基于光聲機理的激光微驅動機構研究.pdf

1、微光機電系統(tǒng)(Micro-Opto-Electro-Mechanical System，MOEMS)的研究是進入21世紀以來極具活力的研究熱點之一。其中，微納米量級的小型馬達或驅動機構是引領未來科技微型化、智能化、人機一體化的主導科技。隨著激光技術的快速發(fā)展，將激光應用到對微型馬達機構的驅動當中，實現(xiàn)從傳統(tǒng)電磁馬達到光動力微馬達的轉變，已成為世界各國學者重點關注的新型技術突破。本課題在充分了解當前各類型微驅動機構研究現(xiàn)狀的基礎上，利用現(xiàn)

2、代激光技術，將納秒級、小功率激光應用到微米量級馬達的驅動研究當中，提出了一種通過激光誘導產生光聲振動和光聲表面波來實現(xiàn)驅動的新方法，設計研究了兩種光聲微驅動機構，即光聲諧振微驅動機構(Photoacoustic Resonation Microactuator，PRMA)和光聲表面波微驅動機構(Laser Surface Acoustic Wave Microactuator)，具有非接觸驅動與控制，便于小型化、集成化，響應快，輸出效率

3、高，結構簡單，選材廣泛等優(yōu)點，是一種具有重要科學和科研價值的新型微驅動機構。
　　本文首先分析了光聲相互轉化的基本原理，建立了物理和數(shù)學計算模型。針對納米級超短脈沖激光源，創(chuàng)建了基于高斯函數(shù)的熱源方程，推導了熱傳導方程和熱彈性方程。
　　針對光聲諧振微驅動機構的研究，理論分析了光聲諧振原理，設計了光聲諧振基本作用單元，光聲諧振臂。利用多物理場仿真分析軟件COMSOLMultiphysics求解了光聲諧振臂的共振頻譜，得出相應

4、的振動狀態(tài)，仿真了熱源能量、溫度、形變三個關鍵參數(shù)的基本特性。在光聲諧振臂的研究基礎上，設計了帶有儲能單元的PRMA-1型、PRMA-2型諧振驅動機構，儲能單元的設計使這兩種機構能獲得更大的振幅輸出。進一步優(yōu)化參數(shù)后，設計了PRMA-3型諧振驅動機構，實現(xiàn)了微型化、大振幅、快響應的MOEMS設計目標。
　　基于同步輻射LIGA(Lithographe Galvanoformung Abformtechnik)技術和線切割技術制備了

5、光聲諧振驅動機構，并實驗研究了其動態(tài)響應特性和驅動特性。使用電磁超聲探測器(Electromagnetic acoustic transducer，EMAT)探測了振動曲線，對比了振幅輸出能力;選擇10μm量級的SiO2微球和100μm量級的銅球作為驅動目標體，使用光學顯微辦法動態(tài)觀測了驅動效果，討論了四類諧振驅動機構的驅動能力。PRMA-3型機構無論是在微型化、振幅輸出、響應速度還是驅動能力上都表現(xiàn)最優(yōu)。
　　利用光聲效應產生的

6、表面波，研究了光聲表面波馬達。其利用激光誘導的表面波在馬達定子上的傳播對目標動子進行驅動，搭建了表面波傳播數(shù)學求解模型，仿真了激光誘導表面波的波動特性及傳播樣貌;從理論上分析了光聲表面波馬達在設計時應注意的問題，以保證最大程度提高馬達驅動效率;設計了直線型、旋轉型光聲表面波馬達，并基于此設計思想對環(huán)形表面波馬達定子進行了理論仿真研究。使用激光可視化實驗辦法對表面波在環(huán)形馬達定子上的傳播特性進行了分析研究，得出馬達定子的凹槽設計能保證表面