徐愛(ài)群，廖勝凱

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，杭州 310023)

微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器研究綜述

徐愛(ài)群，廖勝凱

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，杭州 310023)

對(duì)微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的組成材料、磁電效應(yīng)、智能構(gòu)件和微力產(chǎn)生與控制的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用背景進(jìn)行綜述，并重點(diǎn)就微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的微力產(chǎn)生方式進(jìn)行了評(píng)述。進(jìn)而結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀對(duì)微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用前景進(jìn)行展望，以期為微機(jī)電系統(tǒng)的精密加工裝備研究提供參考。

微動(dòng)力；微機(jī)電；微裝配；驅(qū)動(dòng)器；綜述

大多數(shù)微機(jī)電系統(tǒng)(microelectrical mechanical system，MEMS)由不同材料和不同加工方法的微小零件組成，隨著零件的不斷微小化，微系統(tǒng)的加工、裝配越來(lái)越困難。MEMS器件典型損壞的力大小為幾微牛(μN(yùn))，因此，研究加工、裝配過(guò)程中的精確微力控制技術(shù)，尋找合適的微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器，能減少精密加工及裝配中對(duì)零件的損壞，提高產(chǎn)品的合格率。

至今，人們已提出了多種形式的微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器，如基于靜電力、電磁力、壓電作用、熱膨脹和形狀記憶合金等工作機(jī)理的微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器。Arai等[1]提出了利用超磁致伸縮效應(yīng)為微驅(qū)動(dòng)器提供動(dòng)力的新概念，并在聚酰亞胺基片上沉積超磁致伸縮薄膜，制作了適合作為微驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力的懸臂梁原型機(jī)。李文軍等[2]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)中的微型電磁驅(qū)動(dòng)器，該微驅(qū)動(dòng)器主要由平面正方形線(xiàn)圈、彈性支撐和坡莫合金薄片構(gòu)成，當(dāng)平面線(xiàn)圈通入電流時(shí)，使薄膜合金薄片受到相應(yīng)電磁力的作用,可產(chǎn)生微驅(qū)動(dòng)力。綜觀微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的研究，大多利用功能材料和磁電效應(yīng)設(shè)計(jì)智能構(gòu)件，進(jìn)而對(duì)智能構(gòu)件進(jìn)行微力的產(chǎn)生和控制，按照要求制成微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器。本文著重介紹微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器組成材料、磁電效應(yīng)、智能構(gòu)件和微力產(chǎn)生與控制的研究現(xiàn)狀，進(jìn)而結(jié)合本課題組提出的微動(dòng)力構(gòu)件，對(duì)微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器研究進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1 對(duì)微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器組成材料的研究

1.1 對(duì)壓電陶瓷的研究

壓電陶瓷作為一種功能材料已經(jīng)越來(lái)越被人們所熟知。利用壓電陶瓷進(jìn)行微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究主要利用其兩個(gè)效應(yīng)，即壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。一些電介質(zhì)在一定的方向上受外力的作用而產(chǎn)生形變，電介質(zhì)的內(nèi)部會(huì)發(fā)生極化，這樣受外力的兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，這就是壓電效應(yīng)。1880年Curie兄弟首先在α石英晶體上發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)。1881年，Lippmann發(fā)現(xiàn)與之相反的現(xiàn)象，即電介質(zhì)受到電壓等電場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，這種現(xiàn)象就叫做逆壓電效應(yīng)[3]。如今，人們通過(guò)對(duì)壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的研究，已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出了多種微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器。但是，壓電陶瓷的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的發(fā)生和利用還受其他特性的影響。因此，人們對(duì)壓電陶瓷的其他特性進(jìn)行了研究。

在研究中發(fā)現(xiàn)，壓電陶瓷具有明顯的遲滯非線(xiàn)性。為了說(shuō)明壓電陶瓷的這種遲滯非線(xiàn)性，Yoo等[4]通過(guò)對(duì)壓電材料的內(nèi)部受應(yīng)力產(chǎn)生的極化現(xiàn)象進(jìn)行分析，最終得出遲滯非線(xiàn)性是由于各電偶極子的黏性不同所導(dǎo)致。為了減小壓電陶瓷的這種遲滯性，Jung等[5]對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器使用了一種開(kāi)環(huán)的控制方法，有效地減小了壓電陶瓷的遲滯現(xiàn)象，為后來(lái)的研究提供了借鑒。

由于壓電陶瓷的雙向機(jī)電耦合特性，利用有限元模型進(jìn)行分析比從機(jī)電耦合角度分析更加方便[6]，因此，很多對(duì)壓電陶瓷的分析研究采用了有限元分析方法。崔艷梅等[7]通過(guò)對(duì)壓電陶瓷的壓電方程的分析，建立了電場(chǎng)模式的模型，使用ANSYS對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行有限元分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果。梁磊等[8]采用有限元軟件ANSYS對(duì)PLZT進(jìn)行了特性分析，其中通過(guò)對(duì)5層和10層壓電疊堆進(jìn)行仿真，由于黏結(jié)層的變形，得到的輸出位移小于理論輸出值。

此外，對(duì)壓電陶瓷的特性研究還表明，壓電陶瓷具有諸多重要特性，如穩(wěn)定性好、壓電效應(yīng)強(qiáng)和頻率響應(yīng)好等。通過(guò)多年來(lái)對(duì)壓電陶瓷材料的研究，人們已經(jīng)逐漸發(fā)現(xiàn)和了解壓電陶瓷的相關(guān)特性，這為利用壓電陶瓷設(shè)計(jì)微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，豐富了壓電陶瓷在微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。

1.2 對(duì)超磁致伸縮材料的研究

1.知識(shí)的形成過(guò)程。教材中多體現(xiàn)的是結(jié)論或結(jié)果，知識(shí)形成的過(guò)程很少體現(xiàn)，思維型課堂要在傳授知識(shí)的過(guò)程中完成學(xué)生探究式學(xué)習(xí)，以及知識(shí)的自主建構(gòu)。

利用超磁致伸縮材料設(shè)計(jì)微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器主要是利用它的磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)是因?yàn)榇呕癄顟B(tài)的改變導(dǎo)致鐵磁材料的體積發(fā)生一定的變化，于1842年由著名物理學(xué)家Joule發(fā)現(xiàn)，故也稱(chēng)為焦耳效應(yīng)[9]。20世紀(jì)60年代初，一些重稀土元素被發(fā)現(xiàn)具有磁性，并且在低溫下體現(xiàn)出了磁致伸縮現(xiàn)象[10]。鐵磁材料不僅具有磁致伸縮效應(yīng)而且還具有逆磁致伸縮效應(yīng)，當(dāng)磁場(chǎng)確定時(shí)，超磁致伸縮材料受到外力的作用而形變，其內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象即為逆磁致伸縮效應(yīng)。為了進(jìn)一步利用這兩種效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器，人們對(duì)超磁致伸縮材料進(jìn)行了一系列研究。

為了提高超磁致伸縮材料的實(shí)用性，Clark等[11]通過(guò)不同元素組成化合物，降低化合物的磁晶各向異性提高了磁致伸縮值。Kellogg等[12]通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)壓應(yīng)力測(cè)試方法，對(duì)在一定范圍的壓應(yīng)力和磁場(chǎng)強(qiáng)度內(nèi)的Terfenol-D棒的楊氏模量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明Terfenol-D棒的楊氏模量受到應(yīng)力及磁場(chǎng)強(qiáng)度的作用會(huì)發(fā)生變化。提高磁致伸縮值和驗(yàn)證楊氏模量變化的研究為超磁致伸縮材料在微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。人們還對(duì)超磁致伸縮材料的其他特性進(jìn)行了研究。

Yamamoto等[13]研究了超磁致伸縮材料的磁致?lián)p耗，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)超磁致伸縮材料的預(yù)應(yīng)力增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料的機(jī)械能增加和超磁致伸縮性能提高。Jiang和Zhang等[14-15]對(duì)磁致伸縮材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模，用理論分析了在預(yù)應(yīng)力下的材料能量轉(zhuǎn)換，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明了高預(yù)應(yīng)力下會(huì)促使磁疇旋轉(zhuǎn)至垂直于預(yù)應(yīng)力軸向的平面。除了應(yīng)力等外界條件之外，溫度對(duì)超磁致伸縮材料也有影響，Liang等[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量證明了這一觀點(diǎn)。許多學(xué)者都對(duì)超磁致伸縮材料溫度控制進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了許多溫度控制系統(tǒng)，這為后來(lái)的研究提供了參考。

Ueno等[17]基于超磁致伸縮逆效應(yīng)，提出利用超磁致伸縮材料與永磁鐵及動(dòng)、靜鐵軛組成并聯(lián)的兩個(gè)磁回路，通過(guò)對(duì)超磁致伸縮材料施加載荷，改變動(dòng)鐵軛與靜鐵軛之間磁力的大小。實(shí)驗(yàn)采用幾種不同尺寸及相同尺寸不同材料的GMM做測(cè)試對(duì)比，施加應(yīng)力相同時(shí)，不同規(guī)格GMM對(duì)磁力的調(diào)控范圍不同。這說(shuō)明了磁力的調(diào)控范圍不僅受超磁致伸縮材料的應(yīng)力影響，本身的規(guī)格對(duì)磁力的輸出也有影響。

Zheng等[18]在Ueno等[19]實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)械效應(yīng)和磁路設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，建立了逆磁致伸縮效應(yīng)的磁力控制模型，得到了施加的預(yù)應(yīng)力和磁場(chǎng)對(duì)磁力輸出的遲滯關(guān)系，總結(jié)出了偏置磁場(chǎng)對(duì)磁力控制器件的作用。但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，模型的相關(guān)參數(shù)難以辨識(shí)。

通過(guò)對(duì)超磁致伸縮材料的研究，該材料的各種特性被逐步發(fā)掘，人們開(kāi)始利用它的相關(guān)特性進(jìn)行一系列微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究。

2 對(duì)磁電效應(yīng)的研究

在微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究中，很多微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器利用了材料的磁電效應(yīng)和逆磁電效應(yīng)。磁電效應(yīng)是指材料在外加磁場(chǎng)中發(fā)生電極化響應(yīng)的現(xiàn)象，磁電電壓系數(shù)αV=?V/?H，通常被用來(lái)表示磁電效應(yīng)的大小。逆磁電效應(yīng)是指材料在外加電場(chǎng)中發(fā)生磁化改變的現(xiàn)象，逆磁電系數(shù)αB=?B/?V通常被用來(lái)表示逆磁電效應(yīng)的大小[20]。1961年，人們?cè)贑r2O3中發(fā)現(xiàn)了磁電耦合效應(yīng)，為了增大單相材料的磁電耦合系數(shù)，研制出了磁電多鐵性復(fù)合材料，即電致伸縮效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)的利用和機(jī)械耦合[21]。最新研制出的磁電多鐵性復(fù)合材料比單相多鐵性材料的磁電耦合效應(yīng)要大3個(gè)數(shù)量級(jí)左右。對(duì)于磁電多鐵性復(fù)合材料，目前主要研究材料組合有：壓電陶瓷和鐵酸鹽；壓電陶瓷聚合物和Terfenol-D；壓電陶瓷和磁性金屬[22]。人們還對(duì)磁電耦合系數(shù)等進(jìn)行了研究。

劉強(qiáng)等[23]指出磁電復(fù)合材料的變形受相中材料的模量、界面性能、材料尺寸及邊界條件三方面的制約，并利用Comsol有限元軟件研究了材料的模量、界面性能、材料尺寸及邊界條件和黏結(jié)層厚度對(duì)磁電復(fù)合材料耦合效應(yīng)的關(guān)系。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：磁電耦合系數(shù)不僅受邊界約束及材料長(zhǎng)寬比的影響，還受黏結(jié)層厚度和楊氏模量的影響。為了進(jìn)一步研究磁致伸縮效應(yīng)，有學(xué)者將磁致伸縮效應(yīng)類(lèi)比壓電效應(yīng)，利用壓電方程中的電學(xué)量估計(jì)磁學(xué)量，通過(guò)有限元分析，得出類(lèi)比壓電效應(yīng)結(jié)果與實(shí)際相差很小的結(jié)論[24]。Galopin等[25]測(cè)試了有限元分析方法對(duì)多相塊體磁電復(fù)合材料耦合轉(zhuǎn)換特性的效果，表明以壓電線(xiàn)性本構(gòu)方程和磁致伸縮非線(xiàn)性方程為基礎(chǔ)的有限元分析方法切實(shí)可行。

Wan等[26]通過(guò)使用探測(cè)線(xiàn)圈測(cè)量了使用電場(chǎng)激勵(lì)的磁場(chǎng)變化量，并發(fā)現(xiàn)了磁電材料的輸入電場(chǎng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系——線(xiàn)性關(guān)系。還發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)偏置磁場(chǎng)中磁場(chǎng)的反應(yīng)靈敏度要高于動(dòng)態(tài)偏置磁場(chǎng)。因此，利用Pb(Zr, Ti)O3/Terfenol-D層狀磁電復(fù)合材料的逆磁電效應(yīng)，可用于探測(cè)直流磁場(chǎng)。

對(duì)磁電效應(yīng)和逆磁電效應(yīng)的相關(guān)研究，為磁電材料的應(yīng)用和發(fā)掘提供了基本的理論支撐，為微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了參考。與磁電效應(yīng)的研究相比，逆磁電效應(yīng)的研究相對(duì)較少，故逆磁電效應(yīng)在微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用較少。

3 對(duì)智能構(gòu)件的研究

微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器是智能構(gòu)件的重要形式之一，微驅(qū)動(dòng)從能量轉(zhuǎn)換形式看有多種形式，如靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)和熱驅(qū)動(dòng)等。壓電驅(qū)動(dòng)是其中重要的一種驅(qū)動(dòng)形式，其利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)，將微觀變形轉(zhuǎn)化成宏觀運(yùn)動(dòng)。它具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如控制方便、頻率響應(yīng)好、位移分辨率高、無(wú)噪聲、低電壓驅(qū)動(dòng)、無(wú)電磁干擾及易于微型化等的優(yōu)點(diǎn)[27]。

利用逆壓電效應(yīng)可制成壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，在精密驅(qū)動(dòng)等很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，壓電陶瓷執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式也不同，如薄膜型、疊堆型等。李國(guó)榮等[28]為了制作多層片式高含鉛PZT軟性壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器，采用壓電坯膜流延成型和陶瓷坯膜/金屬內(nèi)電極共燒技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)。在智能構(gòu)件的研究中，張翔等[29]通過(guò)分析超磁致伸縮材料的自身特性，根據(jù)需要確定了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)，設(shè)計(jì)出超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器并實(shí)現(xiàn)了對(duì)其控制。

其實(shí)，早在20世紀(jì)90年代，人們已開(kāi)始智能構(gòu)件的研究。Morita等[30]在1997年到2000年間分別研制出有一個(gè)柱狀定子換能器和兩個(gè)轉(zhuǎn)子的筒狀壓電驅(qū)動(dòng)器。在該壓電驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的極化方向?yàn)楸谕庵赶虮趦?nèi)，利用圓筒端面的行波驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終可提起10 g左右的物體。該驅(qū)動(dòng)器的研究為微機(jī)器人的發(fā)展提供了技術(shù)支持。

Burhanet等[31]利用壓電陶瓷的振動(dòng)模式，將金屬的懸臂梁轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)器的圓周旋轉(zhuǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研發(fā)了復(fù)合金屬和陶瓷的微驅(qū)動(dòng)器。隨著微驅(qū)動(dòng)器的不斷發(fā)展，在精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域同樣出現(xiàn)了很多新型微驅(qū)動(dòng)器。例如Lee等[32]制造了具有TbFe/Co/Dy三層結(jié)構(gòu)的薄膜式超磁致驅(qū)動(dòng)器,可用于微系統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)器利用薄膜式超磁致伸縮材料的堆疊，通過(guò)應(yīng)用超磁致伸縮材料的超磁致伸縮效應(yīng)最終實(shí)現(xiàn)了微驅(qū)動(dòng)。利用超磁致伸縮等智能材料進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器的研究還有很多，Cao等[33]設(shè)計(jì)了基于超磁致伸縮材料的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)微力的產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)。趙章榮等[34]提出了一種超磁致伸縮材料智能鏜桿構(gòu)件，研究解決了精密加工的位移控制技術(shù)，建立了超磁致伸縮材料智能鏜桿構(gòu)件的測(cè)試平臺(tái)。

微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器作為智能構(gòu)件的一種，是作用巨大的微型運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器,它是將電、光、熱等其他多種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能形式輸出的一種換能器,具有多種多樣的工作原理和不同的結(jié)構(gòu)形式。研究微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器，探索合適、高效的智能構(gòu)件對(duì)未來(lái)微機(jī)電行業(yè)的發(fā)展將起到巨大的推進(jìn)作用。

4 對(duì)微力產(chǎn)生與控制的研究

微力的產(chǎn)生與控制是微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的核心工作。隨著微機(jī)電系統(tǒng)零件的不斷微小化，MEMS器件典型損壞的力大小為幾微牛，因此，在微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)研究中，微力的輸出控制就顯得尤為重要，能夠得到合理的微力并且能精確控制微力的輸出對(duì)整個(gè)微裝配制造業(yè)具有重要的意義。因此，研究人員做了一系列關(guān)于微力產(chǎn)生和控制的研究。

盛陽(yáng)等[35]根據(jù)靜電場(chǎng)復(fù)現(xiàn)超微力的原理，設(shè)計(jì)了復(fù)現(xiàn)超微力的靜電力發(fā)生裝置，并在此基礎(chǔ)上提出了超微力發(fā)生系統(tǒng)。這種懸掛式靜電力發(fā)生裝置和系統(tǒng)，通過(guò)電容梯度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，可以產(chǎn)生μN(yùn)級(jí)的微力輸出。鄭雙等[36]提出了一種垂直微力發(fā)生裝置，為了產(chǎn)生μN(yùn)級(jí)的微力，采用柔性鉸鏈連接杠桿并傳遞微力，再利用二級(jí)杠桿達(dá)到一定的縮小比進(jìn)行力的縮小。這種裝置利用對(duì)稱(chēng)配重的差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，消除了重力場(chǎng)的影響，這種新型的微力產(chǎn)生方法結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于制造。但是，如何對(duì)微力的穩(wěn)定控制仍然是一大難題。Li等[37]用壓電驅(qū)動(dòng)器也能產(chǎn)生μN(yùn)級(jí)的微力，利用微懸臂梁的位移量，再通過(guò)彈性系數(shù)求出微力。這種方法由于微懸臂梁的位移測(cè)量的不準(zhǔn)確導(dǎo)致微力輸出的測(cè)量也有不確定性。Chu[38]利用靜電梳齒產(chǎn)生微力，這種方法雖然可以產(chǎn)生微力，但是在垂直方向力的標(biāo)定上具有一定困難，且操作不便，不易固定。郭琪等[39]通過(guò)對(duì)Helmholtz方程的研究，設(shè)計(jì)出利用Helmholtz線(xiàn)圈產(chǎn)生微力。

目前的微力控制策略一般是通過(guò)控制位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到預(yù)期的控制力大小，再通過(guò)控制位置進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。但是，在對(duì)位置有了確定點(diǎn)的精密組裝中，這種方法一般不太適用，這時(shí)候就需要在線(xiàn)解耦來(lái)進(jìn)行微力的控制。多變量的解耦方法有傳統(tǒng)解耦、魯棒解耦、自適應(yīng)解耦和智能解耦等方法[40]。雖然解耦方法有很多，但各自在應(yīng)用方面都有一定的局限性,目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種普遍適用的解耦方法。如何利用現(xiàn)有的宏觀領(lǐng)域中的解耦方法及理論對(duì)微力進(jìn)行解耦控制是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。

Eisinberg等[41]發(fā)現(xiàn)了一種微力測(cè)量的方法,利用半導(dǎo)體應(yīng)力計(jì)，采用PI控制來(lái)獲取相關(guān)醫(yī)療微器件。但是這種控制方法只能用于準(zhǔn)靜態(tài)操作頻率，而且控制的實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。Xu[42]提出了基于位置的滑模阻抗控制方法并進(jìn)行了驗(yàn)證，完成了對(duì)微球的夾持。Kim等[43]將電容性傳感器集成到夾持器上, 利用PID控制進(jìn)行細(xì)胞微夾持操作。Komati等[44]通過(guò)建立了柔性微器件與夾持器之間的力學(xué)關(guān)系模型并采用力/位混合的控制方法實(shí)現(xiàn)了自主控制。但是，這種控制方法由于力學(xué)模型的建立不準(zhǔn)確和力/位混合關(guān)系的遲滯，也不適合長(zhǎng)期使用和精確控制。

圖1 微動(dòng)力構(gòu)件原理圖Fig.1 Principle diagram of micro dynamic component

本課題組提出了一種新型利用壓電陶瓷和超磁致伸縮材料耦合作用的微動(dòng)力構(gòu)件，微動(dòng)力構(gòu)件由靜磁軛、移動(dòng)軛、永磁體和GMM與PZT組合材料構(gòu)成。永磁鐵與超磁致伸縮材料棒以及兩者兩端之間的靜磁軛組成磁回路Ⅰ；永磁鐵與兩端部分靜磁軛以及氣隙、移動(dòng)軛組成磁回路Ⅱ。如圖1所示，通過(guò)回路Ⅰ和回路Ⅱ磁通量的改變，最終控制微力的輸出大小。

在該微動(dòng)力構(gòu)件中，壓電陶瓷由電壓驅(qū)動(dòng)，當(dāng)對(duì)壓電陶瓷施加電壓時(shí)，其應(yīng)變會(huì)傳遞到與之串聯(lián)的超磁致伸縮棒，最終由磁路中磁通量的變化導(dǎo)致輸出微力的變化，整個(gè)過(guò)程中幾乎無(wú)能量消耗也不產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，特別適用于需要保持穩(wěn)定微力的微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器。

5 研究展望

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)中微力的輸出研究已經(jīng)變得愈來(lái)愈重要，尤其是微尺度下構(gòu)件的力學(xué)特性研究。對(duì)微力的輸出力學(xué)特性研究有助于提高輸出微力的穩(wěn)定性和對(duì)微力的精確控制。隨著微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器種類(lèi)的增加，各種微動(dòng)力微驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的發(fā)展，會(huì)在很大程度上促進(jìn)微裝配和微操作的發(fā)展，以提高微機(jī)電系統(tǒng)的工作效率。

微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用技術(shù)目前仍處于發(fā)展階段，相關(guān)的理論尚不完善、方法還不全面。未來(lái)應(yīng)在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究由多個(gè)微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器來(lái)建立微力操縱場(chǎng)的方法，研究微小物體在微力場(chǎng)中的動(dòng)力、傳輸及控制方式，以及研究如何協(xié)同控制各微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的輸出力大小，進(jìn)而在微力場(chǎng)中完成微小物體的非接觸式傳輸或利用可控微力進(jìn)行加工和裝配工作，這將為微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用提供巨大的動(dòng)力。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文從組成材料、磁電效應(yīng)、智能構(gòu)件、微力輸出和控制四個(gè)方面綜述微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的研究進(jìn)展，由于微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器在微機(jī)電系統(tǒng)中的重要作用，對(duì)它的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱門(mén)。未來(lái)應(yīng)該在各種微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器特性研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究微力的大小、精度和控制方法，以確保微動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定工作，提高微機(jī)電系統(tǒng)的加工效率。

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Review of research on micro dynamic driver

XU Aiqun，LIAO Shengkai

(School of Mechanical and Automotive Engineering,Zhejiang University of Science and Technology,Hangzhou 310023,China)

The domestic and foreign research status and the application background on materials,magnetoelectric effect, intelligent component and micro force generation and control about the micro dynamic driver are summarized,focusing on the micro dynamic device of micro force generation ways.Furthermore,combining the research of microelectrical mechanical systems(MEMS),we expect the application prospect of micro dynamic driver to provide the reference for the study on precision machining of micro mechanical system.

micro dynamic；microelectrical mechanical system(MEMS);micro assembly;driver;review

10.3969/j.issn.1671-8798.2016.06.002

2016-12-12

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY14E050016)；浙江科技學(xué)院研究生教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2016yjsjg01)；浙江科技學(xué)院研究生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015YJSKC004)

徐愛(ài)群(1968— )，男，浙江省龍游人，教授，博士，主要從事微機(jī)電系統(tǒng)研究。

TH703.8

A

1671-8798(2016)06-0420-07