触点式微型光热驱动器设计及实验研究

　　1　引　言

　　随着微电机系统(MEMS)在微机械[1]、微光学[2]、微纳米技术、卫星通讯、相控阵雷达等领域中的广泛应用,各种形式的微型驱动器成为新的研究热点。静电驱动[3,4]、电磁驱动[5]、压电驱动[6]、电热驱动等[7~9],是近年来国内外研究较多的一些典型微驱动技术,由此发展的微型驱动器,以其在某些方面的良好特性而各自获得应用。但是,这些驱动器多数都存在能量损耗大、结构复杂、制作和控制要求高、需要导线连接、主体尺寸不易微小化等缺点,这也在一定程度上限制了它们的推广应用。

　　现提出利用微尺度光热膨胀效应实现微驱动的新方法,设计发展了一种触点式微型光热驱动器。光热驱动技术及微型光热驱动器的特点是直接利用激光束实现非接触的微驱动,与其它微型驱动器相比,具有结构简单、能量损耗小、无需导线连接、主体可微小化等突出优点。文中介绍了光热膨胀与光热微驱动的原理,通过理论分析和实验研究,给出触点式微型光热驱动器的优化结构设计,取得理想的实验结果。

　　2　原理与方法

　　许多物质及材料在受激光照射时都会产生光热膨胀,虽然这种光热膨胀量很微小,一般在微米量级,但相对于微纳米尺度而言,已相对较为可观,可用来实现微型器件的驱动,由此发展出光热微驱动技术,设计制作各种形式和用途的微型光热驱动器。

　　图1所示为一种基本型触点式微型光热驱动器示意图。驱动器由薄片状材料制作而成,包括一个宽臂(膨胀臂)和一个窄臂,两者一端(右端)互相连接,另一端(左端)分别与基底固定,在右端下方设计有一半圆形结构,作为驱动器的触点。

　　当一束激光照射在宽膨胀臂上时,膨胀臂吸收激光的能量并转化为热能,获得一定的温升,进而产生光热膨胀;细臂没有受到激光照射,因而不发生形变。这样,宽臂和细臂的长度产生了偏差,由于驱动器左端固定,这种偏差将使其右端及触点向下偏转,产生偏转量d1。一旦激光停止照射,热量会向周围扩散,温度随之降低,驱动器将恢复到原来的状态。周期性地施加激光脉冲,即可使驱动器及触点产生周期性的偏转运动或振动,当材料和结构给定时,驱动器的振动频率和振幅主要由激光频率和功率决定。整个驱动器设计成非对称形式,一方面,宽膨胀臂可保证受光照的面积足够大,另一方面,窄臂可提高驱动器的灵活性,增大固有频率,此外,宽膨胀臂与基底之间通过一个窄桥与基底连接,可有效降低光热能量向基底的传导,从而提高光热驱动的效率。

　　在上述基本型触点式微型光热驱动器基础上,现进一步发展了一种优化型触点式微型光热驱动器,如图2所示。与基本型驱动器相比,优化型驱动器右端延长了AB段,虚线表示基本型驱动器的长度位置。这一结构等同于一个以O点为支点的杠杆,当相同功率的激光束照射在宽膨胀臂相同位置时,A点的偏转量仍将是d1,而由于杠杆的放大作用,触点B处的偏转量d2可近似表示为: