[发明专利]基于反铁电厚膜场致相变应变效应的微悬臂梁驱动构件

说明书

技术领域

本发明涉及微执行器的驱动构件，具体为一种基于反铁电厚膜场致相变应变效应的微悬臂梁驱动构件。

背景技术

微机电系统(MEMS)是应用现代信息技术最新成果而发展起来的一个多学科交叉的前沿研究领域，高度智能化、集成化的微机电系统的实现必然依赖于基于新材料、新技术、新原理、新效应的微构件和微器件系统的创新性探索与开发。微执行器作为MEMS中的核心可动部件，其主要是利用不同的能量转换机制，来实现特定行为的动作功能，既可构成微机械的动力部分，亦可成为微机械的操作或执行机构，其动作范围的大小、动作效率的高低、动作的可靠性等技术指标决定了系统的成败。

目前，微执行器的种类主要包括应用于流体控制的微泵、微阀，光机电系统的可调微镜、光开关，以及机电领域的微马达、微位移器、微继电器、微型镊子等。微执行器的驱动方式主要涉及有静电式、电磁/磁致伸缩式、压电/电致伸缩式、以及形状记忆合金膜片式等。静电式驱动器存在驱动电压高、驱动力小的不足，需要非常精密的设计和加工才能制造出狭小的空隙以产生较高的驱动力；电磁/磁致伸缩式驱动器在微线圈的微加工以及磁铁、导电、绝缘材料等的排布上，存在着相当大的制造工艺难度；形状记忆合金(TiNi、CuAlNi和CuZnAl合金等)由于其具有很强的能量存储和传输能力，使其在微泵、微流量计、微型镊子等微执行器中得以应用，但其低的响应速度大大影响了执行效率。压电/电致伸缩式驱动是利用压电材料(PbZr_xTi_1-xO₃、ZnO等)的逆压电效应，在施加电场的瞬间，使材料产生可控的应变而实现的一种驱动方式。压电/电致伸缩式驱动元件具有体积小、分辨率高、响应速度快、不发热、低能耗、无电磁干扰和输入/输出为线性等独特优点而倍受关注，但低的输出位移量一直阻碍着该类驱动方式的广泛应用。

而近年来，反铁电功能材料由于其奇异的相变行为特性和潜在的应用背景，格外受到众多研究学者的青睐。对于反铁电材料而言，在反铁电态(AFE)转变为铁电态(FE)的相界附近，具有丰富的结构相，在外加电场的作用下，可以诱导产生AFE-FE相变效应，由于铁电相材料的元胞体积比反铁电相材料大，因此在发生相变的同时，伴随着材料体积的变化，从而引起材料的场致应变效应。反铁电材料的这种场致应变效应所产生的应变量可高达0.8％以上，在很大程度上优于压电材料的逆压电效应，如W.Y.Pan等在研究(Pb，La)(Zr，Sn，Ti)O₃反铁电陶瓷的AFE-FE相变时，测得其应变量达0.85％，B.M.Xu等研究报道La或Nb掺杂优化的Pb(Zr，Sn，Ti)O₃反铁电薄膜和厚膜材料的相变应变量也分别可以达到0.42％和0.48％，而典型的PZT弛豫型铁电陶瓷由逆压电效应引起的应变量一般仅有0.1％左右。同时，反铁电材料的相变行为可以通过外加电场来调控，相变引起的极化强度变化和纵向应变属于跃变行为，相变应变效应具有良好的可开关特性，且开关响应速度快，W.Y.Pan等研究表明(Pb，La)(Zr，Sn，Ti)O₃反铁电陶瓷块体材料的相变开关时间约为2μs，而对于(Pb，La)(Zr，Sn，Ti)O₃反铁电薄膜材料的响应速度则更快，可以达到300ns量级以内。因此，如何将反铁电功能材料应用于微执行器的驱动构件，成为目前众多研究学者的重点研究课题。

发明内容

本发明为了解决现有微执行器的驱动构件存在驱动电压高、响应速度慢、响应频率低、驱动位移小、制造工艺复杂以及控制精度低等技术瓶颈问题，提供了一种具有快速响应和大位移量特性的基于反铁电厚膜场致相变应变效应的微悬臂梁驱动构件。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于反铁电厚膜场致相变应变效应的微悬臂梁驱动构件，按照如下工艺步骤加工制造：

①以溶胶-凝胶工艺技术配制浓度为0.2mol/l～0.6mol/l的铅基反铁电材料前躯体溶胶、以及浓度为0.2mol/l～0.4mol/l的PbO溶胶；所述溶胶-凝胶工艺技术是公知技术，如何配制所需浓度的铅基反铁电材料溶胶和PbO溶胶对于本技术领域的技术人员来说是公知的；