[發(fā)明專(zhuān)利]基于反鐵電厚膜場(chǎng)致相變應(yīng)變效應(yīng)的微懸臂梁驅(qū)動(dòng)構(gòu)件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910074573.8
• 申請(qǐng)日: 2009-06-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101590999A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張文棟;丑修建;熊繼軍;薛晨陽(yáng);劉俊;趙振宇;王靜;牛康康
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B81C1/00
• 分類(lèi)號(hào): B81C1/00
• 代理公司: 山西太原科衛(wèi)專(zhuān)利事務(wù)所
• 代理人: 朱 源;駱 洋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，具體為一種基于反鐵電厚膜場(chǎng)致相變應(yīng)變效應(yīng)的微懸臂梁驅(qū)動(dòng)構(gòu)件。

背景技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)最新成果而發(fā)展起來(lái)的一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，高度智能化、集成化的微機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)必然依賴(lài)于基于新材料、新技術(shù)、新原理、新效應(yīng)的微構(gòu)件和微器件系統(tǒng)的創(chuàng)新性探索與開(kāi)發(fā)。微執(zhí)行器作為MEMS中的核心可動(dòng)部件，其主要是利用不同的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，來(lái)實(shí)現(xiàn)特定行為的動(dòng)作功能，既可構(gòu)成微機(jī)械的動(dòng)力部分，亦可成為微機(jī)械的操作或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其動(dòng)作范圍的大小、動(dòng)作效率的高低、動(dòng)作的可靠性等技術(shù)指標(biāo)決定了系統(tǒng)的成敗。

目前，微執(zhí)行器的種類(lèi)主要包括應(yīng)用于流體控制的微泵、微閥，光機(jī)電系統(tǒng)的可調(diào)微鏡、光開(kāi)關(guān)，以及機(jī)電領(lǐng)域的微馬達(dá)、微位移器、微繼電器、微型鑷子等。微執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)方式主要涉及有靜電式、電磁/磁致伸縮式、壓電/電致伸縮式、以及形狀記憶合金膜片式等。靜電式驅(qū)動(dòng)器存在驅(qū)動(dòng)電壓高、驅(qū)動(dòng)力小的不足，需要非常精密的設(shè)計(jì)和加工才能制造出狹小的空隙以產(chǎn)生較高的驅(qū)動(dòng)力；電磁/磁致伸縮式驅(qū)動(dòng)器在微線(xiàn)圈的微加工以及磁鐵、導(dǎo)電、絕緣材料等的排布上，存在著相當(dāng)大的制造工藝難度；形狀記憶合金(TiNi、CuAlNi和CuZnAl合金等)由于其具有很強(qiáng)的能量存儲(chǔ)和傳輸能力，使其在微泵、微流量計(jì)、微型鑷子等微執(zhí)行器中得以應(yīng)用，但其低的響應(yīng)速度大大影響了執(zhí)行效率。壓電/電致伸縮式驅(qū)動(dòng)是利用壓電材料(PbZr_xTi_1-xO₃、ZnO等)的逆壓電效應(yīng)，在施加電場(chǎng)的瞬間，使材料產(chǎn)生可控的應(yīng)變而實(shí)現(xiàn)的一種驅(qū)動(dòng)方式。壓電/電致伸縮式驅(qū)動(dòng)元件具有體積小、分辨率高、響應(yīng)速度快、不發(fā)熱、低能耗、無(wú)電磁干擾和輸入/輸出為線(xiàn)性等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注，但低的輸出位移量一直阻礙著該類(lèi)驅(qū)動(dòng)方式的廣泛應(yīng)用。

而近年來(lái)，反鐵電功能材料由于其奇異的相變行為特性和潛在的應(yīng)用背景，格外受到眾多研究學(xué)者的青睞。對(duì)于反鐵電材料而言，在反鐵電態(tài)(AFE)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電態(tài)(FE)的相界附近，具有豐富的結(jié)構(gòu)相，在外加電場(chǎng)的作用下，可以誘導(dǎo)產(chǎn)生AFE-FE相變效應(yīng)，由于鐵電相材料的元胞體積比反鐵電相材料大，因此在發(fā)生相變的同時(shí)，伴隨著材料體積的變化，從而引起材料的場(chǎng)致應(yīng)變效應(yīng)。反鐵電材料的這種場(chǎng)致應(yīng)變效應(yīng)所產(chǎn)生的應(yīng)變量可高達(dá)0.8％以上，在很大程度上優(yōu)于壓電材料的逆壓電效應(yīng)，如W.Y.Pan等在研究(Pb，La)(Zr，Sn，Ti)O₃反鐵電陶瓷的AFE-FE相變時(shí)，測(cè)得其應(yīng)變量達(dá)0.85％，B.M.Xu等研究報(bào)道La或Nb摻雜優(yōu)化的Pb(Zr，Sn，Ti)O₃反鐵電薄膜和厚膜材料的相變應(yīng)變量也分別可以達(dá)到0.42％和0.48％，而典型的PZT弛豫型鐵電陶瓷由逆壓電效應(yīng)引起的應(yīng)變量一般僅有0.1％左右。同時(shí)，反鐵電材料的相變行為可以通過(guò)外加電場(chǎng)來(lái)調(diào)控，相變引起的極化強(qiáng)度變化和縱向應(yīng)變屬于躍變行為，相變應(yīng)變效應(yīng)具有良好的可開(kāi)關(guān)特性，且開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度快，W.Y.Pan等研究表明(Pb，La)(Zr，Sn，Ti)O₃反鐵電陶瓷塊體材料的相變開(kāi)關(guān)時(shí)間約為2μs，而對(duì)于(Pb，La)(Zr，Sn，Ti)O₃反鐵電薄膜材料的響應(yīng)速度則更快，可以達(dá)到300ns量級(jí)以?xún)?nèi)。因此，如何將反鐵電功能材料應(yīng)用于微執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，成為目前眾多研究學(xué)者的重點(diǎn)研究課題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有微執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件存在驅(qū)動(dòng)電壓高、響應(yīng)速度慢、響應(yīng)頻率低、驅(qū)動(dòng)位移小、制造工藝復(fù)雜以及控制精度低等技術(shù)瓶頸問(wèn)題，提供了一種具有快速響應(yīng)和大位移量特性的基于反鐵電厚膜場(chǎng)致相變應(yīng)變效應(yīng)的微懸臂梁驅(qū)動(dòng)構(gòu)件。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：基于反鐵電厚膜場(chǎng)致相變應(yīng)變效應(yīng)的微懸臂梁驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，按照如下工藝步驟加工制造：

①以溶膠-凝膠工藝技術(shù)配制濃度為0.2mol/l～0.6mol/l的鉛基反鐵電材料前軀體溶膠、以及濃度為0.2mol/l～0.4mol/l的PbO溶膠；所述溶膠-凝膠工藝技術(shù)是公知技術(shù)，如何配制所需濃度的鉛基反鐵電材料溶膠和PbO溶膠對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是公知的；