專利名稱：基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法，可作為微光機(jī)電系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器。
背景技術(shù)：
微納米技術(shù)在現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展中扮演著越來(lái)越重要的角色，作為其中一個(gè)重要分支的 MOEMS (micro-optical-electro-mechanical system)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，并在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而微驅(qū)動(dòng)器正是各種MOEMS器件中的核心部件。按驅(qū)動(dòng)原理的不同，一般驅(qū)動(dòng)器類型有電磁驅(qū)動(dòng)型、靜電驅(qū)動(dòng)型、壓電驅(qū)動(dòng)型、熱膨脹驅(qū)動(dòng)型等，各種驅(qū)動(dòng)器都有自身的優(yōu)勢(shì)，也有劣勢(shì)，比如電磁驅(qū)動(dòng)型、靜電驅(qū)動(dòng)型、壓電驅(qū)動(dòng)型、電熱膨脹驅(qū)動(dòng)型都需要供電電路和控制電路的支持，這些外圍電路會(huì)造成器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不容易集成、成本高、不能應(yīng)用于要求電磁屏蔽或遠(yuǎn)程非接觸式控制的場(chǎng)合等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。—種基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器，金屬微驅(qū)動(dòng)器包括微驅(qū)動(dòng)器主體、金屬毛細(xì)棒、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、充液腔、底座；微驅(qū)動(dòng)器主體側(cè)面均勻開有6個(gè)充液腔，充液腔中心線偏離微驅(qū)動(dòng)器中心距離為L(zhǎng)，每個(gè)充液腔內(nèi)有2根金屬毛細(xì)棒連接在微驅(qū)動(dòng)器主體上；微驅(qū)動(dòng)器主體通過(guò)下方的轉(zhuǎn)動(dòng)軸安裝在底座上。一種利用所述的金屬微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)裝置包括微驅(qū)動(dòng)器、液體、樣品池、二維可調(diào)樣品臺(tái)、照明光源、半透半反鏡、聚焦透鏡、激光、激光器、Z向可調(diào)平臺(tái)、顯微鏡物鏡、顯微鏡鏡筒、監(jiān)控CCD ;微驅(qū)動(dòng)器放置在液體和樣品池中，樣品池置于二維可調(diào)樣品臺(tái)上；照明光源位于二維可調(diào)樣品臺(tái)下方；激光器置于Z向可調(diào)平臺(tái)上，發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡會(huì)聚，再經(jīng)過(guò)半透半反鏡反射后聚焦到微驅(qū)動(dòng)器上表面；半透半反鏡位于顯微鏡物鏡下方，顯微鏡物鏡和監(jiān)控CXD分別連接顯微鏡鏡筒兩端?！N所述的驅(qū)動(dòng)裝置的使用方法，調(diào)節(jié)二維可調(diào)樣品臺(tái)使微驅(qū)動(dòng)器位于監(jiān)控CXD視野中央；調(diào)整Z向可調(diào)平臺(tái)高度，使激光器出射的激光照射到到微驅(qū)動(dòng)器的上表面中部，調(diào)整聚焦透鏡位置使激光光斑直徑略小于微驅(qū)動(dòng)器；調(diào)整激光器功率，使激光一照到微驅(qū)動(dòng)器即可使充液腔內(nèi)液體氣化，而微驅(qū)動(dòng)器外圍液體不氣化；調(diào)節(jié)激光的脈沖寬度和占空t匕，在激光脈沖作用時(shí)間內(nèi)，微驅(qū)動(dòng)器吸收部分激光能量并轉(zhuǎn)換為內(nèi)能迅速升溫，充液腔內(nèi)部液體以金屬毛細(xì)棒為中心迅速氣化、膨脹，將液體往腔外排出，產(chǎn)生一個(gè)反作用力，推動(dòng)微驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)；在激光脈沖間隔時(shí)間內(nèi)，腔內(nèi)腔外液體經(jīng)過(guò)對(duì)流和熱傳導(dǎo)使溫差減小，氣泡變小，微驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)初始狀態(tài)；在下一個(gè)激光脈沖作用下，充液腔內(nèi)液體再次氣化，產(chǎn)生反作用力推動(dòng)微驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)微驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明的有益效果能夠利用激光實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程非接觸式控制，適用于要求電磁屏蔽的MEMS器件上；不需要外圍電路支持，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易與MEMS器件結(jié)合；可以利用LIGA技術(shù)制備，具有結(jié)構(gòu)精細(xì)、深寬比大等優(yōu)點(diǎn)，可大批量復(fù)制，成本低。金屬微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)裝置能夠操縱微米尺度的器件，結(jié)合CCD監(jiān)控拓寬了激光波長(zhǎng)選擇范圍，克服了人眼及手動(dòng)操作精度的極限。


圖1是一種基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器剖面示意 圖2是一種基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器俯視示意 圖3是一種基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)原理不意 圖4是一種基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)示意 圖5是一種利用基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意 圖中微驅(qū)動(dòng)器主體1、金屬毛·細(xì)棒2、轉(zhuǎn)動(dòng)軸3、充液腔4、底座5、微驅(qū)動(dòng)器6、液體7、樣品池8、二維可調(diào)樣品臺(tái)9、照明光源10、半透半反鏡11、聚焦透鏡12、激光13、激光器14、Z向可調(diào)平臺(tái)15、顯微鏡物鏡16、顯微鏡鏡筒17、監(jiān)控(XD18。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出了一種基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器，利用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)將光能轉(zhuǎn)換為熱能再轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，無(wú)需外圍電路，利用激光即能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程非接觸式控制，且利用LIGA技術(shù)制備能夠大批量復(fù)制，可望在MOEMS器件等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明?！N基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器，金屬微驅(qū)動(dòng)器6包括微驅(qū)動(dòng)器主體1、金屬毛細(xì)棒2、轉(zhuǎn)動(dòng)軸3、充液腔4、底座5 ;微驅(qū)動(dòng)器主體I側(cè)面均勻開有6個(gè)充液腔4，充液腔4中心線偏離微驅(qū)動(dòng)器中心距離為L(zhǎng)，每個(gè)充液腔4內(nèi)有2根金屬毛細(xì)棒2連接在微驅(qū)動(dòng)器主體I上；微驅(qū)動(dòng)器主體I通過(guò)下方的轉(zhuǎn)動(dòng)軸3安裝在底座5上。一種利用所述的金屬微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)裝置包括微驅(qū)動(dòng)器6、液體7、樣品池8、二維可調(diào)樣品臺(tái)9、照明光源10、半透半反鏡11、聚焦透鏡12、激光13、激光器14、Z向可調(diào)平臺(tái)15、顯微鏡物鏡16、顯微鏡鏡筒17、監(jiān)控(XD18 ;微驅(qū)動(dòng)器6放置在液體7和樣品池8中，樣品池8置于二維可調(diào)樣品臺(tái)9上；照明光源10位于二維可調(diào)樣品臺(tái)9下方；激光器14置于Z向可調(diào)平臺(tái)15上，發(fā)出的激光13經(jīng)過(guò)聚焦透鏡12會(huì)聚，再經(jīng)過(guò)半透半反鏡11反射后聚焦到微驅(qū)動(dòng)器6上表面；半透半反鏡11位于顯微鏡物鏡16下方,顯微鏡物鏡16和監(jiān)控(XD18分別連接顯微鏡鏡筒17兩端；激光波長(zhǎng)可以選擇人眼可見(jiàn)波段(38(Γ780納米)或紅外近、紅外波段(780納米 數(shù)微米)。一種所述的驅(qū)動(dòng)裝置的使用方法，調(diào)節(jié)二維可調(diào)樣品臺(tái)9使微驅(qū)動(dòng)器6位于監(jiān)控CCD18視野中央；調(diào)整Z向可調(diào)平臺(tái)15高度，使激光器14出射的激光13照射到到微驅(qū)動(dòng)器6的上表面中部，調(diào)整聚焦透鏡12位置使激光光斑直徑略小于微驅(qū)動(dòng)器6 ;調(diào)整激光器14功率，使激光13 —照到微驅(qū)動(dòng)器6即可使充液腔4內(nèi)液體氣化，而微驅(qū)動(dòng)器6外圍液體不氣化；調(diào)節(jié)激光13的脈沖寬度和占空比，在激光13脈沖作用時(shí)間內(nèi)，微驅(qū)動(dòng)器6吸收部分激光能量并轉(zhuǎn)換為內(nèi)能迅速升溫，充液腔4內(nèi)部液體以金屬毛細(xì)棒2為中心迅速氣化、膨脹，將液體往腔外排出，產(chǎn)生一個(gè)反作用力，推動(dòng)微驅(qū)動(dòng)器6轉(zhuǎn)動(dòng)；在激光13脈沖間隔時(shí)間內(nèi)，腔內(nèi)腔外液體經(jīng)過(guò)對(duì)流和熱傳導(dǎo)使溫差減小，氣泡變小，微驅(qū)動(dòng)器6恢復(fù)初始狀態(tài)；在下一個(gè)激光13脈沖作用下，充液腔4內(nèi)液體再次氣化，產(chǎn)生反作用力推動(dòng)微驅(qū)動(dòng)器6轉(zhuǎn)動(dòng)，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)微驅(qū)動(dòng)器6的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。如圖1所示一種基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器6包括微驅(qū)動(dòng)器主體1、金屬毛細(xì)棒2、轉(zhuǎn)動(dòng)軸3、充液腔4、底座5。微驅(qū)動(dòng)器主體I邊緣內(nèi)部有充液腔4，金屬毛細(xì)棒2位于充液腔4內(nèi)并連接在微驅(qū)動(dòng)器主體I上；微驅(qū)動(dòng)器主體I通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸3置于底座5上方。如圖2、3、4所示激光照射到微驅(qū)動(dòng)器6表面，在激光13脈沖作用時(shí)間內(nèi)，微驅(qū)動(dòng)器主體I吸收部分激光能量并轉(zhuǎn)換為內(nèi)能迅速升溫,充液腔4內(nèi)部液體以金屬毛細(xì)棒2為中心迅速氣化、膨脹，將液體往腔外排出，產(chǎn)生一個(gè)反作用力Fi,其轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為Mi
權(quán)利要求
1.一種基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，金屬微驅(qū)動(dòng)器(6)包括微驅(qū)動(dòng)器主體(1)、金屬毛細(xì)棒(2)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸(3)、充液腔(4)、底座(5);微驅(qū)動(dòng)器主體(I)側(cè)面均勻開有6個(gè)充液腔(4)，充液腔(4)中心線偏離微驅(qū)動(dòng)器中心距離為L(zhǎng)，每個(gè)充液腔(4)內(nèi)有2根金屬毛細(xì)棒(2 )連接在微驅(qū)動(dòng)器主體(1)上；微驅(qū)動(dòng)器主體(1)通過(guò)下方的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(3 )安裝在底座(5)上。
2.一種利用如權(quán)利要求1所述的金屬微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，它包括微驅(qū)動(dòng)器(6)、液體(7)、樣品池(8)、二維可調(diào)樣品臺(tái)(9)、照明光源(10)、半透半反鏡(11)、聚焦透鏡(12)、激光(13)、激光器(14)、Z向可調(diào)平臺(tái)(15)、顯微鏡物鏡(16)、顯微鏡鏡筒(17)、監(jiān)控CXD (18);微驅(qū)動(dòng)器(6)放置在液體(7)和樣品池(8)中，樣品池(8)置于二維可調(diào)樣品臺(tái)(9)上；照明光源(10)位于二維可調(diào)樣品臺(tái)(9)下方；激光器(14)置于Z向可調(diào)平臺(tái)(15)上，發(fā)出的激光(13)經(jīng)過(guò)聚焦透鏡(12)會(huì)聚，再經(jīng)過(guò)半透半反鏡(11)反射后聚焦到微驅(qū)動(dòng)器(6)上表面；半透半反鏡(11)位于顯微鏡物鏡(16)下方，顯微鏡物鏡(16)和監(jiān)控CXD (18)分別連接顯微鏡鏡筒(17)兩端。
3.—種如權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)裝置的使用方法，其特征在于，調(diào)節(jié)二維可調(diào)樣品臺(tái)(9)使微驅(qū)動(dòng)器(6)位于監(jiān)控CXD (18)視野中央；調(diào)整Z向可調(diào)平臺(tái)(15)高度，使激光器(14)出射的激光(13)照射到到微驅(qū)動(dòng)器(6)的上表面中部，調(diào)整聚焦透鏡(12)位置使激光光斑直徑略小于微驅(qū)動(dòng)器(6);調(diào)整激光器(14)功率，使激光(13) —照到微驅(qū)動(dòng)器(6)即可使充液腔(4)內(nèi)液體氣化，而微驅(qū)動(dòng)器(6)外圍液體不氣化；調(diào)節(jié)激光(13)的脈沖寬度和占空比，在激光(13)脈沖作用時(shí)間內(nèi)，微驅(qū)動(dòng)器(6)吸收部分激光能量并轉(zhuǎn)換為內(nèi)能迅速升溫，充液腔(4)內(nèi)部液體以金屬毛細(xì)棒(2)為中心迅速氣化、膨脹，將液體往腔外排出，產(chǎn)生一個(gè)反作用力，推動(dòng)微驅(qū)動(dòng)器(6 )轉(zhuǎn)動(dòng)；在激光(13)脈沖間隔時(shí)間內(nèi)，腔內(nèi)腔外液體經(jīng)過(guò)對(duì)流和熱傳導(dǎo)使溫差減小，氣泡變小，微驅(qū)動(dòng)器(6)恢復(fù)初始狀態(tài)；在下一個(gè)激光(13)脈沖作用下，充液腔(4)內(nèi)液體再次氣化，產(chǎn)生反作用力推動(dòng)微驅(qū)動(dòng)器(6)轉(zhuǎn)動(dòng)，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)微驅(qū)動(dòng)器(6)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于相變作用力的金屬微驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。利用LIGA技術(shù)加工出具有高深寬比的金屬微驅(qū)動(dòng)器，利用脈沖激光照射微驅(qū)動(dòng)器使微驅(qū)動(dòng)器迅速升溫，微驅(qū)動(dòng)器局部微結(jié)構(gòu)內(nèi)的液體受熱發(fā)生氣化相變，氣泡將液體向外排產(chǎn)生反作用力驅(qū)動(dòng)微驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)整激光的功率和占空比來(lái)控制局部微結(jié)構(gòu)中的氣泡產(chǎn)生速率和大小變化，從而產(chǎn)生脈沖式的驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)微驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明原理巧妙，能夠通過(guò)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)將光能轉(zhuǎn)換為熱能再轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程非接觸式控制，可望在MOEMS器件等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
文檔編號(hào)B81B3/00GK103030092SQ20131000873
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者張冬仙, 史斌, 章海軍, 伊福廷, 王波 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)