（光学工程专业论文）微尺度光热膨胀机制和光热微驱动新方法研究.pdf

浙江大学博士论文 摘要 微纳米技术是近年来发展起来的- - f 新型的交叉学科，微机电系统( m e m s ) 技术是其中的一个重要分支。微驱动机构是一种能够进行微纳米级驱动及操作 的m e m s 器件，根据实现方法的不同可以分为各种类型。热驱动机构是微驱动 机构中的一种，该技术利用材料受热后的体积膨胀实现微驱动，是当前微驱动 技术研究的一个热点所在。本文首次提出的光热微驱动机构( p h o t o t h e r m a l m i c r oa c t u a t o r , p t a ) ，以激光作为动力源，利用材料的光热膨胀效应实现微纳米 级的位移输出，具有结构简洁、制备方便、可远程操控、主体可微小化和集成 化等特点，是一种有着广阔的发展和应用前景的新型微驱动机构。 本文对光热膨胀机制进行了完整系统的研究，建立了微尺度光热膨胀的静 态及动态模型。首先分析了光热膨胀效应中出现的各种物理机制，包括有光热 能量转换、热传导、对流换热、辐射换热、以及热膨胀，研究了它们所依循的 物理规律，总结了它们在光热膨胀中所起的作用和影响。然后建立光热膨胀机 制的三维静态模型，在满足毕渥数准则的情况下将其简化为二维模型，通过数 值模拟的方法得到了微机构内的二维温度分布。根据二维模型的结果，将二维 模型进一步简化到一维，推导出了一维静态模型的分析解，得到了激光照射下 微机构的静态温度分布和静态伸长量的表达公式，并以一种微膨胀臂为例进行 了理论计算和分析。最后在一维静态模型的基础上，发展了光热膨胀的动态模 型，得到了激光照射下微机构的瞬态温度分布和瞬态伸长量的表达公式，并以 微膨胀臂为例讨论了其在连续激光和脉冲激光照射下的动态响应。 在理论研究的基础上，首次设计并制备出各种新型光热微驱动机构。基本 型微膨胀臂直接利用微膨胀臂的光热膨胀效应实现微纳米级的微驱动。优化型 微膨胀臂根据光热膨胀的特点对基本型微膨胀臂的结构进行了改进。双臂对称 型p t a 将膨胀臂长度方向的伸长量转化为自由端的偏转量，提高了驱动机构的 性能。双臂非对称型p t a 是在对称型基础上的进一步优化，具有更精巧的结构 和更高的自由度。选用具有高膨胀低热导的塑料作为p t a 的原材料，提高了微 驱动机构的输出性能，稳定了其位移输出。p t a 的加工采用了准分子激光加工 技术，利用准分子激光加工技术在冷加工上的优势，可以在保证加工精度和边 缘光滑度的基础上，提高加工的效率和速度。 研究建立了光热微驱动控制系统。整个系统主要包括光路控制系统，电路 控制系统和机械控制系统。光路控制系统和电路控制系统根据电光调制原理设 计，共同实现对激光即时功率，脉冲频率和脉冲占空比的控制。光路控制系统 同时实现对驱动激光的聚焦。机械控制系统负责控制激光的入射角度和入射位 置。为了观察测量p t a 的位移输出，设计了由体视显微镜和c c d 组成的观测 浙江大学博士论文 装置，它可以在观察微机构工作的同时作出计量和记录。对原子力显微镜进行 改装，实现了可以获得p t a 振荡曲线的测量装置。 开展了光热膨胀和光热微驱动技术的实验研究，首次实现了光热微驱动， 并对其性能进行了分析和优化。利用准分子激光加工技术实现了前面设计的各 种p t a ，利用自行研制的观测装置对它们进行了实验研究。实验测得，基本型 微膨胀臂在毫瓦级的激光照射下可以输出微米级的微位移，而优化型微膨胀臂 相对基本型微膨胀臂在减小了长度，宽度和体积的基础上保证同样的输出性 能。双臂对称型p t a 在同样功率的激光照射下提高了自身的位移输出，且能够 实现两个相反方向的微驱动。双臂非对称型p t a 在只输出单方向位移的前提下 对双臂对称型p t a 进行了优化，减小了机构的体积和惯性，提高了其灵活性。 通过实验对双臂非对称型p t a 的几种变体进行了比较研究，分析了结构变化对 双臂非对称型p t a 性能的影响。利用a f m 改造装置获得了p t a 在脉冲激光下 的振动曲线，证明了利用光热振动实现连续驱动的可能性。研究了各种p t a 的 光热振动特性，分析了振幅与脉冲的重复频率之间的关系。 最后总结了整个课题研究中获得的成果：从理论和实验两个方面分析了光 热膨胀效应的内在机制，证明了利用光热膨胀实现微驱动的可行性，实验测定 了p t a 的性能并进行了优化。另外，还提出了工作中的不足和有待完善之处， 对日后的工作给出了方向性的建议。 关键词：微纳米技术，m e m s ，微驱动机构，电热驱动机构，光热膨胀机制， 光热微驱动机构( p t a ) ，准分子激光加工技术，体视显微镜，原子力显微镜， 微位移输出，性能优化 i i 浙江大学博上论文 a b s t r a c t m i c r o n a n o - t e c h n o l o g yi s an e w l yd e v e l o p e di n t e r d i s c i p l i n a r ys u b j e c ti n r e c e n ty e a r s ，a n dm i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) a r eo n eo fi t si m p o r t a n t b r a n c h e s m i c r oa c t u a t o r sa r eak i n do f 匝m sw h i c hc a l li m p l e m e n tm i c r o n a n o o r d e rd r i v ea n do p e r a t i o n ；m e yc a nb ed i v i d e dt ok i n d so ft y p e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n t r e a l i z i n gm e t h o d t h e r m a la c t u a t o r sa r eak i n do fm i c r oa c t u a t o r st h a tu t i l i z et h e r m a l e x p a n s i o nt or e a l i z em i c r od r i v e ，a n dh a v eb e c a m eaf o c u so fc u r r e n tm i c r oa c t u a t o r r e s e a r c h t h ep h o t o t h e r m a lm i c r oa c t u a t o r s ( p t a ) i n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o nf o r t h ef i r s tt i m e ，t a k el a s e ra sp o w e rs o u r c e ，u t i l i z ep h o t o t h e r m a le x p a n s i o nt oo u t p u t m i c m n a n oo r d e rd i s p l a c e m e n t ；t h e yh a v ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，e a s y f a b r i c a t i o n ，r e m o t ec o n t r o l ，h i g hd e g r e eo fm i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o n ，a r eak i n d o fi n n o v a t em i c r oa c t u a t o rw i t hc o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t l l i sd i s s e r t a t i o nc a r r i e so u tc o m p l e t ea n ds y s t e m a t i cr e s e a r c ho nm i c r os c a l e p h o t o - t h e r m a le x p a n s i o nm e c h a n i s m p h o t o t h e r m a le x p a n s i o ni sak i n do fc o m p l e x m e c h a n i s mt h a ti n v o l v e ss e v e r a lp h y s i c a lp h e n o m e n o n s ，i n c l u d i n gp h o t o t h e r m a l e n e r g yt r a n s f o r m a t i o n ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r , i r r a d i a t i v eh e a t t r a n s f e ra n dt h e r m a le x p a n s i o n w ea n a l y z ea l lt h e s ei n n e rm e c h a n i s m st h e o r e t i c a l l y ， s t u d yt h e i rf u n c t i o n sa n di n f l u e n c e so np h o t o - t h e r m a le x p a n s i o n b a s e do nt h e s e t h e o r e t i c a la n a l y s e s ，t h r e e d i m e n s i o n a ls t a t i cm o d e li sb u i l t t h e ni ti sr e a s o n a b l y s i m p l i f i e dt oat w o d i m e n s i o n a lm o d e lo nt h ec o n d i t i o nt h a tb i o tn u m b e ri sm u c hl e s s t h a nl ，a n dt w o - d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni sc a l c u l a t e dn u m e r i c a l l y a c c o r d i n gt ot w o - d i m e n s i o n a lc a l c u l a t i o nr e s u l t ，t h em o d e li sf u r t h e rs i m p l i f i e dt oa o n e d i m e n s i o n a l m o d e l b yd e d u c i n g i t s a n a l y t i c a ls o l u t i o n , w eg e tg e n e r a l e x p r e s s i o n so fs t a t i ct e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fp t ea n di t ss t a t i cl e n g t hi n c r e m e n t u s i n gt h e s ee x p r e s s i o n s ，w ei m p l e m e n tt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so na n i n s t a n t i a lm i c r oe x p a n s i o na m 。ao n e d i m e n s i o n a ld y n a m i c a lm o d e li sp r o v i d e do n t h eb a s i so fo n e - d i m e n s i o n a ls t a t i cm o d e l ，i tb r i n g s u pe x p r e s s i o n so ft r a n s i e n t t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt r a n s i e n tl e n g t hi n c r e m e n to fp h o t o t h e r m a la c t u a t o r s w e s t u d yv i b r a t o r yr e s p o n s eo fe x p a n s i o na r mw h i l ea c t u a t e db yp e r i o d i cl a s e rp u l s e ， a n da l s od e p e n d e n c i e so fv i b r a t i o na m p l i t u d eo nr e p e t i t i o nf r e q u e n c ya n dd u t yr a t i oo f l a s e rp u l s e a c c o r d i n gt oa b o v et h e o r e t i c a la n a l y s e s ，w ed e s i g na n dp r o d u c es e v e r a lt y p e s o fp t ef o rt h ef i r s tt i m e b a s i cm i c r oe x p a n s i o na r mu t i l i z el e n g t hi n c r e m e n tt o r e a l i z em i c r od r i v ed i r e c t l y o p t i m i z e dm i c r oe x p a n s i o na r n li m p r o v e ss t r u c t u r eo f b a s i cm i c r oe x p a n s i o na r m d o u b l ea r ms y m m e t r i cp t at r a n s f o m ：l sl e n g t hi n c r e m e n t o fh e a t e da r n lt od e f l e c t i o na tt h ef r e ee n da n di m p r o v e si t sp e r f o r m a n c e d o u b l e a s y m m e t r i cp t ai saf u r t h e ri m p r o v e m e n tt y p ew i t hm o r ee l a b o r a t es t r u c t u r ea n d h i g h e rd e g r e eo fm o b i l i t y u s i n gb l a c kp l a s t i co fl a r g ee x p a n s i o na n dl o wt h e r m a l c o n d u c t i v i t yc a ng i v ep t eb e t t e ra n dm o r es t a b l ep e r f o r m a n c e e x c i m e rl a s e r i i i 浙江大学博士论文 w o r k s t a t i o ni s a p p l i e dt op r o d u c ep h o t o t h e r m a la c t u a t o r s ，w h o s ep r e d o m i n a n t a d v a n t a g e si nc o l d w o r k i n gf i e l d sc a l lg u a r a n t e eh i g hm a c h i n i n ga c c u r a c y ，s m o o t h m a c h i n i n ge d g ea n dh i g he f f i c i e n c y a p h o t o - t h e r m a lc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e da n dd e v e l o p e d i tc o n s i s t so fl a s e r s o u r c e ，o p t i c a lp a t hs y s t e m , e l e c t r i c a lc i r c u i ts y s t e ma n dm e c h a n i c a ls y s t e m t h e o p t i c a lp a t hs y s t e ma n de l e c t r i c a lc i r c u i ts y s t e mc o o p e r a t et o g e t h e rt oc o n t r o li n s t a n t l a s e r p o w e r ，p u l s ef r e q u e n c ya n dd u t y r a t i oo fl a s e rp u l s eu s i n ge l e c t r o - o p t i c m o d u l a t i n gm e t h o d t h eo p t i c a lp a t hs y s t e mi sa l s or e s p o n s i b l ef o rf o c u s i n gh e a t i n g l a s e r m e c h a n i c a ls y s t e mi sr e s p o n s i b l ef o ra d j u s t i n gi n j e c t i o na n g l ea n di n j e c t i o n p o s i t i o no fd r i v i n gl a s e r t oo b s e r v ea n dm e a s u r em i c r od i s p l a c e m e n to u t p u to fm i c r o a c t u a t o r s ，w ed e s i g nas p e c i a la p p a r a t u sc o m p o s e db yc c da n ds t e r e o s c o p i c m i c r o s c o p e u s i n gt h i sd e v i c e ，w ec a nn o to n l yo b s e r v em i c r oa c t u a t o r s ，b u ta l s o m e a s u r et h e i rd e f o r m a t i o n sa n dr e c o r dt h e m m e a n w h i l e ，w em o d i f ya t o m i cf o r c e m i c r o s c o p e ( a f m ) t og e ta na p p a r a t u sw h i c hc a ng e tv i b r a t i o nc u r v eo fp t aw h i l e a c t u a t e db yp e r i o d i cl a s e rp u l s e w ep r a c t i c a l l yc a r r yo u te x p e r i m e n t a ls t u d yo fp h o t o - t h e r m a le x p a n s i o na n d p h o t o t h e r m a lm i c r oa c t u a t o rt e c h n o l o g y ，p u tp h o t o t h e r m a lm i c r oa c t u a t o ri n t o p r a c t i c ef o rt h ef i r s tt i m e w eu s eo u rs e l f - d e s i g n e da p p a r a t u st os t u d yo u rs e l f - r e a l i z e dp h o t o - t h e r m a la c t u a t o r se x p e r i m e n t a l l y t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a ts i m p l e e x p a n s i o na l t l lc a no u t p u tm i c r os c a l ed i s p l a c e m e n tw h i l ea c t u a t e db yl a s e ro f m i l l i w a t to r d e r a l t h o u g ho p t i m i z e de x p a n s i o na r m sh a v es h o r t e rl e n g t h ，n a r r o w e r w i d t ha n ds m a l l e rv o l u m et h a ns i m p l ee x p a n s i o na r m ，t h e yc a ng i v et h es a n l eo u t p u t p e r f o r m a n c e d o u b l ea r ms y m m e t r i cp t ai m p r o v et h e i ro w nd i s p l a c e m e n to u t p u t w i t h o u ti n c r e a s i n gh e a t i n gl a s e rp o w e r ；t h e yc a na l s or e a l i z i n gm i c r od r i v eo ft w o o p p o s i t ed i r e c t i o n s d o u b l ea l t ns y m m e t r i cp t ao p t i m i z es y m m e t r i ct y p e ，r e d u c e t h e i rs i z ea n di n c r e a s et h e i rm o b i l i t yw h i l et h e yc a no n l yo u t p u tm i c r od i s p l a c e m e n ta t o n ed i r e c t i o n t h ep e r f o r m a n c e so fs e v e r a lm o d i f i c a t i o nt y p e so fa s y m m e t r i c a c t u a t o r sa r es t u d i e da n dc o m p a r e dt h r o u g he x p e r i m e n t , t h er e s u l ts h o w sh o w s t r u c t u r ec h a n g e si n f l u e n c ep e r f o r m a n c eo fa c t u a t o r s t h ev i b r a t i o nc u r v ei sa c q u i r e d u s i n gm o d i f i e da f ms y s t e m ，a n di tp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo fp e r s i s t e n td r i v e w ea l s o s t u d yp h o t o t h e r m a lv i b r a t i o no fs e v e r a lp t a ，a n da n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n v i b r a t i o na m p l i t u d ea n dr e p e t i t i o nf r e q u e n c y t h ea c h i e v e m e n t so ft h i sw h o l es u b j e c ta r ec o n c l u d e da tt h ee n do ft h i s d i s s e r t a t i o n ：a n a l y z i n g i n n e rm e c h a n i s m so fp h o t o t h e r m a l e x p a n s i o nt h r o u g h t h e o r e t i c a ls t u d ya n de x p e r i m e n t , p r o v i n gf e a s i b i l i t yo fp h o t o - t h e r m a lm i c r oa c t u a t o r ， p r a c t i c a l l ym e a s u r i n ga n do p t i m i z i n gp e r f o r m a n c eo fp t a m e a n w h i l es o m e i n s u f f i c i e n tp o i n t so fo u rw o r k sa r ep o i n t e do u t ，a n ds o m ed i r e c t i o n a la d v i c e so nh o w t oc o n t i n u i n gf u t u r ew o r ka r ep r o v i d e da sw e l l k e y w o r d s ：m i c r o n a n ot e c h n o l o g y ，m e m s ，m i c r oa c t u a t o r , e l e c t r o t h e r m a la c t u a t o r , p h o t o t h e r m a le x p a n s i o nm e c h a n i s m ，p h o t o - t h e r m a la c t u a t o r ( p t a ) ，e x c i m e rl a s e r ， i v 浙江大学博士论文 m a c h i n i n gt e c h n o l o g y ，s t e r e o s c o p i cm i c r o s c o p e ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，m i c r o d i s p l a c e m e n to u t p u t ，p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n v 浙江大学博士论文 第一章绪论 本章提要：介绍了微纳米技术的概念，其产生的过程和发展的历史；总结了当 前微纳米技术主要的应用领域；展望了未来微纳米技术的发展和应用前景。介 绍了微纳米技术的分支微机电系统( m e m s ) ，当前发展的概况，主要研究的方 向和未来的前景。逐一阐述了m e m s 技术所涉及的各个领域，突出了其中的微 驱动技术。列举了当前流行的各种微驱动机构，详细介绍了以电热驱动机构为 代表的热膨胀驱动技术。在总结了各种热驱动机构的特点上，提出了本文的课 题光热微驱动新方法的研究。最后给出了本文的主要研究内容和研究成果。 1 1 微纳米技术的研究发展现状 1 9 5 9 年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者r i c h a r df e y n m a n 在美国物理学 会年会上发表了题为“t h e r ei sp l e n t yo fr o o ma tt h eb o t t o m ”的文章，大胆预言 随着技术的进步，人类将最终在原子级别对物质进行操作，并首次提出了一些 有关纳米的概念f l l 。但是，由于科学技术水平的限制，在其后的一二十年内 f e y n m a n 的设想都没有引起人们的重视。直到7 0 年代，科学家才开始从不同的 角度提出许多有关微纳米科技的构想。1 9 7 4 年，日本东京理科大学n o r i o t a n i g u c h i 在“o nt h eb a s i cc o n c e p to f n a n o t e c h n o l o g y ”一文中首次提出了纳米 技术( n a n o t e c h n o l o g y ) 的概念。同年，美国康奈尔大学的研究人员开始利用气 相凝集的手段制备纳米颗粒，开始了人工合成纳米材料。1 9 8 2 年，b i n i n g 和 r o h r e 发明了研究微纳米的重要工具一扫描隧道显微镜【2 1 。1 9 9 0 年7 月，第一届 国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举行。微纳米技术随后在整个世界范围 内迅猛发展，到今天已成为年产值在千亿美元的新型产业。 微纳米技术作为近几十年兴起的高新技术，近些年获得了蓬勃快速的发 展。在二十一世纪，微纳米技术与信息技术，生物技术并称为2 1 世纪社会经济 发展的三大支柱，成为当今世界大国争夺的战略制高点。微纳米技术作为一种 前沿交叉学科，是现代科学( 混沌物理量子力学、介观物理、分子生物学) 和 现代技术( 计算机技术、微机械、微电子和扫描隧道显微技术、核分析技术) 结合的产物，涵盖了很多学科领域，并且仍在不断壮大。微纳米技术包含的学 科主要有：纳米材料学【3 羽、纳米物理学7 。9 1 、纳米化学【1 0 - 1 2 1 、纳米检测学【1 3 。 15 1 、纳米电子学【1 6 ，1 7 1 以及纳米生物学【1 8 也o 】等等。作为- - f 新型学科，微纳米技 术使人类能够对物质的本质在更加微观的水平上进行研究，实现各种具有特殊 功能的微型系统和微型器件，这必将迅速的改变物质产品的生产方式，提高产 品的质量，拓宽它们的应用范围，进而在社会生产途径，人类生活方式和人们 浙江人学博士论文 的思维模式等几个方面对人类社会产生深刻的影响，推动人类社会的进步。 世界上的很多发达国家在早期就意识到微纳米技术的发展对于国家整体科 学技术水平的进步和现代生产力的提高有着非常重要的作用，将微纳米技术作 为自己国家关键重点发展的技术之一。美国最早成立了纳米科技研究中心，国 际商用机器公司( i b m ) 和德克萨斯仪器公司( t i ) 都是积极参与者，很多著 名大学和研究机构都在重点发展微纳米科技研究。从1 9 9 1 年开始，美国正式把 微纳米技术列入国家关键技术，随后启动各种项目，开始努力推进微纳米技术 的商业化应用。当前美国在微纳米材料合成，微纳米生物学等方面都有着很大 的优势。日本也是最早开展微纳米技术基础研究和应用研究的国家之一，早在 8 0 年代初就以巨资投入微纳米技术研究，制定了庞大的国家计划。日本的微纳 米技术在总体上领先于世界上绝大多数开展微纳米研究的国家，在很多方面甚 至超过了美国，其在超微粒子研究、纳米机构研究、量子波研究、原子表面控 制研究、固液界面研究、固体融合研究、粒子表面研究、单粒子点研究等方面 取得了许多世人瞩目的成果。德、英等欧洲国家的研究机构也在政府的支持下 对机械、光学、电子学等关键领域进行了深入的研究。 我国在微纳米技术领域的研究也在不断的加大投入。并取得了很多令世人 瞩目的成果。1 9 9 3 年，北京真空物理所利用s t m 实现单原子操纵，写出具有 纳米线宽的“中国”两个字；1 9 9 8 年，清华大学成功制备出直径为3 5 0n l t l 、 长度达数微米的氦化镓半导体一维纳米晶体棒；1 9 9 8 年，中科院物理所合成世 界上最长的3 m m 碳纳米管；1 9 9 9 年，北京大学首次将单壁碳纳米管竖立在金 属表面上，组装出世界上最细的s t m 探针；此后中科院沈阳金属研究所卢柯研 究员领导的小组在世界上首次直接观察到纳米金属材料在室温下的超塑延展 性。虽然已经取得了一定的成就，但由于起步较晚，基础理论薄弱以及硬件环 境落后，导致我国在微纳米技术领域与美国，日本和欧洲等经济科技发达的国 家和地区相比仍然存在着较大的差距。这种差距的弥补需要我们克服各种实际 困难，付出更加艰辛的努力。 微纳米技术的广泛应用已是大势所趋，我国完全可以抓住这一千载难逢的 历史机遇，赶上并超过国际先进水平。这需要很多学科的不同专业研究人员协 同合作、群策群力，才能实现新的突破。 1 2 微机电系统( m e m s ) 概述 1 2 1m e m s 技术的新发展 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 是一种集成微电子 和微机械、具有微观尺寸的静止或移动部件的装置。m e m s 技术是微纳米技术 2 浙江大学博士论文 中一个重要的分支领域，m e m s 主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器 和相应的处理电路等几部分【2 1 1 ，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信 息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 m e m s 技术作为一种典型的多学科交叉的前沿研究领域，几乎涉及到自然 科学及工程技术的所有领域如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医 学、材料科学和能源科学等。与不同的技术结合，往往便会产生一种新型的 m e m s 器件【2 2 】。m e m s 技术发展到今日，按照m e m e s 应用领域的不同，可以 将m e m s 分为以下几类【2 3 。2 8 】： 微型传感器。传感器一直是m e m s 最主要的组成部分。1 9 6 2 年，第一个硅 微型压力传感器的问世开创了m e m s 技术的先河，并一直是推动m e m s 技术不 断进步的动力，同时m e m s 技术的应用又使传感器的性能提高了几个数量级。 目前研究已形成产品的微型传感器能够探测的自然信息有：压力力矩、加速 度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、p h 值、离子浓 度、生物浓度等等。如今微型传感器正朝着智能化的方向发展1 2 9 l 。 微型执行器。微执行器主要种类有：微开关、微谐振器、微阀门、微泵和 微驱动机构等。微执行器的驱动力主要有静电【3 0 】、压力、电磁和热。利用热膨 胀实现的微驱动机构是当前微执行器领域的热点所在，自g u c k e l 在1 9 9 2 年设 计出e t c 电热驱动器后，各种各样的电热驱动器应运而生，在光学、电子学领 域内都取得了广泛的应用。 微型光机电器件和系统。由m e m s 与光器件融合一体的微型光机电系统 m o e m s 是m e m s 技术中的一个重要研究方向【3 。，i i 公司利用m e m s 技术制 作出微投影仪，该投影仪由微反射镜面阵列组成，反射镜的偏转由电压来控制。 还可以在硅片上制作出激光器、光探测器、处理电路及有关光学系统，形成自 由空间微光学平台。 微型机器人。通常指能够完全或者部分代替人工完成微细加工和操作的微 器件或者系统。例如随着微电子产业的迅猛发展，电子器件的尺寸越来越小， 对组装精度的要求也越来越高，用人工的手段已经很难满足工业应用的需求。 微型机器人可以代替人组装高精密的产品。 微型动力系统。微型动力系统以电、热、动能和机械能的输出为目的，为 各种微型机电系统提供动力源。比如m i t 研究的微型涡轮发动机，已在硅片上 制作出涡轮机模型。m i t 研究的另一种微型双组火箭发动机，整个发动机约长 1 5i n n l ，宽1 2m m ，厚2 5r n i i l ，使用液态氧和乙醇作燃料，预计能产生1 5 n 的推 力，推力重量比是目前大型火箭的1 0 1 0 0 倍。 除此之外还有微飞行器、微电机、微流体系统以及生物芯片等等。随着与 现代高科技工业领域的结合的愈发紧密，m e m s 产品的种类愈发多样化，涉及 的学科范围也越来越广泛，技术进步也越来越快。 浙江大学博士论文 1 2 2 m s 技术的应用前景 世界各国都非常重视m e m s 技术的研究和应用，大量的实用化m e m s 器 件产生并应用于科研生产医疗卫生等各个领域。比如在民用上，非冷却红外传 感器可以使司机能看到在车灯照射范围以外的人或动物，保证了夜间行车的安 全。利用m e m s 工艺制作的微加速计已经广泛应用于汽车，列车和航空运输机 上，提高了定位的即时性和准确性。t i 公司设计研制的数字光处理器件 ( d l p ) 也是一种新型的m e m s 系统，该系统是一种数字微镜器件，被广泛的 应用于高清晰度显示设备。在微流体领域，已经出现了商品化的微泵和微阀 门，虽然m e m s 驱动机构的力过小限制了微泵和微阀的驱动压力和流动速率， 但是在微尺度范围内已经可以保证很好的性能。在军用上，m e m s 加速度仪和 光线陀螺等对坦克、飞机的精确定位和导航有着举足轻重的作用。日本制作的 仅有钱币大小的廉价机器人，可以通过大量布置来代替人完成侦察、排雷和探 测生化武器等危险作业。麻省理工设计的微型飞行器，飞行速度3 0 5 0k m h ，空 中停留时间1 小时，有侦察和导航能力，可以用来从事战场侦察，通信中继和 反恐怖活动。利用m e m s 技术制成的具有特殊防卫功能的材料，具有程序控制 和动态可调整等特性，可以用来制造潜艇表面和飞机智能机翼。在战况信息传 递方面，已开发出记载传感器和微通信器件，这些器件可以组成覆盖范围广， 且完全自主控制的传感器网络，使得战斗机和无人驾驶侦察机具有地形识别、 通信和其他扩展功能。医疗上，血管机器人的应用可以将药物送到制定的器官 使其被生物组织充分吸收，极大的提高了药物的疗效。 m e m s 技术是一门刚刚起步的新兴技术，虽然取得了理论和实践上的成就 也获得了一定程度的应用，但还存在很多亟待解决的问题。在微观领域内不能 完全采用宏观世界中的理论模型，比如理论力学，材料力学，流体力学，电磁 学以及热学等经典理论。m e m s 技术的发展需要我们在追求技术上精益求精的 同时，要创立完善的适用于微观领域的理论模型。m e m s 器件的特殊尺寸和结 构对器件的材料和加工工艺也都提出了新的要求。另外，m e m s 的应用潜力巨 大，还没有被充分挖掘，需要我们设计出更多新颖实用的微器件来服务于军用 民用等多方领域。 1 3 微驱动技术 微驱动技术属于m e m s 技术的一个分支，其主要研究方向是应用具有一定 特性的材料通过特殊的加工制作手段制造出尺寸在毫米级及其以下的微驱动器 和微驱动机构，这些微驱动机构可以在电磁，热，静电，压力等不同动力的驱 动下产生微纳米级的微小位移或驱动力。利用微驱动机构我们可以实现很多复 4 浙江大学博士论文 杂机构，例如照相机中的自动调焦机构，可以改变波前相位分布的微镜片阵 列，以及各种精密定位平台等等。微驱动机构还可以和别的微机构在一起组成 更复杂的m e m s 系统1 3 2 1 ，比如微开关、微阀门、微型马达等。如今按照驱动机 构驱动方式的不同，驱动机构可以分成各种类型，包括有静电驱动型【3 3 】、光致 伸缩型瞰】、电磁驱动型【3 5 1 、热膨胀型【3 6 1 、压电驱动型【3 7 1 、超声波型1 3 引、记忆合 金型【3 9 j 、磁致伸缩型1 4 0 1 。由于动力源和驱动方式上的多样化，这些驱动机构在 性能上有着各自的优点和缺点，适用于不同的环境和技术领域。 1 3 1 微驱动机构及微驱动器 微驱动技术发展至今已经演变出了各种各样，种类繁多的微型驱动机构。 不同的驱动机构之间在驱动原理，器件结构上都有很大的区别，其使用的领域 也不同。目前，发展成熟且已经广泛应用的微驱动机构主要有下述类型： 静电型微驱动机构是利用静电荷的库仑引力或斥力产生变形而发生位移。 静电型驱动机构的结构简单，控制方便，动作范围较大，可产生旋转运动【4 1 1 ， 响应速度较高，功耗小，适于集成化制作，但是也存在着驱动力不大以及驱动 电压高等缺点。静电式微驱动机构应用比较广泛，在投影机微光阀产业中都已 经规模化使用。 电磁型微驱动机构的动力来自于磁场中的载流导体受到的洛仑兹力。电磁 驱动机构的结构原理简单，行程大，动作灵敏，控制方便，性能稳定，同时具 有输出力大，价格低廉等特点。但是，由于电磁力的驱动效率受电磁线圈的电 流密度以及铁芯的体积有关，所以电磁型驱动存在着能耗高，温漂噪声大，难 以小型化集成化等缺点。这些都阻碍了电磁性驱动机构在m e m s 中的进一步应 用。 有些晶体( 如石英晶体、b a t i 0 3 、p z t 等) 在电压作用下自然会产生形 变，称为逆压电效应；反之晶体在外力作用下会产生电压，这就是所谓的压电 效应。压电驱动机构的工作原理就是基于晶体具有的逆压电效应。压电型驱动 机构，其行程范围相对较小，一般做直线运动，但在超声波马达中可以旋转， 响应速度较高，主要优点是驱动力大，位移分辨率高可达纳米量级，易于控 制，主要应用在高精密测量仪器比如扫描隧道显微镜和原子力显微镜。但是现 有的压电晶体材