激光光熱驅(qū)動技術(shù)與微型光熱驅(qū)動機構(gòu)研究.pdf

1、微納米技術(shù)是二十世紀中后期發(fā)展起來的一門新興交叉學科。隨著微納米技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對微米級、亞微米級，乃至納米級的微驅(qū)動和微定位技術(shù)提出了新的要求。不斷探索新的驅(qū)動源及驅(qū)動技術(shù)，研發(fā)綜合性能好、易于微小化的微驅(qū)動機構(gòu)，歷來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)動技術(shù)，設計和研制了多種系列的微型光熱驅(qū)動機構(gòu)，其特點是原理新穎、結(jié)構(gòu)簡潔、驅(qū)動力大、控制方便、可微小化和集成化、可實現(xiàn)非接觸無線操控，具有重要的科學意義和廣

2、闊應用前景。
　　 本文首先系統(tǒng)地開展了微型光熱驅(qū)動機制的理論及仿真研究，建立了微型光熱驅(qū)動機構(gòu)的熱學和結(jié)構(gòu)力學（靜力學和動力學）模型。通過分析微納米尺度光熱膨脹效應，建立了光熱微膨脹與微驅(qū)動的熱學模型，并針對一維光熱微驅(qū)動機制建立了一維簡化模型，獲得了驅(qū)動機構(gòu)的一維穩(wěn)態(tài)溫度分布和膨脹臂伸長量的理論計算公式。另一方面，利用線性變形體系的虛功原理，分析了鉸鏈結(jié)構(gòu)光熱微驅(qū)動器的偏轉(zhuǎn)規(guī)律，推導出微驅(qū)動器偏轉(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)動器的結(jié)構(gòu)靜力學模型，進而得到了溫度分布與驅(qū)動器偏轉(zhuǎn)量的計算公式。在靜態(tài)模型的基礎上，進一步建立了微驅(qū)動器的熱學和結(jié)構(gòu)力學的動態(tài)模型，研究了微驅(qū)動器在脈沖激光作用下的瞬態(tài)變形量和動態(tài)響應規(guī)律，得到了微驅(qū)動器偏轉(zhuǎn)振幅的頻率響應函數(shù)，為光熱微驅(qū)動器及微型光熱驅(qū)動機構(gòu)的設計提供了理論基礎。
　　 在數(shù)理模型及理論分析的基礎上，優(yōu)化了光熱微驅(qū)動器及微型光熱驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。優(yōu)選高膨脹、低熱導、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，采用準分子微加工技術(shù)等手段，設計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)動機構(gòu)系列，包括微膨脹臂系列、非對稱型光熱微驅(qū)動器系列、對稱型光熱微驅(qū)動器系列、單向觸點開關式光熱微驅(qū)動器系列、雙向觸點開關式光熱微驅(qū)動器系列等。此外，利用形狀記憶合金材料，設計制作了光熱驅(qū)動馬達和光熱驅(qū)動行走機構(gòu)。
　　 研究并建立了微型光熱驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動控制及顯微觀測系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由激光驅(qū)動控制

5、模塊、顯微監(jiān)控模塊和分析測量模塊等組成。在激光驅(qū)動控制模塊中，采用激光直接調(diào)制法，通過計算機軟件直接控制產(chǎn)生多種波形、頻率和功率的激光束；顯微監(jiān)控模塊和分析測量模塊，采用基于亞象素匹配算法的CCD顯微成像觀測系統(tǒng)及軟件，具有亞象素的高分辨率，可實時觀察微型光熱驅(qū)動機構(gòu)在不同控制條件下的顯微運動狀態(tài)，并實現(xiàn)對光熱驅(qū)動機構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)微運動的高精度測量和分析。
　　 開展了微型光熱驅(qū)動機構(gòu)的實驗技術(shù)研究。利用自行研制的驅(qū)動控制及顯微

6、觀測系統(tǒng)，在不同頻率和功率的激光控制下，實現(xiàn)了各種微型光熱驅(qū)動機構(gòu)的光熱微驅(qū)動。通過光熱膨脹臂的靜態(tài)和動態(tài)響應特性的實驗研究，驗證了其一維簡化模型的正確性和可行性。在此基礎上，開展了微型光熱驅(qū)動機構(gòu)系列（非對稱型光熱微驅(qū)動器系列、對稱型光熱微驅(qū)動器系列、單向觸點開關式光熱微驅(qū)動器系列、雙向觸點開關式光熱微驅(qū)動器系列和光熱微動臺系列）在脈沖激光驅(qū)動下的運動特性研究，揭示了驅(qū)動機構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)響應特性。實驗結(jié)果表明，各種優(yōu)化的微驅(qū)動機構(gòu)具有