激光光熱驅(qū)動(dòng)技術(shù)與微型光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究.pdf

1、微納米技術(shù)是二十世紀(jì)中后期發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興交叉學(xué)科。隨著微納米技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)微米級(jí)、亞微米級(jí)，乃至納米級(jí)的微驅(qū)動(dòng)和微定位技術(shù)提出了新的要求。不斷探索新的驅(qū)動(dòng)源及驅(qū)動(dòng)技術(shù)，研發(fā)綜合性能好、易于微小化的微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，歷來(lái)具有其重要性和迫切性。本文首次提出和發(fā)展了一種新型光熱微驅(qū)動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)和研制了多種系列的微型光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是原理新穎、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、驅(qū)動(dòng)力大、控制方便、可微小化和集成化、可實(shí)現(xiàn)非接觸無(wú)線(xiàn)操控，具有重要的科學(xué)意義和廣

2、闊應(yīng)用前景。
　　 本文首先系統(tǒng)地開(kāi)展了微型光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)制的理論及仿真研究，建立了微型光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的熱學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)（靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)）模型。通過(guò)分析微納米尺度光熱膨脹效應(yīng)，建立了光熱微膨脹與微驅(qū)動(dòng)的熱學(xué)模型，并針對(duì)一維光熱微驅(qū)動(dòng)機(jī)制建立了一維簡(jiǎn)化模型，獲得了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一維穩(wěn)態(tài)溫度分布和膨脹臂伸長(zhǎng)量的理論計(jì)算公式。另一方面，利用線(xiàn)性變形體系的虛功原理，分析了鉸鏈結(jié)構(gòu)光熱微驅(qū)動(dòng)器的偏轉(zhuǎn)規(guī)律，推導(dǎo)出微驅(qū)動(dòng)器偏轉(zhuǎn)量的通用公式，建立了基本型、

3、單臂優(yōu)化型和雙臂優(yōu)化型微驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模型，進(jìn)而得到了溫度分布與驅(qū)動(dòng)器偏轉(zhuǎn)量的計(jì)算公式。在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了微驅(qū)動(dòng)器的熱學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的動(dòng)態(tài)模型，研究了微驅(qū)動(dòng)器在脈沖激光作用下的瞬態(tài)變形量和動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律，得到了微驅(qū)動(dòng)器偏轉(zhuǎn)振幅的頻率響應(yīng)函數(shù)，為光熱微驅(qū)動(dòng)器及微型光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
　　 在數(shù)理模型及理論分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了光熱微驅(qū)動(dòng)器及微型光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。優(yōu)選高膨脹、低熱導(dǎo)、光譜特性匹配良好

4、的高密度聚乙烯(HDPE)等作為光熱膨脹材料，采用準(zhǔn)分子微加工技術(shù)等手段，設(shè)計(jì)和微加工制作了多種結(jié)構(gòu)、多種尺寸、多種形式的微型光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)系列，包括微膨脹臂系列、非對(duì)稱(chēng)型光熱微驅(qū)動(dòng)器系列、對(duì)稱(chēng)型光熱微驅(qū)動(dòng)器系列、單向觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)式光熱微驅(qū)動(dòng)器系列、雙向觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)式光熱微驅(qū)動(dòng)器系列等。此外，利用形狀記憶合金材料，設(shè)計(jì)制作了光熱驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和光熱驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)。
　　 研究并建立了微型光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制及顯微觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由激光驅(qū)動(dòng)控制

5、模塊、顯微監(jiān)控模塊和分析測(cè)量模塊等組成。在激光驅(qū)動(dòng)控制模塊中，采用激光直接調(diào)制法，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件直接控制產(chǎn)生多種波形、頻率和功率的激光束；顯微監(jiān)控模塊和分析測(cè)量模塊，采用基于亞象素匹配算法的CCD顯微成像觀(guān)測(cè)系統(tǒng)及軟件，具有亞象素的高分辨率，可實(shí)時(shí)觀(guān)察微型光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在不同控制條件下的顯微運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)微運(yùn)動(dòng)的高精度測(cè)量和分析。
　　 開(kāi)展了微型光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究。利用自行研制的驅(qū)動(dòng)控制及顯微

6、觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，在不同頻率和功率的激光控制下，實(shí)現(xiàn)了各種微型光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的光熱微驅(qū)動(dòng)。通過(guò)光熱膨脹臂的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了其一維簡(jiǎn)化模型的正確性和可行性。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了微型光熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)系列（非對(duì)稱(chēng)型光熱微驅(qū)動(dòng)器系列、對(duì)稱(chēng)型光熱微驅(qū)動(dòng)器系列、單向觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)式光熱微驅(qū)動(dòng)器系列、雙向觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)式光熱微驅(qū)動(dòng)器系列和光熱微動(dòng)臺(tái)系列）在脈沖激光驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)特性研究，揭示了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各種優(yōu)化的微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有