基于光聲機(jī)理的激光微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究.pdf

1、微光機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Opto-Electro-Mechanical System，MOEMS)的研究是進(jìn)入21世紀(jì)以來極具活力的研究熱點(diǎn)之一。其中，微納米量級(jí)的小型馬達(dá)或驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是引領(lǐng)未來科技微型化、智能化、人機(jī)一體化的主導(dǎo)科技。隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，將激光應(yīng)用到對(duì)微型馬達(dá)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)電磁馬達(dá)到光動(dòng)力微馬達(dá)的轉(zhuǎn)變，已成為世界各國(guó)學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的新型技術(shù)突破。本課題在充分了解當(dāng)前各類型微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)

2、代激光技術(shù)，將納秒級(jí)、小功率激光應(yīng)用到微米量級(jí)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)研究當(dāng)中，提出了一種通過激光誘導(dǎo)產(chǎn)生光聲振動(dòng)和光聲表面波來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的新方法，設(shè)計(jì)研究了兩種光聲微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，即光聲諧振微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Photoacoustic Resonation Microactuator，PRMA)和光聲表面波微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(Laser Surface Acoustic Wave Microactuator)，具有非接觸驅(qū)動(dòng)與控制，便于小型化、集成化，響應(yīng)快，輸出效率

3、高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，選材廣泛等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有重要科學(xué)和科研價(jià)值的新型微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
　　本文首先分析了光聲相互轉(zhuǎn)化的基本原理，建立了物理和數(shù)學(xué)計(jì)算模型。針對(duì)納米級(jí)超短脈沖激光源，創(chuàng)建了基于高斯函數(shù)的熱源方程，推導(dǎo)了熱傳導(dǎo)方程和熱彈性方程。
　　針對(duì)光聲諧振微驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究，理論分析了光聲諧振原理，設(shè)計(jì)了光聲諧振基本作用單元，光聲諧振臂。利用多物理場(chǎng)仿真分析軟件COMSOLMultiphysics求解了光聲諧振臂的共振頻譜，得出相應(yīng)

4、的振動(dòng)狀態(tài)，仿真了熱源能量、溫度、形變?nèi)齻€(gè)關(guān)鍵參數(shù)的基本特性。在光聲諧振臂的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了帶有儲(chǔ)能單元的PRMA-1型、PRMA-2型諧振驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，儲(chǔ)能單元的設(shè)計(jì)使這兩種機(jī)構(gòu)能獲得更大的振幅輸出。進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)后，設(shè)計(jì)了PRMA-3型諧振驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了微型化、大振幅、快響應(yīng)的MOEMS設(shè)計(jì)目標(biāo)。
　　基于同步輻射LIGA(Lithographe Galvanoformung Abformtechnik)技術(shù)和線切割技術(shù)制備了

5、光聲諧振驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并實(shí)驗(yàn)研究了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和驅(qū)動(dòng)特性。使用電磁超聲探測(cè)器(Electromagnetic acoustic transducer，EMAT)探測(cè)了振動(dòng)曲線，對(duì)比了振幅輸出能力;選擇10μm量級(jí)的SiO2微球和100μm量級(jí)的銅球作為驅(qū)動(dòng)目標(biāo)體，使用光學(xué)顯微辦法動(dòng)態(tài)觀測(cè)了驅(qū)動(dòng)效果，討論了四類諧振驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)能力。PRMA-3型機(jī)構(gòu)無論是在微型化、振幅輸出、響應(yīng)速度還是驅(qū)動(dòng)能力上都表現(xiàn)最優(yōu)。
　　利用光聲效應(yīng)產(chǎn)生的

6、表面波，研究了光聲表面波馬達(dá)。其利用激光誘導(dǎo)的表面波在馬達(dá)定子上的傳播對(duì)目標(biāo)動(dòng)子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，搭建了表面波傳播數(shù)學(xué)求解模型，仿真了激光誘導(dǎo)表面波的波動(dòng)特性及傳播樣貌;從理論上分析了光聲表面波馬達(dá)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題，以保證最大程度提高馬達(dá)驅(qū)動(dòng)效率;設(shè)計(jì)了直線型、旋轉(zhuǎn)型光聲表面波馬達(dá)，并基于此設(shè)計(jì)思想對(duì)環(huán)形表面波馬達(dá)定子進(jìn)行了理論仿真研究。使用激光可視化實(shí)驗(yàn)辦法對(duì)表面波在環(huán)形馬達(dá)定子上的傳播特性進(jìn)行了分析研究，得出馬達(dá)定子的凹槽設(shè)計(jì)能保證表面