料中的孪晶缺陷,从而表现出优异的低场性能,饱和应变量也比Terfenol-D材料高(0.2~0.4)×10-2。作者以此为基础设计出结构简单、机电转换效率高的磁致伸缩型微位移致动器(图1)[6]。1性能Tb-Dy-Fe超磁致伸缩单晶材料.