微尺度光熱膨脹機制和光熱微驅(qū)動新方法研究.pdf

1、微納米技術是近年來發(fā)展起來的一門新型的交叉學科，微機電系統(tǒng)(MEMS)技術是其中的一個重要分支。微驅(qū)動機構(gòu)是一種能夠進行微納米級驅(qū)動及操作的MEMS器件，根據(jù)實現(xiàn)方法的不同可以分為各種類型。熱驅(qū)動機構(gòu)是微驅(qū)動機構(gòu)中的一種，該技術利用材料受熱后的體積膨脹實現(xiàn)微驅(qū)動，是當前微驅(qū)動技術研究的一個熱點所在。本文首次提出的光熱微驅(qū)動機構(gòu)(photo-thermalmicro actuator，PTA)，以激光作為動力源，利用材料的光熱膨脹效應實現(xiàn)

2、微納米級的位移輸出，具有結(jié)構(gòu)簡潔、制備方便、可遠程操控、主體可微小化和集成化等特點，是一種有著廣闊的發(fā)展和應用前景的新型微驅(qū)動機構(gòu)。 本文對光熱膨脹機制進行了完整系統(tǒng)的研究，建立了微尺度光熱膨脹的靜態(tài)及動態(tài)模型。首先分析了光熱膨脹效應中出現(xiàn)的各種物理機制，包括有光熱能量轉(zhuǎn)換、熱傳導、對流換熱、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)了它們在光熱膨脹中所起的作用和影響。然后建立光熱膨脹機制的三維靜態(tài)模型，在滿足畢渥數(shù)

3、準則的情況下將其簡化為二維模型，通過數(shù)值模擬的方法得到了微機構(gòu)內(nèi)的二維溫度分布。根據(jù)二維模型的結(jié)果，將二維模型進一步簡化到一維，推導出了一維靜態(tài)模型的分析解，得到了激光照射下微機構(gòu)的靜態(tài)溫度分布和靜態(tài)伸長量的表達公式，并以一種微膨脹臂為例進行了理論計算和分析。最后在一維靜態(tài)模型的基礎上，發(fā)展了光熱膨脹的動態(tài)模型，得到了激光照射下微機構(gòu)的瞬態(tài)溫度分布和瞬態(tài)伸長量的表達公式，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態(tài)響應。

4、 在理論研究的基礎上，首次設計并制備出各種新型光熱微驅(qū)動機構(gòu)?；拘臀⑴蛎洷壑苯永梦⑴蛎洷鄣墓鉄崤蛎浶獙崿F(xiàn)微納米級的微驅(qū)動。優(yōu)化型微膨脹臂根據(jù)光熱膨脹的特點對基本型微膨脹臂的結(jié)構(gòu)進行了改進。雙臂對稱型PTA將膨脹臂長度方向的伸長量轉(zhuǎn)化為自由端的偏轉(zhuǎn)量，提高了驅(qū)動機構(gòu)的性能。雙臂非對稱型PTA是在對稱型基礎上的進一步優(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的塑料作為PTA的原材料，提高了微驅(qū)動機構(gòu)的輸出性能，穩(wěn)定

5、了其位移輸出。PTA的加工采用了準分子激光加工技術，利用準分子激光加工技術在冷加工上的優(yōu)勢，可以在保證加工精度和邊緣光滑度的基礎上，提高加工的效率和速度。 研究建立了光熱微驅(qū)動控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)主要包括光路控制系統(tǒng)，電路控制系統(tǒng)和機械控制系統(tǒng)。光路控制系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)根據(jù)電光調(diào)制原理設計，共同實現(xiàn)對激光即時功率，脈沖頻率和脈沖占空比的控制。光路控制系統(tǒng)同時實現(xiàn)對驅(qū)動激光的聚焦。機械控制系統(tǒng)負責控制激光的入射角度和入射位置。為了

6、觀察測量PTA的位移輸出，設計了由體視顯微鏡和CCD組成的觀測裝置，它可以在觀察微機構(gòu)工作的同時作出計量和記錄。對原子力顯微鏡進行改裝，實現(xiàn)了可以獲得PTA振蕩曲線的測量裝置。開展了光熱膨脹和光熱微驅(qū)動技術的實驗研究，首次實現(xiàn)了光熱微驅(qū)動，并對其性能進行了分析和優(yōu)化。利用準分子激光加工技術實現(xiàn)了前面設計的各種PTA，利用自行研制的觀測裝置對它們進行了實驗研究。實驗測得，基本型微膨脹臂在毫瓦級的激光照射下可以輸出微米級的微位移，而優(yōu)化型微

7、膨脹臂相對基本型微膨脹臂在減小了長度，寬度和體積的基礎上保證同樣的輸出性能。雙臂對稱型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)兩個相反方向的微驅(qū)動。雙臂非對稱型PTA在只輸出單方向位移的前提下對雙臂對稱型PTA進行了優(yōu)化，減小了機構(gòu)的體積和慣性，提高了其靈活性。通過實驗對雙臂非對稱型PTA的幾種變體進行了比較研究，分析了結(jié)構(gòu)變化對雙臂非對稱型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曲線，證明