超磁致伸缩薄膜驱动仿生游动微型机器人

研制了以超磁致伸缩薄膜为驱动器的仿生游动微型机器人,其作业原理是以超磁致伸缩薄膜驱动器为尾鳍,通过改变时变振荡磁场的驱动频率,在超磁致伸缩薄膜的磁机耦合作用下,将时变振荡磁场能转换成驱动器的振动机械能,振动的超磁致伸缩薄膜驱动器再与液体耦合,便产生了机器人的推力.由于超磁致伸缩薄膜为非接触式驱动,因此机器人不需要电缆驱动.基于仿生游动原理,提出一种计算推力的数学模型,以建立的超磁致伸缩薄膜受迫振动模型的前三阶谐振频率模态为尾鳍的摆动,对振动薄膜产生的推力进行了计算.实验验证了理论分析的正确性,表明仿生游动微型机器人的方案切实可行.

超磁致伸缩薄膜尾鳍机器鱼的仿生游动机理

根据仿生学原理,采用超磁致伸缩薄膜驱动器模仿鱼类的波状推进方式,可以实现机器人的无缆驱动,并能显著提高机器人的可靠性与实用性。为了提高推进力,进而提高驱动效率,实现机器人尾鳍形状优化是关键。基于等面积条件,优选了几种薄膜尾鳍形状,在建立悬臂梁结构变断面超磁致伸缩薄膜受迫振动动态模型和机器人推力模型的基础上,对不同形状薄膜尾鳍的推力进行了仿真验证,得出了最佳尾鳍形状曲线,并用有限元法分析了薄膜驱动器的应力分布,最后通过试验验证了薄膜驱动器的推进效果。

超磁致伸缩薄膜悬臂梁的非线性变形分析及试验

将双层超磁致伸缩薄膜(Giant magnetostrictive thin film,GMF)悬臂梁的磁致伸缩作用等效为分布弯矩作用,以简化磁机耦合模型。在几何非线性弹性变形理论基础上,根据哈密顿原理推导出超磁致伸缩薄膜非线性变形的控制方程,并给出超磁致伸缩薄膜悬臂梁静态几何非线性变形模型、非线性主共振和超谐波共振响应模型。采用悬臂梁式超磁致伸缩双层膜(铽镝铁—聚酰亚胺—钐铁)进行变形特性的试验研究,发现超磁致伸缩双层膜表现出明显的几何非线性变形特征,悬臂梁端部位移量约为厚度的2/3;同时检测到悬臂梁的超谐波共振现象,前三阶超谐波共振的驱动效率与一阶主共振的驱动效率具有可比性。将所提出的静态非线性变形模型和振动响应模型分别与试验结果对比发现,两个模型可较好地说明双层超磁致伸缩薄膜的非线性变形特性,为有效地利用超磁致伸缩薄膜设计开发微驱动器和微传感器提供依据。

超磁致伸缩薄膜悬臂梁静力学分析

静力学特性是超磁致伸缩薄膜(giant magnetostrictive thin film,GMF)的重要特性,对其进行准确的分析是应用GMF的基础.结合材料力学的相关理论,求解了不同尺寸、不同基底材料GMF双层悬臂梁的中性轴和等效惯性矩;将双层GMF悬臂梁的磁致伸缩作用等效为分布弯矩作用,建立了静态磁致伸缩过程中薄膜悬臂梁的挠曲线方程.采用悬臂梁式GMF进行变形特性的实验研究,证实了挠曲线方程的正确性,同时表明磁致伸缩过程中薄膜的磁学量与力学量呈一定的线性关系,为动态磁致伸缩效应的进一步分析研究奠定了理论基础.

超磁致伸缩薄膜/光纤的制备及其磁探测性能

采用磁控溅射工艺在光纤表面制备了厚度均匀的TbDyFe超磁致伸缩薄膜。利用马赫 曾德尔干涉仪对TbDyFe超磁致伸缩薄膜/光纤传感器的磁探测性能进行了实验测试。结果表明:在调制频率f=1kHz附近,传感器对磁场具有最大的信号响应;在恒定直流磁场及调制磁场强度小于1kA/m的条件下,输出信号大小随调制磁场强度线性增加;在35～50kA/m的直流磁场范围内,传感器(对应1m长传感臂)可探测的最小磁场变化Hmin=8.6×10-2A/m,若采用分辨力为10-6rad的干涉仪并增加镀膜光纤的长度和薄膜厚度,则可进一步提高传感器的磁探测灵敏度。

超磁致伸缩薄膜转换器及其在微流体元件中的应用

在介绍超磁致伸缩材料特性的基础上 ,分析了超磁致伸缩薄膜转换器的结构原理和性能特点 ,着重阐述了超磁致伸缩薄膜转换器在微流体元件 (如微流体泵和阀等 )中的应用并总结了超磁致伸缩薄膜微转换器的最新研究成果及应用研究现状。分析结果表明 :该类材料具有磁致伸缩应变大 ,非接触驱动 ,结构简单 ,响应快和精度高等优点 ,它的出现为微流体元件的驱动提供了一个更新更有效的方法 ,具有良好的应用前景。

超磁致伸缩薄膜耦合特性驱动磁场的设计方法

针对超磁致伸缩薄膜对驱动磁场的要求,设计了一种能产生高均匀度、高强度磁场的赫姆霍茨线圈,并对该线圈的尺寸结构进行了优化设计,同时对磁场轴向和径向的均匀度进行了理论计算和ANSYS仿真。实验验证了该线圈提供的驱动磁场具有很高的均匀度和足够的强度。在此基础上进一步探索性地研究了薄膜内部磁场的动态特性。

稀土超磁致伸缩薄膜的研究进展

概述了薄膜的制备工艺以及提高低磁场磁致伸缩性能方面的研究进展,并展望了对超磁致伸缩薄膜的发展前景。

超磁致伸缩薄膜的制备工艺及其磁化特性研究

在综合分析比较各种薄膜材料的制备工艺和方法的基础上,给出了超磁致伸缩薄膜制备的系统工艺路线、制备方法,确定了相应的工艺参数,最终通过磁控溅射方法,在聚酰亚胺基片上制备出了间接耦合式超磁致伸缩薄膜。同时,对制备的薄膜磁化性能进行了试验研究,试验结果表明,根据所选取工艺方法和参数制备的超磁致伸缩薄膜具有优良的磁化性能,达到了试验分析研究的目的。研究得到的工艺参数结果及试验分析方法为进一步研究超磁致薄膜奠定了一定的基础,积累了经验。

超磁致伸缩薄膜悬臂梁的非线性振动特性试验研究

超磁致伸缩薄膜(GMF)的振动特性是决定其驱动性能的重要因素。针对研制出的Cu基双层GMF(TbDyFe/Cu/SmFe),测量并分析了其磁致回线、矫顽力等磁化特性。在此基础上,采用基于激光位移传感器的薄膜振动特性试验装置,研究了Cu基GMF悬臂梁在低频低磁场下的振动特性,结果表明,Cu基GMF悬臂梁具有10阶超谐波共振特性,二、三阶超谐波共振的峰峰值均在35μm以上,且其一阶主共振呈现明显的"软弹簧"特征。最后,给出了直流偏置磁场和交流驱动磁场对Cu基GMF共振频率和振动幅值等驱动性能的影响规律,为设计开发低频低磁场驱动的GMF微执行器和微传感器提供试验参考。

超磁致伸缩薄膜微机械变形镜驱动器的研究

分析了微机械变形镜MEMS驱动器的种类及其特点,并在磁致伸缩薄膜具有低磁场下的大形变、低功耗、高响应速度等特性基础上,提出了超磁致伸缩薄膜MEMS驱动器的原理.由于TbFe磁致伸缩薄膜在外加磁场作用下,微桥将在水平方向上产生伸长变形,从而引起微桥在垂直方向上发生位移.根据这一原理,设计了一种用于微机械变形镜MEMS驱动器的超磁致伸缩薄膜驱动结构,同时提出制作磁致伸缩薄膜连续式微机械变形镜的工艺流程.

超磁致伸缩薄膜难磁化轴方向动态特性研究

磁场驱动频率高是限制超磁致伸缩薄膜器件推广应用的关键因素之一,研究如何降低超磁致伸缩薄膜器件的磁场驱动频率对超磁致伸缩薄膜器件的推广应用将具有重要意义。在深入分析超磁致伸缩薄膜存在各向异性根本原因的基础上,结合薄膜磁致伸缩过程中磁畴的运动机理,提出只要能够克服超磁致伸缩薄膜中存在的退磁场,低磁场驱动频率下就可在难磁化轴方向获得更为优良动态特性的新思路。通过建立超磁致伸缩薄膜难磁化轴实验系统进行实验研究,结果表明通过施加合适的偏置磁场克服退磁场,可以使薄膜在难磁化轴方向产生响应优良的超谐共振,为低频驱动GMF器件的研制提供了一种新的思路。

基片对间接耦合式超磁致伸缩薄膜静态磁化性能的影响

间接耦合式超磁致伸缩薄膜是一种新兴的具有优异机械物理性能的功能材料,已成为微型器件材料研究的热点之一。由于是在弹性基片上通过物理沉积方法得到该种薄膜材料,因此基片的物理性能对薄膜材料的磁化性能会产生重要影响。通过对物理性能差异较大的铜、聚酰亚胺两种基片的间接耦合式超磁致伸缩薄膜的磁化曲线、饱和磁化强度等进行实验研究与分析比较,得到不同物理性能基片对超磁致伸缩薄膜特性的影响规律,为进一步制备性能各异的薄膜材料奠定基础。

超磁致伸缩薄膜特性及其在气体检测中的应用

通过分析薄膜共振频率的影响因素,将一种具有正负磁致伸缩性能的复合薄膜应用到乙酸气体的检测中。在介绍该气体传感器检测原理的基础上,阐述了实验准备过程,并通过SEM图像和共振频率随时间的响应曲线比较了两种不同制备方法所得到的敏感层的优缺点,实验结果表明超磁致伸缩薄膜可适用于微气体传感器的研究。

超磁致伸缩双面薄膜的动态驱动模型

提出了一种悬臂梁结构磁致伸缩双面薄膜动态驱动模型.以磁致伸缩双面薄膜复合梁的等效形变为基础,将磁致伸缩驱动应力转换为外等效扰动力矩,依据受迫振动理论来研究磁致伸缩薄膜的动态特性.试验结果表明,修正后的模型可以描述双面磁致伸缩薄膜在同一驱动频率下的动态特性.

超磁致伸缩TbFe/FeAl多层膜的研究

采用直流磁控溅射法制备了TbFe/FeAl超磁致伸缩多层膜,研究了FeAl薄膜的复合对TbFe薄膜磁性能以及热处理温度对TbFe/FeAl磁致伸缩多层膜磁致伸缩系数的影响。结果表明,TbFe层与FeAl层之间的交换耦合作用以及热处理能明显提高薄膜的软磁性能和磁致伸缩性能;与TbFe单层膜相比,TbFe/FeAl多层膜水平方向的矫顽力从59.2kA.m-1降低到29.6kA.m-1;经最佳退火处理(350℃×60min),获得了较低的饱和磁场强度和矫顽力,分别为Hs=96kA.m-1和JHc=16kA.m-1;外加磁场400kA.m-1时,TbFe/FeAl磁致伸缩多层膜磁致伸缩系数可达574×10-6。

磁致伸缩薄膜动态驱动特性的研究

提出一种新的磁致伸缩薄膜动态驱动特性的研究方法,其原理是以磁致伸缩薄膜复合梁的等效形变为基础,将磁致伸缩驱动应力转换为等效驱动力矩,建立磁致伸缩薄膜的强迫振动动态模型,通过受迫振动理论来研究磁致伸缩薄膜的动态特性。对该模型进行了仿真计算和试验验证,表明该模型可以描述磁致伸缩薄膜的动态行为。该方法对薄膜驱动器的运动分析与结构优化。最终实现基于磁场自感知的超磁致伸缩薄膜驱动器的闭环控制具有参考意义。

电容位移测量仪的校准与薄膜的磁致伸缩测量

自制了一套电容位移测量仪的校准装置,并对DWS型电容位移测量仪进行了校准和标定,使位移测量仪在较宽的量程范围内获得的悬臂梁位移测量值的误差≤5％。通过采用经改进校准和标定的位移测量仪,利用悬臂梁-电容法测定了稀土超磁致伸缩薄膜样品的磁致伸缩系数λ,提高了测量精度。

复合薄膜磁致伸缩系数求解及悬臂梁结构优化

建立了超磁致伸缩薄膜(GMF)的磁致伸缩系数求解模型用于分析磁机耦合转化关系,研究了模型的建立过程、推演机理及仿真结果。通过合理简化复合GMF变形,并以单层GMF的磁致伸缩系数表达式为基础,推演得出了复合GMF的磁致伸缩系数表达式。以具有正负磁致伸缩效应的复合GMF为研究对象,利用推演得出的复合GMF的磁致伸缩系数表达式,讨论了磁致伸缩镀层厚度对悬臂梁式GMF自由端挠度的影响规律。研究结果表明:在镀层总厚度一定且正磁致伸缩材料层与负磁致伸缩材料层厚度比为2.3时,不论是Cu基薄膜还是PI基薄膜,其变形能力均达到最大值,从而实现了正负复合薄膜悬臂梁的结构优化。