液体环境中的光热微驱动方法与技术研究

提出和发展了适用于液体(水)环境的光热微驱动技术及光热微驱动机构(OTMA).建立了水环境中OTMA膨胀臂在激光照射下的光热膨胀模型,基于有限元分析推导出膨胀臂的温升分布公式,并对长度1080μm、宽度90μm的膨胀臂在4 mW激光照射下的温升分布进行了仿真,理论研究表明了液体环境中光热微驱动技术的可行性.设计与微加工制作了一种对称型OTMA,在波长520 nm、功率可调的激光照射下,首次实现了液体环境中的光热微驱动,实验结果表明膨胀臂的光热偏转量随激光功率的增大而增加.进一步开展了在波长520 nm、有效功率4 mW、频率可调的激光脉冲照射下的光热微驱动实验,结果表明,对称型OTMA在频率0.9 Hz～16.4 Hz的激光脉冲照射下具有良好的动态响应,驱动量(偏转量)振幅在2.6μm～3.7μm之间变化,随激光脉冲频率的增大而减小.理论研究及实验曲线趋势表明,适当增大激光功率、提高激光脉冲频率,在液体环境中实现更大偏转量、更高频率的光热微驱动是完全可行的.本文研究拓展了液体环境中的光热微驱动技术,为微光机电系统及微纳米技术领域的应用提供了新的方法与途径.     

三角放大型压电陶瓷微纳米驱动机构

提出了一种基于小压电陶瓷条的三角放大型微纳米驱动机构。该机构由两个1.6 mm×1.6 mm×5.0 mm的小压电陶瓷条、三角对称型伸缩臂、大顶角柔性铰链（扫描端）及基座组成,由小压电陶瓷条驱动伸缩臂运动,基于大顶角三角形的放大原理,获得高放大倍率的扫描端输出位移。理论分析与有限元仿真表明,当三角对称型伸缩臂与底边的夹角为6°时,扫描端的位移量与小压电陶瓷条的伸缩量之比可达9倍左右;当驱动电压为80 V时,相比于小压电陶瓷条的伸缩量3.2μm,扫描端的位移量理论值可达29.5μm。显微运动测量实验表明,在相同驱动电压下,扫描端的实际位移量达到26.6μm,实际位移放大倍数达到8.3倍。将该机构作为原子力显微镜的慢轴扫描器,成功实现了基于小压电陶瓷条的宽范围原子力显微镜扫描成像（4μm×26μm）,具有良好的分辨率、对比度和线性度。该机构具有原理新颖、结构简洁、成本低廉、性能优越等特点,可望在光学、精密机械及微纳米技术领域获得广泛的应用。