بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

مروری بر کاربردهای مواد مگنتواستریکتیو در سیستم هایMEMS

مگنتواستریکشن تغییر شکل ظاهری در موادی است که تحت میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند. تغییرات مگنتواستریکشن ناشی از تغییر جهت حوزه های کوچک مغناطیسی است. این تغییرات نتیجه کرنش های داخلی در ساختار ماده است. در این مقاله موادمگنتواستریکتیو و روابط حاکم بر انها و نیز اثر های مگنتواستریکشن ارائه می شوندو همچنین نمونه هایی از کاربرد مواد مگنتواستریکتیو از قبیل عملگر جرمی واکنشی، عملگر استانداردTerfenol-Dموتور خطی بر پایهTerfenol-D موتور حلزونی(، موتور بی سیمTerfenol-Dعملگر هیدرولیکیTerfenol-میکروموتور خطی وایرلس، کاربردهای فیلم مگنتواستریکتیو، حس گر پیچشی بدون تماس مگنتواستریکتیو و برخی دیگر از کاربردها آمده است.این مطالعه ویؤگی های منحصر به فردی که بوسیله مواد مگنتواستریکتیو بدست آمده است را بررسی می کند
١- مقدمه
مگنتو استريکشن ، تغيير ظاهري در موادي است که تحت تاثير يک ميدان مغناطيسي خارجي قرار مي گيرند. اثر مگنتو استريکتيو، براي اولين بار در قرن نوزدهم (١٤٨١) بوسيله فيزيکدان انگليسي جيمز ژول مورد بحث قرار گرفت . او مشاهده کرد که يک نمونه مواد فرو مغناطيس تحت ميدان مغناطيسي تغيير طول مي دهند. اين تغييرات در راستاي ميدان مغناطيسي، نتيجه چرخش حوزه هاي کوچک مغناطيسي است .
اين چرخش و نامنظم بودن حوزه هاي مغناطيسي باعث مي شود که کرنش هاي داخلي در ساختار ماده پديد آيد.
ميدان مغناطيسي قوي تر باعث مي شود که حوزه هاي مغناطيسي در جهت ميدان مغناطيسي قرار گرفته و اين فرايند تا زماني که تمام حوزه هاي مغناطيسي هم جهت شوند ادامه مي يابد تا به حالت اشباع ( saturation point) برسد[١]. مواد مگنتواستريکتيو موادي هستند که در اثر اعمال ميدان مغناطيسي تغيير شکل مي دهند يا زماني که دچار تغيير شکل مي شوند، ميدان مغناطيسي توليد مي کنند. شکل (١) تغييرات طولي تحت تاثير ميدان مغناطيسي را نشان مي دهد ( کرنش برحسب ميدان مغناطيسي)[١]. رفتار مواد مگنتو استريکتيو در کاربرد هاي مختلف بسيار پيچيده است . زيرا وقتي که شرايط تغيير مي کند باعث تغييرات در خواص مواد مي شود. شکل (١) تغييرات طول را تحت واکنش ميدان مغناطيسي نشان مي دهد . وقتي که ميدان مغناطيسي درجهت مخالف برقرار مي شود، ميدان مغناطيسي منفي حاصل مي شود، اما اين ميدان منفي همان تغيير طولي را به دنبال دارد که ميدان مغناطيسي درجهت موافق ( مثبت ) اعمال مي شود. به عبارت ديگر، تغيير طول چه در جهت مثبت و چه در جهت منفي ميدان مغناطيسي يکي است . اين نمودار به نمودار پروانه اي معروف است [١].



٢- اثرات مگنتواستريکشن
کريستال هاي مواد فرو مغناطيس شکل خود را زماني که در ميدان مغناطيسي قرار مي گيرند، تغيير مي دهند. اين پديده مگنتو استريکشن ناميده مي شود. [١,٧] مگنتواستريکشن به طور معمول تبادل برگشت پذير انرژي بين فرم مکانيکي و فرم مغناطيسي است . اين توانايي تبديل ميزان انرژي بين يک حالت و حالت هاي ديگر اجازه استفاده ازاين مواد در کاربردهاي مختلف را داده است .
٢-١- اثر ژول
يکي از مهمترين اثرات مگنتو استريکتو اثر ژول است که مي توان بعنوان انبساط و انقباض از آن نام برد. در واقع تغيير شکلي که در اثر اعمال ميدان مغناطيسي حاصل مي شود به اثر ژول معروف است . اين اثر عمدتاК در عملگرها استفاده مي شود. اثر ژول يکي از ويژگي هاي برگشت پذير مواد است . پس از حذف ميدان مغناطيسي شکل نمونه به اندازه اصلي خود بر مي گردد . اين افزايش کرنش طولي يا جانبي با ميدان مغناطيسي متناسب است .
٢-٢- اثر ويلاري
اين اثر بر اين اصل استوار است که وقتي يک تنش مکانيکي به نمونه اعمال مي شود، تغييراتي در چگالي شار مغناطيسي اعمال مي شود و وقتي شار جاري شد، ميدان مغناطيسي ايجاد مي شود. تغيرات در چگالي شار مغناطيسي مي تواند توسط يک کويل ايجاد مي شود و اين با تنش اعمالي متناسب است . اثر ويلاري خاصيتي برگشت پذير است و در سنسور ها مورد استفاده قرار مي گيرد. [١]
٢-٣- اثر
اثر تغييرات مدول يانگ در ميدان مغناطيسي اعمالي است . ميزان در Terfenol-D در محدوده ي بيشتر از ٥ است و در ارتعاشات منظم و سيستم هاي سنسوري بکارگرفته شود. وقتي مدول يانگ تغيير مي کند تغييراتي در سرعت صوت درون مواد مگنتو استريکتيو اتفاق مي افتد که قابل اندازه گيري است . [١]
٢-٤- اثر ويدمن
شکل فيزيکي اين اثر شبيه به اثر ژول است ، اما به جاي کشش خالص يا کرنش فشاري، در نتيجه ميدان مغناطيسي، کرنش برشي که نتيجه تغيير شکل پيچشي نمونه فرو مغناطيس است مد نظر قرار مي گيرد. [١]
٢-٥- اثر متيوسي
عکس اثر ويدمن ، اثر متيوسي است .
تغذيه جريان تناوبي روي کويل ، يک ميدان مغناطيسي طولي را در نمونه ايجاد مي کند که اين تغذيه جريان در سيم پيچ ها باعث توليد چگالي شار مغناطيسي مي شود. چگالي شار مغناطيسي تناوبي مي تواند بوسيله يک کويل ديگر نشان داده شود. در واقع سيم پيچ گيرنده ، ميزان تغييرات چگالي شار مغناطيسي را حول محور افقي اندازه مي گيرد.
پيچش درنمونه فرومغناطيسي تغييراتي را در خاصيت مغناطيسي نمونه بوجود مي آوردکه نتيجه اش تغيير در چگالي شار مغناطيسي است .
با تغييرات خواص مغناطيسي با اتغستيفيارداه ت اتنزش سيبم رشي پيچ مي گيتورنادند ارزيابي و گشت آوري که بکاربرده شده مي تواند محاسبه گردد. اين اثر مي تواند در سنسور ها مورد استفاده قرار گيرد. [١]
٢-٦- اثر برت
بطور مسلم در شرايط عملکردي گسترده ، حجم ماده مي تواند تحت واکنش ميدان مغناطيسي تغيير کند که در نزديکي دماي کوري به حداکثر مقدار خود مي رسد. براي نمونه تغييرات نسبي حجم نيکل در ٤٠
است . اين تغييرات حجم در مقابل ميدان مغناطيسي خيلي ناچيز است و در شرايط معمولي قابل صرف نظر کردن مي باشد. [٦] اثر معکوس برت اثر نگئوکا- هوندا است .
٢-٧- اثر نگئوکا-هوندا
در اين اثر، تغييراتي در وضعيت مغناطيسي به دليل تغييرات حجم نمونه در نتيجه فشارهيدرو استاتيک اتفاق مي افتد. در شرايط عملکردي ايده ال اين اثر و تغييرات حجم در صمعنمعوت لا مداز نظ١ر قارثارر ژنومل ي گويرود [ي١]لاري اثسرتفاات ده ژوول سيوعيويملايريشوبدا. استفاده از شفورمندول : هاي[٩]ساختاري زير مشخص مي (اثر ويلاري) که B) چگالي شار مغناطيسي ، *d) ثابت مگنتواستريکتيو ، تنش ورودي نفوذپذيري مغناطيسي است .
) کرنش مکانيکي، sH) عکس مدول يانگ ، d) ثابت مگنتواستريکتيو ، (H= NI.L) ميدان مغناطيسي است .
در رابطه ميدان مغناطيسي N) تعداد دورهاي سيم پيچ ، I) شدت جريان الکتريکي و L طول سيم پيچ است .
,sH, d,d* بعنوان کميت هاي عددي براي نمونه رفتار مي کنند.
جدول (١) خلاصه اي از خواص مواد مختلف و ساختار آنها در حالت نرمال معرفي کرده است و مقايسه اي بين برخي مواد مورد استفاده در سنسور ها را نشان مي دهد. در ادامه از ماده ي Tefenol-D استفاده خواهيم کرد و ويژگي هاي آن رادر کاربردهاي مختلف بعنوان يک ماده معتبر براي نقطه شروع در نظر مي گيريم . [٨,٥,٦,٧]

٣- اصطلاح GMM و جزييات آن
توسعه (GMM)Giant magnetostrictive material(
)از سال ١٣٦٠ بوسيله کلارک ( .A.E Clark) و ديگرمحققان شروع شد -Tefenol Dيک آلياژ از خانواده لانتانيدها (تربيم ، ديسپروزيم در دماي بسيار پايين نزديک به صفر مطلق ) است و اين آلياژ ترکيبي از تربيم ، آهن و ديسپروزيم است . NOL (Naval Ordrer Laboratory) است . [١] Tefenol-D در سال ١٣٧٠ توسط يک تيم تحقيقاتي به سرپرستي A.E Clark در NOL کشف شد. يکي از اولين کاربردهاي Tefenol-D عملکرد خوبش در سنسور هاست . Tefenol-D قابليت کرنش بين ppm١٠٠٠-١٠٠٠ در KA.m١٠٠-٥٠ را در مواد حجيم دارد [٤]و در حدود ppm٨٠٠٠[٨٣] در فرکانس روزنانس مکانيکي در ميدان مغناطيس هاي بالاتر. در شکل (٥) محدوده کلي تغيير طول در طول هاي مختلف ميله مگنتواستريکتيو مشخص شده است .


T erfen o l-D با پارامتر کرنش [١] در دستگاه هايي که از خواص انبساطي Terfenol-D استفاده مي کنند با استفاده از خواص مغناطيسي و مکانيکي اوليه (Magnetic and mechanical bias) و بدست آوردن يک وضعيت ثابت براي شروع حوزه هاي خطي در منحني هاي بعميلشکتردين ي مکوراندش امسفتيدفادمه گنمتيو کانلانسدت.يک ، تيعکرييف از خپراورجايمترهاميکانکيلکييدي براي عملگرهاي مگنتواستريکتيو است . در مقايسه با ديگر مواد مگنتو استريکتيو، Terfenol-D رفتار خوبي در کرنش ها و دماي کوري بالا نشان داده است و در محدوده وسيعي از دما قابل استفاده است . مگنتو استريکشن در ماده فقط در پايين تر از دماي کوري اتفاق مي افتد، اما معمولا دماي کوري پايين تر از درجه حرارت محيط است و باعث مي شود که اثر مگنتواستريکتيو مقدار کوچکي در عمل داشته باشد. در جدول (٩) کرنش ها براي برخي مواد مختلف با هم مقايسه شده است . [١٠,١١] با فرکانس بالا (بيشتر از KHz١) بکار مي رود.
روش هاي جديد و بهينه سازي هاي نوين مثل جامد سازي مستقيم و متالوژي پودر درتوليدات با حجم بالا و اقتصاد بهينه اثربخش هستند. Tefenol-D در کشش بسيار ترد و شکننده هستند . استحکام کششي آن در مقايسه با استحکام فشاري بسيار پايين است . چگالي اين ماده خيلي بالاتر از چگالي فولاد است و در حدود kg.m٣١٥٠٩ است .
٣-٢- مدول لانگ
بسياري از ويژگي هاي Tefenol-D در طول سيکل عملکردي ثابت نيستند .
يکي از اين ويژگي ها مدول يانگ ماغسنت ا.طياسيين تغيبيصروارت ت تقريخبطاي با متيغدييان ر مي کند. در شکل (٨) اثر نمايش داده شده است . مدول يانگ در يک شار مغناطيسي ثابت بصورت زير مطرح
مي شود :
در اين فرمول ، بصورت تئوري مي توان حالتي را در نظر گرفت که مدول يانگ در شار مغناطيسي ثابت ، به بسمت بي نهايت ميل مي کند، وجود دارد وقتي که اين خاصيت در يک نمونه Tefenol-D اتفاق بيفتد به آن حالت قفل (blocked state) گفته مي شود که در اين حالت هيچ گونه چرخشي در حوزه هاي مغناطيسي وجود ندارد [١٩] . کميت K در قسمت ٩-١ توضيح داده خواهد شد.

٣ -٣ - ضريب کوپلينگ مگنتومکانيکال
(K)
در کاربردهاي مبدل ها انرژي مغناطيسي به انرژي مکانيکي تبديل مي شود. ميزان بازده فرايند تبديل انرژي بوسيله فاکتور کوپلينگ مگنتومکانيک کنترل مي شود. به عبارت ديگر ميزان تبديل انرژي مکانيکي به مغناطيسي و بالعکس ضريب کوپلينگ مگنتومکانيکال ناميده مي شود. مقدار اين فاکتور در Terfenol-D معمولا بين ٠.٥ تا ٠.٧ است [١٩]. اين فاکتور در کاربردهايي که فقط کشيدگي در راستاي طول مهم است حائز اهميت است . در شکل (٥) ، ضريب کوپلينگ بصورت گرافيکي نشان داده شده است .
در قستي از نمودار ، شيب زياد است و رابطه بين کرنش و ميدان مغناطيسي تقريبا خطي است . اين ناحيه قابل بهينه سازي است و براي تبديل خاصيت مغناطيسي به مکانيکي ترجيح داده مي شود. (بخاطر کم شدن اتلافات و هم چنين بخاطر اينکه رابطه خطي در اين ناحيه برقرار است ) شيب خط معرف ثابت مگنتواستريکتيو (d) است . در رابطه (٨) فاکتور کوپلينگ مگنتومکانيکال بصورت تئوري آورده شده است .

که در اين رابطه، ) مدول يانگ ضريب مگنتواستريکتيو و ) ضريب کوپلينگ است .
٣-٤- فاکتور کيفيت
در شرايط شبه استاتيک و با فرض پيش تنش صفر و ارتباط خطي بين کرنش و ميدان مغناطيسي کرنش بدين
گونه تعريف مي شود :

ضريب d33 معمولا براي بسياري از فرکانس ها ، ثابت است ، به هر حال وقتي که فرکانس به يک مقدار مشخص مي رسد(در نزديکي فرکانس رزونانس ) باعث مي شود دامنه ارتعاش نمونه بصورت ناگهاني افزايش يابد. اين حالت براي نمونه Tefenol-D بايد در حالت ارتعاش آزاد بررسي شود. [٤]
بنابراين در کاربردهاي عملگرها بايد عملگر بدون بارگذاري باشد.
کرنش در حالت رزونانس خيلي بالاتر از حالت شبه استاتيک است . کرنش در حالت رزونانس برابر است .

Qm فاکتور کيفيت (Quality Factor) گفته مي شود .(فاکتور افزايش کرنش در حال رزونانس اول که بيشتر از کرنش در حالت شبه اساتيک است ) در حالتي که ارتعاش عملگر بصورت کاملا آزاد پايان مي پذيرد فاکتور کيفيت باعث تلفات مکانيکي در درون ماده مي شود و مقدار آن برابراست با . اين فاکتور کيفيت در مواد بين محدوده ٩-١٠ است . [٨,١٨] از طرفي وقتي بارگذاري صورت مي گيرد، نمونه Tefenol-D با يک مقاومت در برابر حرکت آزاد مواجه مي شود (به دليل شرايط محيطي و ويژگي دمپينگ که به ارتعاش اضافه مي شود و به مقدار کاهش مي يابد.)
٣-٥- نيروي قفل
بيشترين مقدار نيروي قابل دسترسي(Blocked force) نيروي قفل ناميده مي شود. به عنوان مثال ارتباط نيرو تغييرمکان در حالت الاستيک بصورت زير است :
که Sm) سختي المان نمونه ، ) تغيير طول است .
(4)
SmEH.A
L
با ترکيب معادلات بالا و جايگزيني سختي و کرنش مگنتواستريکتيو (  ) معادلهاي به ما مي دهد که Blocked Force را تعريف مي کند:
FBHA.EH.mHax (3)
نيروي Blocked Force به ماکزيمم مقدار کرنش مگنتواستريکتيو اشاره دارد و در شدت ميدان مغناطيسي بسيار زياد اتفاق ميافتد ( ma). با توجه به اين رابطه Blocked Force متناسب است با مدول يانگ و ماکزيمم کرنش در ميدان مغناطيسي اعمالي. به هر حال Blocked Force مي تواند براي هر مقدار ميدان مغناطيسي محاسبه شود. Blocked Force با ميلههاي Terfenol-D با قطر 10mm و با ميدان مغناطيسي مناسب در حدود (N)11.000 قابل دسترسي هستند. [١٥]
٤ت-مام بهيخنوهاصسيازيکهکرددرن بالا بحث شد.
تغييرات زيادي به دليل تغيير شرايط عملکردي در سيکل ها دارند.
براي رسيدن به وضعيت مطلوب ، دقت ، کنترل خوب و چگالي توان بالا، شرايطي براي بهينه سازي وجود دارد.
يکي از اين شرايط بهينه سازي، بوجود آوردن يک ميدان مغناطيسي با تأثير يکنواخت با استفاده از خاصيت مغناطيسي پايدار (يکنواخت ) است .(Permanent Magnet) بدين خاطر در ناحيهاي از نمودار عملکردي (Performance Curve) ناحيهاي که شيب ماکزيمم مقدار است بهينه سازي مورد استفاده قرار مي گيرد. اين ناحيه در شکل (٧) نشان داده شده است .
ميزان پيش مغناطيس (Pre-Magnetization) به طراحي وابسته بوده و در محدوده از KA.m١٠ تا KA.m١٠٠ است . [٥،٨]
پيش تنش مغناطيسي مي تواند دليل چرخش حوزه هاي مغناطيسي در مسيري که حوزه ها بصورت عمودي (ستوني) هم جهت مي شوند، باشد. با اين تنش هاي اعمالي، هر چند توضيحي براي اينکه چرا فاکتور مکانيکي خالص تأثيري برروي
پديده مغناطيسي ندارد، نداريم . به هر حال اگر درست باشد و حوزه هاي مغناطيسي بتواند در راستاي تنش ها بصورت عمودي هم جهت شوند ميدان مغناطيسي اعمالي کمي افزايش مي يابد که باعث افزايش کرنش مگنتواستريکتيو خواهد شد و اين اثر بوسيله آزمايش تأييد شده است .
با فراهم کردن پيش تنش مکانيکي( Pre-Stress) که زياد بزرگ نيست ، مشاهده مي شود که کرنش هاي مگنتواستريکتيو مي توانند در محدوده هاي ميدان مغناطيسي ثابت افزايش يابند. در شکل (٤) اين موضوع براي Terfenol-D نشان داده شده است .
در مقادير پيش تنش هاي بزرگتر، اثر ديگري مشاهده مي شود. براي پيش تنش هاي خيلي بزرگ ، کرنش مگنتواستريکتيو شروع به کوچک شدن ميکنند. در واقع براي پيش تنش يک مقدار (obt) بهينه وجود دارد که نمودارهاي پروانهاي کرنش رادر برابر ميدان مغناطيسي اعمالي نشان مي دهد. درواقع ، وابستگي براي انتخاب Magnetic bias و پيش تنش مکانيکي وجود دارد و انتخاب اين دو فاکتور مورد مطالعه بسياري از محققان قرار گرفته که در مرجع شماره [١٧,١٤] آمده است . بهينهسازي - هاي بيشتر، مربوط به انتخاب روش ساخت است و ترم هايي براي استفاده از طرح بندي خاص براي ترانس ديوسر ها ممکن ساخته است و اين موضوع به موقعيت دقيق کويل فعال و خاصيت مغناطيسي پايدار در ترانس ديوسرها وابسته است . طرح بنديهاي معمول در جدول (٨) آمده است . (بصورت نموداري) و مزايا و معايت آنها در اين جدول مقايسه شده است .
٥- کاربردهاي Terfenol-D
تکنولوژي مگنتواستريکتيو در توليدات با حجم بالا و پايين به کارگرفته شده است . اثرات مگنتواستريکتيو که در قسمتهاي پيشين بحث شد، براي کاربردهاي مختلف Terfonol-D و ساير مواد مگنتواستريکتيو مورد استفاده قرار مي گيرد. دو زمينهي اصلي کاربردهاي TerfonolD در عملگرها و حسگرها است .

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید