微尺度光熱膨脹機(jī)制和光熱微驅(qū)動(dòng)新方法研究.pdf

1、微納米技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新型的交叉學(xué)科，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是其中的一個(gè)重要分支。微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種能夠進(jìn)行微納米級(jí)驅(qū)動(dòng)及操作的MEMS器件，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法的不同可以分為各種類型。熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的一種，該技術(shù)利用材料受熱后的體積膨脹實(shí)現(xiàn)微驅(qū)動(dòng)，是當(dāng)前微驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)所在。本文首次提出的光熱微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(photo-thermalmicro actuator，PTA)，以激光作為動(dòng)力源，利用材料的光熱膨脹效應(yīng)實(shí)現(xiàn)

2、微納米級(jí)的位移輸出，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、制備方便、可遠(yuǎn)程操控、主體可微小化和集成化等特點(diǎn)，是一種有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景的新型微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 本文對(duì)光熱膨脹機(jī)制進(jìn)行了完整系統(tǒng)的研究，建立了微尺度光熱膨脹的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)模型。首先分析了光熱膨脹效應(yīng)中出現(xiàn)的各種物理機(jī)制，包括有光熱能量轉(zhuǎn)換、熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、輻射換熱、以及熱膨脹，研究了它們所依循的物理規(guī)律，總結(jié)了它們?cè)诠鉄崤蛎浿兴鸬淖饔煤陀绊憽Ｈ缓蠼⒐鉄崤蛎洐C(jī)制的三維靜態(tài)模型，在滿足畢渥數(shù)

3、準(zhǔn)則的情況下將其簡(jiǎn)化為二維模型，通過(guò)數(shù)值模擬的方法得到了微機(jī)構(gòu)內(nèi)的二維溫度分布。根據(jù)二維模型的結(jié)果，將二維模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化到一維，推導(dǎo)出了一維靜態(tài)模型的分析解，得到了激光照射下微機(jī)構(gòu)的靜態(tài)溫度分布和靜態(tài)伸長(zhǎng)量的表達(dá)公式，并以一種微膨脹臂為例進(jìn)行了理論計(jì)算和分析。最后在一維靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，發(fā)展了光熱膨脹的動(dòng)態(tài)模型，得到了激光照射下微機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)溫度分布和瞬態(tài)伸長(zhǎng)量的表達(dá)公式，并以微膨脹臂為例討論了其在連續(xù)激光和脈沖激光照射下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

4、 在理論研究的基礎(chǔ)上，首次設(shè)計(jì)并制備出各種新型光熱微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)?；拘臀⑴蛎洷壑苯永梦⑴蛎洷鄣墓鉄崤蛎浶?yīng)實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)的微驅(qū)動(dòng)。優(yōu)化型微膨脹臂根據(jù)光熱膨脹的特點(diǎn)對(duì)基本型微膨脹臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。雙臂對(duì)稱型PTA將膨脹臂長(zhǎng)度方向的伸長(zhǎng)量轉(zhuǎn)化為自由端的偏轉(zhuǎn)量，提高了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能。雙臂非對(duì)稱型PTA是在對(duì)稱型基礎(chǔ)上的進(jìn)一步優(yōu)化，具有更精巧的結(jié)構(gòu)和更高的自由度。選用具有高膨脹低熱導(dǎo)的塑料作為PTA的原材料，提高了微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出性能，穩(wěn)定

5、了其位移輸出。PTA的加工采用了準(zhǔn)分子激光加工技術(shù)，利用準(zhǔn)分子激光加工技術(shù)在冷加工上的優(yōu)勢(shì)，可以在保證加工精度和邊緣光滑度的基礎(chǔ)上，提高加工的效率和速度。 研究建立了光熱微驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)主要包括光路控制系統(tǒng)，電路控制系統(tǒng)和機(jī)械控制系統(tǒng)。光路控制系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)根據(jù)電光調(diào)制原理設(shè)計(jì)，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)激光即時(shí)功率，脈沖頻率和脈沖占空比的控制。光路控制系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)激光的聚焦。機(jī)械控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制激光的入射角度和入射位置。為了

6、觀察測(cè)量PTA的位移輸出，設(shè)計(jì)了由體視顯微鏡和CCD組成的觀測(cè)裝置，它可以在觀察微機(jī)構(gòu)工作的同時(shí)作出計(jì)量和記錄。對(duì)原子力顯微鏡進(jìn)行改裝，實(shí)現(xiàn)了可以獲得PTA振蕩曲線的測(cè)量裝置。開展了光熱膨脹和光熱微驅(qū)動(dòng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，首次實(shí)現(xiàn)了光熱微驅(qū)動(dòng)，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析和優(yōu)化。利用準(zhǔn)分子激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了前面設(shè)計(jì)的各種PTA，利用自行研制的觀測(cè)裝置對(duì)它們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，基本型微膨脹臂在毫瓦級(jí)的激光照射下可以輸出微米級(jí)的微位移，而優(yōu)化型微

7、膨脹臂相對(duì)基本型微膨脹臂在減小了長(zhǎng)度，寬度和體積的基礎(chǔ)上保證同樣的輸出性能。雙臂對(duì)稱型PTA在同樣功率的激光照射下提高了自身的位移輸出，且能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)相反方向的微驅(qū)動(dòng)。雙臂非對(duì)稱型PTA在只輸出單方向位移的前提下對(duì)雙臂對(duì)稱型PTA進(jìn)行了優(yōu)化，減小了機(jī)構(gòu)的體積和慣性，提高了其靈活性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)雙臂非對(duì)稱型PTA的幾種變體進(jìn)行了比較研究，分析了結(jié)構(gòu)變化對(duì)雙臂非對(duì)稱型PTA性能的影響。利用AFM改造裝置獲得了PTA在脈沖激光下的振動(dòng)曲線，證明