论文摘要
微纳米技术是近年来发展起来的一门新型的交叉学科,微机电系统（MEMS）技术是其中的一个重要分支。微驱动机构是一种能够进行微纳米级驱动及操作的MEMS器件,根据实现方法的不同可以分为各种类型。热驱动机构是微驱动机构中的一种,该技术利用材料受热后的体积膨胀实现微驱动,是当前微驱动技术研究的一个热点所在。本文首次提出的光热微驱动机构（photo-thermalmicro actuator,PTA）,以激光作为动力源,利用材料的光热膨胀效应实现微纳米级的位移输出,具有结构简洁、制备方便、可远程操控、主体可微小化和集成化等特点,是一种有着广阔的发展和应用前景的新型微驱动机构。本文对光热膨胀机制进行了完整系统的研究,建立了微尺度光热膨胀的静态及动态模型。首先分析了光热膨胀效应中出现的各种物理机制,包括有光热能量转换、热传导、对流换热、辐射换热、以及热膨胀,研究了它们所依循的物理规律,总结了它们在光热膨胀中所起的作用和影响。然后建立光热膨胀机制的三维静态模型,在满足毕渥数准则的情况下将其简化为二维模型,通过数值模拟的方法得到了微机构内的二维温度分布。根据二维模型的结果,将二维模型进一步简化到一维,推导出了一维静态模型的分析解,得到了激光照射下微机构的静态温度分布和静态伸长量的表达公式,并以一种微膨胀臂为例进行了理论计算和分析。最后在一维静态模型的基础上,发展了光热膨胀的动态模型,得到了激光照射下微机构的瞬态温度分布和瞬态伸长量的表达公式,并以微膨胀臂为例讨论了其在连续激光和脉冲激光照射下的动态响应。在理论研究的基础上,首次设计并制备出各种新型光热微驱动机构。基本型微膨胀臂直接利用微膨胀臂的光热膨胀效应实现微纳米级的微驱动。优化型微膨胀臂根据光热膨胀的特点对基本型微膨胀臂的结构进行了改进。双臂对称型PTA将膨胀臂长度方向的伸长量转化为自由端的偏转量,提高了驱动机构的性能。双臂非对称型PTA是在对称型基础上的进一步优化,具有更精巧的结构和更高的自由度。选用具有高膨胀低热导的塑料作为PTA的原材料,提高了微驱动机构的输出性能,稳定了其位移输出。PTA的加工采用了准分子激光加工技术,利用准分子激光加工技术在冷加工上的优势,可以在保证加工精度和边缘光滑度的基础上,提高加工的效率和速度。研究建立了光热微驱动控制系统。整个系统主要包括光路控制系统,电路控制系统和机械控制系统。光路控制系统和电路控制系统根据电光调制原理设计,共同实现对激光即时功率,脉冲频率和脉冲占空比的控制。光路控制系统同时实现对驱动激光的聚焦。机械控制系统负责控制激光的入射角度和入射位置。为了观察测量PTA的位移输出,设计了由体视显微镜和CCD组成的观测装置,它可以在观察微机构工作的同时作出计量和记录。对原子力显微镜进行改装,实现了可以获得PTA振荡曲线的测量装置。开展了光热膨胀和光热微驱动技术的实验研究,首次实现了光热微驱动,并对其性能进行了分析和优化。利用准分子激光加工技术实现了前面设计的各种PTA,利用自行研制的观测装置对它们进行了实验研究。实验测得,基本型微膨胀臂在毫瓦级的激光照射下可以输出微米级的微位移,而优化型微膨胀臂相对基本型微膨胀臂在减小了长度,宽度和体积的基础上保证同样的输出性能。双臂对称型PTA在同样功率的激光照射下提高了自身的位移输出,且能够实现两个相反方向的微驱动。双臂非对称型PTA在只输出单方向位移的前提下对双臂对称型PTA进行了优化,减小了机构的体积和惯性,提高了其灵活性。通过实验对双臂非对称型PTA的几种变体进行了比较研究,分析了结构变化对双臂非对称型PTA性能的影响。利用AFM改造装置获得了PTA在脉冲激光下的振动曲线,证明了利用光热振动实现连续驱动的可能性。研究了各种PTA的光热振动特性,分析了振幅与脉冲的重复频率之间的关系。最后总结了整个课题研究中获得的成果:从理论和实验两个方面分析了光热膨胀效应的内在机制,证明了利用光热膨胀实现微驱动的可行性,实验测定了PTA的性能并进行了优化。另外,还提出了工作中的不足和有待完善之处,对日后的工作给出了方向性的建议。
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