NEMS外场驱动微电机研究进展

2019年第47卷第3期

T

综　述echnical review

曹富林等　

NEMS 外场驱动微电机研究进展

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　收稿日期:2018-04-26

NEMS 外场驱动微电机研究进展

曹富林,许立忠

(燕山大学,秦皇岛066004)

摘　要:按照外场驱动微电机的驱动机制进行分类,简要介绍了各类微电机的制造工艺及应用前景,综述了各类微电机的研究与应用现状㊂指出了当前外场驱动微电机领域的研究热点,分析了微电机在实际应用中存在的困难㊂展望了外场驱动微电机未来的发展趋势及应用前景㊂

关键词:微纳米电机;纳机电系统;外场驱动;微电机;发展趋势;应用前景

中图分类号:TM359.9 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2019)03-0077-05

Advances in Research of NEMS Field-Driven Micromotors

CAO Fu -lin ,XU Li -zhong

(Yanshan University,Qinhuangdao,066004,China)

Abstract :According to the drive mechanism of the micromotor driven by the external field,the classification and the

manufacturing process and application prospect of various micromotors were briefly introduced.The research and application status of various micromotors were summarized.The current research hotspots of micro-motor driven by the external field were pointed out,and the difficulties in the practical application of the micro-motor were analyzed.The future development trend and application prospects of field-driven micromotors were forecasted.Key words :micro nano motor,nano electro mechanical system (NEMS),external field driven,micro motor,devel⁃

opment trend,application prospect

0　引　言

各种新材料技术㊁微纳加工技术㊁传统机械的学科交叉,为纳机电系统(以下简称NEMS)微电机的发展注入了动力㊂微电机可利用内部化学燃料通过催化反应实现驱动;此外,尚可通过外部能量实现驱动,可借助于磁场㊁声场㊁电场㊁光场以及多场混合等外场方式产生驱动力㊂微电机在生物医学㊁航空航天以及通信工程中具有重要的应用,特别是在生物领域的应用尤为广泛,可以实现药物的定向投放,精密手术以及生物传感等功能㊂

1987年,加州大学伯克利分校以硅为原材料,

利用微加工技术制造出可转动微电机[1],此后各种尺寸㊁性能和驱动机制的新型微/纳米电机不断地被

研制成功㊂微电机能够实现多种形式的机械运动,例如旋转㊁滚动㊁穿梭和输送等;通常由复合材料制成,例如硅基材料㊁聚合物以及合金等,尺寸范围为微米级至纳米级;形状多样,包括线状㊁球状以及管状等㊂本文将按驱动机制对微电机进行分类,总结微电机的研究现状并展望其发展前景,为微电机的进一步发展提供借鉴㊂

1　微电机类型

1.1　磁驱动微纳米电机

磁驱动微电机的动力是由电流产生的磁场或者磁性材料提供的㊂与其他推动机制相比,磁驱动具有良好的生物相容性和对细胞无损的能量传输机制,是微纳米电机最具前途的驱动方法之一㊂因为微电机的运动是通过外部磁场控制的,故不需要任何燃料,并且具有输出力大,输入阻抗低,驱动电压小等特点㊂电磁式微电机通常由电导体或线圈系统,软磁或硬磁材料以及绝缘和嵌入电介质组成,目前已知的磁性材料主要包括铁㊁钴㊁镍及其合金等㊂

与其他材料相比,金属镍是微纳米电机制造中应用最为广泛的,镍可以通过微电铸㊁蒸发镀或者磁控溅射的方式获得㊂微电机的运动取决于磁力的大小和方向,总体结构尺寸通常在几厘米的范围内,而执行结构在微米范围内㊂电磁式微电机按照运动输出的

形式可分为线性微电机和旋转微电机㊂

2007年,德国布伦瑞克工业大学研制出第一代

集成可变磁阻线性微电机,由定子极和移动极两部分组成,如图1所示㊂其磁通量是由缠绕在定子磁极周围的三维线圈在平面内产生的,移动梳形磁极在定子磁极之间,其两侧被电磁力吸引,移动极产生直线

运动[2]㊂该微电机由紫外光刻㊁电铸和注塑技术制造

T综　述

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曹

富

林

等　

NEMS 外场驱动微电机研究进展 78　而成,整体外廓尺寸为10mm×12mm,梳齿间隙仅为

100μm,输出力可达4mN㊂2008年,布伦瑞克工业大学在线性微电机的基础上提出一种旋转步进可变磁阻微电机,驱动原理与线性微电机相似,同样利用磁极对的相互吸引提供动力,该电机能够实现最低16.7μm的微小步幅,最大转矩达到0.3μN㊃m[3]㊂

图1　集成可变磁阻线性微电机[2] 2010年,Gao等[4]采用电化学沉积法制造出纳

米线微电机,首先通过微电铸制造出由Au-Ag-Ni 组成的纳米线,继而通过化学腐蚀去除部分银,减小银纳米线的直径,制造出一种鞭毛型结构,如图2所

示,通过外部磁场驱动微电机尾部的镍旋转,

从而推

图2　纳米线微电机及驱动示意图[4]

动微电机的运动㊂通过仿照细菌的螺旋运动方式, Berg H C等[5]成功将磁场驱动应用于微螺旋结构㊂磁致驱动螺旋微纳米电机可适应复杂环境,易于控制,在生命科学领域展现出很大的潜力㊂2013年, Li等[6]采用模板辅助电沉积技术制造出直径100 nm,长度为600nm的螺旋纳米电机,如图3所示,通过将Pd/Cu纳米棒模板电沉积到纳米多孔膜模板中,然后除去Cu,并用磁性Ni层电子束涂覆所得到的Pd纳米片来制备Pd螺旋纳米结构,该方法具有制作效率高,成本低廉的优点㊂近来,开始有学者

(a)(b)

(c)

图3　螺旋纳米电机[7]采用微生物作为模板应用到微纳米电机的制造中㊂2014年,Gao等[7]以一种植物纤维为材料,成功地制造出螺旋微电机,把植物的叶片切开后平铺到玻璃基底上,采用气相沉积法使Ti和Ni沉积于螺旋植物纤维,基于Ni的磁性用外部磁场驱动电机; 2015年,Zhang等[8]以链霉菌自身结构为模板,在链霉菌表面涂抹一层铁前体溶液,通过热处理工艺获得与链霉菌结构尺寸相近的多孔螺旋电机㊂Ja⁃nus粒子具有两个性质不同的表面,因此受到众多学者的青睐[9]㊂2016年,Lee等[10]通过气相沉积金属镍,获得了具有磁性的Janus粒子,通过改变驱动磁场,能够对Janus粒子的运动加以控制㊂与纳米线类似,管状微纳米电机具有长度形状,但其特征在于具有特定内部和外部部分的管状结构㊂

磁致驱动作为一种不需要任何燃料的驱动方法,是用于驱动微纳米电机的重要技术手段,已经引起研究者的广泛关注㊂当前的磁致驱动微纳米电机的研究仍处于初级阶段,但很多学者逐渐把磁驱微纳米电机应用于生物实验,例如精确靶向药物㊁细胞运输以及微创手术等[11]㊂

1.2　超声波驱动微纳米电机

超声波具有易于控制及良好的生物相容性等特点,能够保证微纳米电机在黏度较高的液体环境中运动㊂2012年,Mallouk等[12]首次提出并实现了金属纳米线的超声波驱动,采用模板辅助电沉积法制备了Au-Ru双金属纳米线(长2μm,直径330 nm),可以实现200μm/s的轴向随机运动;该小组还试验性地探讨了纳米线电机材料不对称性的附加影响,以及对声学推进的形状和材料依赖性的研究㊂2014年,García-Gradilla等[13]利用电沉积先后沉积金㊁镍㊁金和金银,并通过腐蚀掉部分银的方式获得了多孔纳米棒,并在超声波驱动和磁场的控制下实现对癌细胞的靶向药物杀死㊂超声波驱动的管式微型电机几乎与纳米线微型电机同时发展起来㊂2014年,Xu等[14]基于超声波气泡聚集效应,将其应用于管状微电机的驱动,证明出超声波能量与微电机的运动速度之间的相关性,驱动原理如图4所示㊂

图4　超声波驱动管状微电机[14]

与磁场驱动方式相比,超声波驱动方式更易于实现,不需要在微电机制造中加入磁性材料,这使得