光致弯曲薄膜微执行器的研究

    微机电系统(MEMS)是集精密机械、微电子、自动控制、材料、生物等技术于一体的热门研究领域,近年来,MEMS已在汽车、通讯等领域有了一定应用,其市场潜力极大。法国市场调研公司YoleDevelopment预测,至2011年MEMS的年增长率将为13%,2010年将达到950亿美元。微执行器是微机电系统器件中的可动部件,是最重要的组成部分。用于流体控制的微执行器主要有微泵、微阀,用于机电领域的微执行器有微马达、微位移器、微继电器及微型镊子等^[1]。目前,在MEMS中应用较多的微致动方式有静电致动、压电致动、电磁致动、形状记忆合金致动、光致动和热致动等。同其他致动方式相比,光致动具有可遥控供能,无须导线,驱动力大,变形量大,光驱动清洁、安全,不受电磁干扰,材料本身为聚合物,成型容易等优点,因此,光致动型的形状记忆聚合物被认为是最有潜力的MEMS致动材料。

    2001年,德国弗赖堡大学大分子化学研究所Finkelmann等人利用含偶氮苯的高分子液晶弹性体开发出新型光致伸缩材料。2002年和2003年,英国剑桥大学卡文迪许实验室的Terentjev等人和法国居里科学研究院居里物理-化学实验室的Kel-ler等人也相继发表了有关的研究论文^[2-3]。2003年,复旦大学俞燕蕾教授和东京工业大学池田富树教授合作研制出了光致弯曲液晶高分子材料^[4]。经过近几年的不断研究,这种光致弯曲材料的性能得以显著提高,通过光直接驱动的微执行器的研究成为人们研究的新热点。

    1　光致弯曲薄膜的驱动原理

    光致弯曲薄膜的基本驱动原理是利用含偶氮苯的液晶弹性体薄膜的光致弯曲效应。在紫外光的照射下,液晶弹性体薄膜朝着入射光方向弯曲;用可见光照射后,弯曲的液晶弹性体薄膜恢复到最初的平展状态^[5-8]。

    光致弯曲薄膜会弯曲,是由于紫外光的照射导致偶氮苯单元由原来的直棒状(称为逆式trans)向弯曲状(称为顺式cis)的异构,降低了向列相的有序度,引起向列相到各向同性相的转变,使液晶弹性体在光照条件下发生收缩;由于偶氮苯的吸光性,99%以上的入射光在小于1μm的表面区域被吸收,因此只有面向入射光的表面区域发生偶氮苯的光异构,出现有序度的降低,而薄膜本体部分的偶氮苯仍保持反式构象。这种情况下只有薄膜的表层发生收缩,薄膜在内部约束力的作用下向入射光的方向弯曲,如图1所示^[9-11]。

    多畴向列相液晶弹性体薄膜可对线性偏振光发生选择性吸收,Ikeda和俞燕蕾等人进一步实现了液晶弹性体薄膜在方向上的可控光致弯曲行为,如图2所示,图中的白色箭头表示偏振光的偏振方向。多畴向列相液晶弹性体薄膜可沿着任意方向重复弯曲,这是因为该薄膜的弯曲方向与入射偏振紫外光的偏振方向一致,通过改变入射光偏振方向的方法即可简单地实现对弯曲方向的精确控制^[12]。