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激光光热驱动技术与微型光热驱动机构研究

刘超

  微纳米技术是二十世纪中后期发展起来的一门新兴交叉学科。随着微纳米技术的迅速发展,人们对微米级、亚微米级,乃至纳米级的微驱动和微定位技术提出了新的要求。不断探索新的驱动源及驱动技术,研发综合性能好、易于微小化的微驱动机构,历来具有其重要性和迫切性。本文首次提出和发展了一种新型光热微驱动技术,设计和研制了多种系列的微型光热驱动机构,其特点是原理新颖、结构简洁、驱动力大、控制方便、可微小化和集成化、可实现非接触无线操控,具有重要的科学意义和广阔应用前景。 本文首先系统地开展了微型光热驱动机制的理论及仿真研究,建立了微型光热驱动机构的热学和结构力学(静力学和动力学)模型。通过分析微纳米尺度光热膨胀效应,建立了光热微膨胀与微驱动的热学模型,并针对一维光热微驱动机制建立了一维简化模型,获得了驱动机构的一维稳态温度分布和膨胀臂伸长量的理论计算公式。另一方面,利用线性变形体系的虚功原理,分析了铰链结构光热微驱动器的偏转规律,推导出微驱动器偏转量的通用公式,建立了基本型、单臂优化型和双臂优化型微驱动器的结构静力学模型,进而得到了温度分布与驱动器偏转量的计算公式。在静态模型的基础上,进一步建立了微驱动器的热学和结构力学的动态模型,研究了微驱动器在脉冲激光作用下的瞬态变形量和动态响应规律,得到了微驱动器偏转振幅的频率响应函数,为光热微驱动器及微型光热驱动机构的设计提供了理论基础。 在数理模型及理论分析的基础上,优化了光热微驱动器及微型光热驱动机构的结构参数。优选高膨胀、低热导、光谱特性匹配良好的高密度聚乙烯(HDPE)等作为光热膨胀材料,采用准分子微加工技术等手段,设计和微加工制作了多种结构、多种尺寸、多种形式的微型光热驱动机构系列,包括微膨胀臂系列、非对称型光热微驱动器系列、对称型光热微驱动器系列、单向触点开关式光热微驱动器系列、双向触点开关式光热微驱动器系列等。此外,利用形状记忆合金材料,设计制作了光热驱动马达和光热驱动行走机构。 研究并建立了微型光热驱动机构的驱动控制及显微观测系统。整个系统由激光驱动控制模块、显微监控模块和分析测量模块等组成。在激光驱动控制模块中,采用激光直接调制法,通过计算机软件直接控制产生多种波形、频率和功率的激光束;显微监控模块和分析测量模块,采用基于亚象素匹配算法的CCD显微成像观测系统及软件,具有亚象素的高分辨率,可实时观察微型光热驱动机构在不同控制条件下的显微运动状态,并实现对光热驱动机构的静态和动态微运动的高精度测量和分析。 开展了微型光热驱动机构的实验技术研究。利用自行研制的驱动控制及显微观测系统,在不同频率和功率的激光控制下,实现了各种微型光热驱动机构的光热微驱动。通过光热膨胀臂的静态和动态响应特性的实验研究,验证了其一维简化模型的正确性和可行性。在此基础上,开展了微型光热驱动机构系列(非对称型光热微驱动器系列、对称型光热微驱动器系列、单向触点开关式光热微驱动器系列、双向触点开关式光热微驱动器系列和光热微动台系列)在脉冲激光驱动下的运动特性研究,揭示了驱动机构的静态和动态响应特性。实验结果表明,各种优化的微驱动机构具有良好的光热驱动性能,且与理论模型相吻合,从而证明了上述结构力学模型的正确性。 最后,本文对课题的研究内容和研究成果进行了总结,阐述了研究工作的特色和创新之处。同时,指出了研究工作中尚存在的不足及有待完善之处,并对今后的工作提出了展望。……