金屬光熱微驅(qū)動器的驅(qū)動理論及實驗研究.pdf

1、隨著微機電系統(tǒng)不斷地朝著小型化和系統(tǒng)功能集成化方向發(fā)展，微驅(qū)動技術(shù)獲得了巨大的關(guān)注和發(fā)展，相繼涌現(xiàn)了靜電、電磁、壓電、電熱、光熱型微驅(qū)動技術(shù)，其中光熱微驅(qū)動器技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、操控簡便、驅(qū)動力大、可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、易于小型化和集成化，具有廣泛的應(yīng)用前景。通常光熱微驅(qū)動器采用光刻膠，高密度聚乙烯等聚合物作為驅(qū)動材料，但這些聚合物材料在結(jié)構(gòu)強度、耐熱性、可靠性、以及動態(tài)響應(yīng)等方面表現(xiàn)不理想。為此，本文提出了以金屬作為驅(qū)動材料的新型光熱微驅(qū)動器，克

2、服聚合物光熱微驅(qū)動器的這些局限性。利用LIGA技術(shù)（一種X射線深度光刻技術(shù)）研制了三角形、棘輪棘爪光熱微馬達(dá)和蠕動式爬行機構(gòu)等多種金屬光熱微驅(qū)動機構(gòu)，并對其進行了理論和實驗研究。
　　本文對光熱膨脹機制和光熱徼驅(qū)動技術(shù)開展了系統(tǒng)的研究，建立了光熱徼膨脹臂在激光作用下受熱膨脹伸長的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模型。首先研究了光熱膨脹效應(yīng)中涉及到的激光吸收、熱傳導(dǎo)、對流換熱、熱輻射和熱膨脹等物理現(xiàn)象，初步討論了他們在光熱膨脹效應(yīng)中的作用。在此基礎(chǔ)上，建

3、立了光熱熱膨脹效應(yīng)的穩(wěn)態(tài)模型和瞬態(tài)模型，以微膨脹臂為例，推導(dǎo)了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的溫度場分布和形變計算公式，計算了在連續(xù)或脈沖激光作用下微膨脹臂的溫度分布與形變量。
　　設(shè)計并研制了多種金屬光熱徼驅(qū)動機構(gòu)。在光熱膨脹理論模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了多種光熱微驅(qū)動器:三角形光熱微驅(qū)動器、棘輪棘爪光熱微馬達(dá)，蠕動光熱爬行機構(gòu)，并利用LIGA技術(shù)，在北京同步輻射光源LIGA線站制備了這些徽驅(qū)動器。
　　搭建并優(yōu)化了光熱微驅(qū)動器的驅(qū)動控制與顯微觀測

4、系統(tǒng)。驅(qū)動控制與顯微觀測系統(tǒng)系統(tǒng)由驅(qū)動控制模塊與顯微觀測模塊構(gòu)成，驅(qū)動控制模塊由激光器和調(diào)節(jié)光路組成，能夠調(diào)節(jié)激光波形并準(zhǔn)確將激光匯聚在驅(qū)動位置實現(xiàn)微驅(qū)動;顯微觀測模塊包含驅(qū)動監(jiān)控功能與驅(qū)動分析功能，基于圖像匹配算法的軟件能夠分析視頻準(zhǔn)確描繪微驅(qū)動器的驅(qū)動曲線。
　　研究了一種三角形金屬光熱微驅(qū)動器的驅(qū)動特性。首先闡述了三角形光熱微驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)與驅(qū)動原理，接著利用有限元分析的方法分析了在連續(xù)激光或脈沖激光作用下，微驅(qū)動器所產(chǎn)生的瞬

5、態(tài)溫度分布和膨脹伸長，研究了在不同頻率激光作用下，微驅(qū)動器的動態(tài)響應(yīng)特性，并利用金屬鎳制備的微驅(qū)動器開展了相應(yīng)的實驗研究，結(jié)果與理論相吻合。最后，分析了材料性能和幾何尺寸等關(guān)鍵參數(shù)對光熱微驅(qū)動器驅(qū)動性能的影響和貢獻。
　　開展了新型棘輪棘爪光熱馬達(dá)的理論和實驗研究，提出了一種蠕動光熱爬行機構(gòu)。首先詳細(xì)闡述了棘輪棘爪光熱馬達(dá)的機械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機制，能夠?qū)⒐鉄崤蛎浱峁┑闹本€往復(fù)驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪轉(zhuǎn)動，然后用LIGA技術(shù)制備了光熱馬達(dá)，并開展