光热膨胀材料的光谱特性分析及微型光热驱动机构研究

光热膨胀材料的光谱特性是影响微型光热驱动机构性能的关键因素,该文在理论分析的基础上,采用单积分球测量法对四种聚合物材料的反射光谱及吸收特性进行了实验测量,据此选择制作光热驱动机构的最佳光热膨胀材料,发现掺杂染料的高密度聚乙烯(HDPE)材料在600～690nm的范围内有较强烈的吸收。选取HDPE作为光热膨胀材料,设计制作了一种长度1500μm的微型光热驱动机构,并采用自行研制的CCD显微监控和视频运动测量系统进行了驱动机构的驱动性能测量实验。研究结果表明,在10mW/650nm的半导体激光器驱动下,该微型光热驱动机构可以产生18.7μm的光热偏转量,说明其具有良好的光谱吸收和光热转换特性,可望在微光机电系统(MOEMS)中获得广泛应用。

基于光热膨胀效应的光驱自激单摆

自激振荡可利用运动状态反馈等机制实现自主吸收环境能量,开发新型自激振荡系统可推动自适应主动机器的进一步发展。基于光热膨胀材料提出一种单摆结构,通过建立光热响应摆动力学模型,从理论上研究了单摆的光驱自激振荡现象。结果表明,单摆有静态模式和振荡模式两种运动模式。在阐明了自激振荡机理及其触发条件后,进一步全面探讨了系统参数对振动幅值和频率的影响。

微纳米尺度红外光热膨胀效应及新型光热驱动方法研究

介绍了一种新型的基于非对称结构的光热微型驱动器.驱动器由两个宽细不同的薄悬臂组成.当红外激光照射在悬臂上时,宽窄悬臂的比表面积不同,导致其温度升高和伸长量不同,从而使驱动器产生偏转.建立了驱动器的热力学模型,并给出了偏转量的计算公式.使用准分子激光加工系统制作了一个长750μm的微驱动器样机,红外激光(998nm)作为驱动源,利用自制的控制监控系统进行了可行性试验,观察并测量了驱动器偏转量与红外激光功率的关系.结果表明,本驱动器在16mW的红外激光的驱动下,即可产生25.8μm的偏转量.利用光热膨胀的方法实现的驱动器制作简单,位移输出可调,无电磁干扰,易于集成,并可以实现远程控制,在微纳技术和MEMS领域具有广阔的应用前景.

基于微纳米尺度光热膨胀的微型光热驱动器研究

用准分子加工系统制备了长度1 mm的微型光热驱动器,用红光半导体激光(650 nm)作为驱动源进行了驱动实验。结果表明,直接用激光束驱动可产生微米级偏转,激光束聚焦质量无严格限制,激光束在膨胀臂上的照射位置对偏转量不会造成明显影响。偏转量可调,当激光功率从0 mW增大到10 mW时,微型光热驱动器的偏转量可从0μm增大到14.33μm。本方法简单易行,可独立驱动运作,易于小型化,真正实现无线遥控操作。

触点式微型光热驱动器设计及实验研究

随着微电机系统(MEMS)在众多领域的广泛应用,各种形式的微型驱动器不断得到发展。介绍微尺度光热膨胀与光热微驱动的原理,设计与加工制作了基本型和优化型触点式微型光热驱动器,开展了光热微驱动的实验研究,证明了光热微驱动的可行性,并验证了优化型触点式微型光热驱动器的优化性能。

基于双激光束的微型光热驱动器研究

实现了一种利用双激光束(双光斑)的微型光热驱动的器(OTMA)。利用准分子激光微加工系统加工制作了膨胀臂宽为100μm、总长为750μm的非对称型OTMA;利用波长650nm的双激光束开展了OTMA的光热驱动实验研究,借助CCD显微视频运动测量系统,测定了光热偏转量与激光功率之间的关系曲线。实验结果表明,OTMA的光热偏转量与激光总功率之间近似成线性关系;当双光斑功率为4 mW时,OTMA获得的光热偏转量达到15.2μm,大于单光斑分别照射时的偏转量之和(13.1μm);同时,当双光斑照射与单光斑照射获得的光热偏转量相同时,双光斑的功率密度仅为单光斑的1/2甚至更小,从而可有效地避免单光斑照射时因局部温升过高而导致OTMA烧结损坏,延长了器件的工作寿命。本文的OTMA结构简单,易于加工,偏转量大,易于操作,并且可以实现无线远距离控制;可望在微纳米技术及微型光机电系统等领域获得广泛应用。

光热微驱动机构动态响应特性的理论与实验研究

理论和实验研究了脉冲激光照射下光热微驱动机构的动态响应特性,建立了微膨胀臂的光热温升及光热膨胀的动态模型,导出了动态光热膨胀伸长量及振幅的计算公式,并通过Matlab仿真得到它们与激光脉冲频率之间的理论关系曲线。设计与微加工制作了一种总长为700μm的非对称型光热微驱动机构(A-OTMA),在功率为2 mW、频率为2~18Hz可调的脉冲激光照射控制下开展了动态光热驱动实验。采用显微视频成像系统及运动测量软件,对A-OTMA光热微驱动过程进行了实时监测和测量。实验结果表明,A-OTMA能够以与激光脉冲相同的频率实现周期性偏转运动,光热偏转量及振幅随激光脉冲频率的增大而减小,其变化趋势与理论曲线吻合,获得的最大偏转量振幅为14.9μm(2 Hz时),最大响应频率至少达到18Hz。本文的动态响应特性的理论和实验研究,为OTMA在微光机电系统(MOEMS)及微纳米技术领域的实际应用提供了技术基础。