金屬光熱微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf_第1頁(yè)
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1、隨著微機(jī)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(dòng)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(dòng)技術(shù),其中光熱微驅(qū)動(dòng)器技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操控簡(jiǎn)便、驅(qū)動(dòng)力大、可實(shí)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(dòng)器采用光刻膠,高密度聚乙烯等聚合物作為驅(qū)動(dòng)材料,但這些聚合物材料在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐熱性、可靠性、以及動(dòng)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(dòng)材料的新型光熱微驅(qū)動(dòng)器,克

2、服聚合物光熱微驅(qū)動(dòng)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(dòng)式爬行機(jī)構(gòu)等多種金屬光熱微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。
  本文對(duì)光熱膨脹機(jī)制和光熱徼驅(qū)動(dòng)技術(shù)開(kāi)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(zhǎng)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(duì)流換熱、熱輻射和熱膨脹等物理現(xiàn)象,初步討論了他們?cè)诠鉄崤蛎浶?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(chǎng)分布和形變計(jì)算公式,計(jì)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(jì)并研制了多種金屬光熱徼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在光熱膨脹理論模型的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了多種光熱微驅(qū)動(dòng)器:三角形光熱微驅(qū)動(dòng)器、棘輪棘爪光熱微馬達(dá),蠕動(dòng)光熱爬行機(jī)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(dòng)器。
  搭建并優(yōu)化了光熱微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)控制與顯微觀測(cè)

4、系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)控制與顯微觀測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制模塊與顯微觀測(cè)模塊構(gòu)成,驅(qū)動(dòng)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(dòng)位置實(shí)現(xiàn)微驅(qū)動(dòng);顯微觀測(cè)模塊包含驅(qū)動(dòng)監(jiān)控功能與驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的驅(qū)動(dòng)曲線。
  研究了一種三角形金屬光熱微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)特性。首先闡述了三角形光熱微驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)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(dòng)器所產(chǎn)生的瞬

5、態(tài)溫度分布和膨脹伸長(zhǎng),研究了在不同頻率激光作用下,微驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,并利用金屬鎳制備的微驅(qū)動(dòng)器開(kāi)展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(duì)光熱微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)性能的影響和貢獻(xiàn)。
  開(kāi)展了新型棘輪棘爪光熱馬達(dá)的理論和實(shí)驗(yàn)研究,提出了一種蠕動(dòng)光熱爬行機(jī)構(gòu)。首先詳細(xì)闡述了棘輪棘爪光熱馬達(dá)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)制,能夠?qū)⒐鉄崤蛎浱峁┑闹本€往復(fù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪轉(zhuǎn)動(dòng),然后用LIGA技術(shù)制備了光熱馬達(dá),并開(kāi)展

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