CN107188113B - 一种纳米位移执行器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种纳米位移执行器，在衬底(3)的上表面依次设有氧化石墨烯薄膜(2)、薄膜上方承载面(1)构成一个位移传动的承载体，其中薄膜上方承载面作为位移传动的承载面；在所述位移传动的承载体的两端分别设有左密封腔体的密闭墙(4)、右密封腔体的密闭墙(5)，在左密封腔体的密闭墙的外端设有环境气氛输出控制管道口(6)，在右密封腔体的密闭墙的外端设有环境气氛输入控制管道口(7)，在左密封腔体的密闭墙的内端与位移传动的承载体之间设有左滑动接触装置(8)，在右密封腔体的密闭墙的内端与位移传动的承载体之间设有右滑动接触装置(9)，该微位移执行器提供一种新颖、高效、适合多种应用场合的途径。

Description

一种纳米位移执行器

技术领域

本发明涉及一种纳米级超精细位移执行器的设计，通过合理设计氧化石墨烯薄膜传动结构，获得一种在特殊环境应用下的纳米级位移操作。属于微电子学中的精密机械和精密仪器的和技术领域。

背景技术

微位移(Micro Displacement)也称为微传动。当前随着科学技术的迅速发展,尤其是在微电子技术、宇航、材料、生物工程等学科的发展,对精密机械和精密仪器的精度及灵敏度要求越来越高。例如,在材料学科中,科学家们为了探测材料表面的原子结构,甚至将其原子结构做重新排列,对于相应的操作精度要求达到了亚纳米级。例如，在做材料表征形貌观察时，常常需要移动电镜当中的样品杆，这同样需要纳米级的微位移操作。这方面典型的微位移实例有以下几种：1、机械传动式微位移机构，机械传动式微位移机构是一种最古老的机构,在精密机械和仪器中应用很广,其结构形式较多,主要有螺旋机构、杠杆机构、契块凸轮机构以及它们的组合机构。但因机构中存在机械间隙、摩擦磨损以及爬行现象等,所以运动灵敏度和精度都很难达到高精度,所以该机构只适宜于中等精度。2、电热式和弹性变形传动式微位移机构，电热式微位移机构结构简单、操作控制方便,与大降速比的机械传动式微位移机构相比,它的刚度高且无间隙。但因传动杆与周围介质之间有热交换,因而影响位移精度。弹性变形微位移机构是依靠片弹簧、螺旋弹簧等弹性元件的变形来实现微动的,在传递位移过程中,无外部摩擦,仅存在材料内部分子之间的内摩擦,因此具有较高的灵敏度和稳定性,并具有较高的分辨率。3、压电、电致伸缩式微位移机构，利用压电元件(陶瓷)的逆压电效应来实现微位移,改变输入电压的大小即可得到不同的微位移,从而避免了机械结构造成的误差,所以具有既有简单、尺寸小、分辨率极高(可达纳米级)、发热少、无杂散电磁场、便于遥控、有较好的动特性和有很高的响应频率等优点。

随着超精密加工及测量技术、微型机械、微电子技术、宇航、材料、生物工程等学科的发展,对微位移机构的研究日益受到国内外重视,且得到了迅速发展和广泛应用,但因机械加工精度、机构的复杂性、相关参数的控制精度、电磁屏蔽等目前技术水平的制约,其应用还受到一定影响。随着纳米材料与技术的发展，碳纳米管、石墨烯等新型纳米材料的制备一直广泛得到关注，尤其是新型材料的薄膜制备引起科学家很大的兴趣。氧化石墨烯(GO)的这种比表面积大、层间距离可调控、吸附能力强等特点使其很容易受到人们的关注。通过成熟的石墨烯氧化技术Hummers法获得高纯氧化石墨烯，再通过对GO水相分散液实施旋涂法或喷涂法来制备获取氧化石墨烯薄膜并精确控制其厚度，最后通过一系列环境气氛中的湿度(水)来调节层间距从而实现纳米级微位移操作。这种新型的绿色高效，简单经济的纳米级微位移执行器的概念不仅适用于氧化石墨烯薄膜，也打开了探索其他二维材料薄膜的大门。因此，发展一种有效实现微位移操作的方法就具有显著的现实意义。

发明内容

技术问题：基于以上问题，本发明的目的是提供一种纳米级位移执行器，使用环境气氛中的湿度含量对氧化石墨烯薄膜进行厚度控制从而实现纳米级位移操作的设计思路。该设计方法基于比较成熟的氧化石墨烯薄膜制备的前提，主要针对在超精细位移环境应用下的纳米级位移。例如，其可以被应用于电镜下样品杆的微位移操作，以及探测材料表面的原子结构等微位移操作。

技术方案：本发明的一种纳米级位移执行器在衬底的上表面设有氧化石墨烯薄膜，在氧化石墨烯薄膜上表面为薄膜上方承载面构成一个位移传动的承载体，其中薄膜上方承载面作为位移传动的承载面；在所述位移传动的承载体的两端分别设有左密封腔体的密闭墙、右密封腔体的密闭墙，在左密封腔体的密闭墙的外端设有环境气氛输出控制管道口，在右密封腔体的密闭墙的外端设有环境气氛输入控制管道口，在左密封腔体的密闭墙的内端与位移传动的承载体之间设有左滑动接触装置，在右密封腔体的密闭墙的内端与位移传动的承载体之间设有右滑动接触装置。

其中：

所述左密封腔体的密闭墙、右密封腔体的密闭墙与位移传动的承载体之间营造出环境气氛扩充前的密闭腔。

所述环境气氛输出控制管道口、环境气氛输入控制管道口的外端分别连接外部的环境气氛；环境气氛输出控制管道口、环境气氛输入控制管道口的内端分别连接位移传动的承载体旁的密闭腔。

所述左滑动接触装置、右滑动接触装置与所述位移传动的承载体之间使用油封法来保持密封不透气。

所述氧化石墨烯薄膜材料的制备方法为：对石墨的预氧化之后，进行多次再氧化使得氧化充分，再通过旋涂实现氧化石墨烯薄膜的制备；而氧化石墨烯薄膜的厚度由旋涂、喷涂法来控制。

所述位移传动的承载体的衬底，在衬底的下部设有一体式密封腔的底座，并在衬底的下部开了几个进气扩散孔，环境气氛输出控制管道口、环境气氛输入控制管道口分别与一体式密封腔的底座连通。

有益效果：本发明提出基于氧化石墨烯薄膜的纳米位移执行器的设计方法。结合材料生长，MEMS器件技术设计，器件试制等研究手段和方法设计了可实现纳米级微位移的操作体系。本发明为微位移执行器提供一种新颖、高效、适合多种应用场合的途径，为超精密加工及测量技术、微型机械、微电子技术等相关领域的研究提供一条新的发展思路，具有深刻和广泛的研究意义和应用前景。

1、本发明使用新颖的“水吸附”方法设计该位移执行器。其中符合实际需要的是设计两种结构的位移执行器结构，如图1的器件结构简单便捷，如图2的器件结构有充分的气氛扩散，位移响应更迅速。

2、本发明将设计过程进行了功能化的区分，实行多种结构的组合式运用，可以选择多种应用场合。

3、本发明设计具有成本低廉，技术先进，新颖创新，美观大方等特点，而且使用便捷方便，二次维修费用低，经济环保。

附图说明

图1是直接环境气氛输入输出的纳米位移执行器的示意图。

图2是衬底空隙控制环境气氛输入输出的纳米位移执行器的示意图。

图3是衬底上氧化石墨烯薄膜吸水前后的对比示意图。

图4是氧化石墨烯薄膜在扫描电子显微镜下拍摄的图片。

图5是不同湿度实验下的氧化石墨烯薄膜厚度变化示意图。

图中有：薄膜上方承载面1、氧化石墨烯薄膜2、衬底3、左密封腔体的密闭墙4、右密封腔体的密闭墙5、环境气氛输出控制管道口6、环境气氛输入控制管道口7、左滑动接触装置8、右滑动接触装置9、一体式密封腔的底座10、衬底3上的3个孔隙a、b、c。

具体实施方式

本发明提出的利用氧化石墨烯薄膜厚度变化实现纳米级位移的设计原理如下：氧化石墨烯薄膜对空气中的湿度有很好的吸附作用，且具有纳米级的厚度变化，其本质是水分子进入GO薄膜层间域中致使层间距增大。本设计的设计思想集合了成熟的薄膜材料制备技术以及对微电子机械系统的充分认识，从而敏锐的判断出在超精细位移上会有一种创新应用。通过成熟的氧化石墨烯材料制备方法，即对石墨的预氧化之后，进行多次再充分氧化，再通过旋涂、喷涂法实现氧化石墨烯薄膜的制备，而氧化石墨烯分离膜的厚度可由旋涂来控制。针对不同厚度的氧化石墨烯薄膜，在特定比例湿度的环境气氛下有着不同位移的形变。针对不同湿度比例的环境气氛，同一薄膜的位移形变也会有不同状况。通过将薄膜厚度与空气中含水湿度的比例进行量化，这可以借助电子显微镜等材料表征手段来实现，从而可以达到纳米级超精细位移的水平。

为了便于更好的吸附环境气氛中的湿气(水)，需设计一个密闭腔体来保证环境气氛的输入输出控制及其与薄膜的充分吸收。当衬底上的薄膜在吸收环境气氛中的水之后，膨胀变厚从而传动薄膜上方的承载面发生纳米级位移。

实施实例：

在衬底3的上表面设有氧化石墨烯薄膜2，在氧化石墨烯薄膜2上表面为薄膜上方承载面1构成一个位移传动的承载体，其中薄膜上方承载面1作为位移传动的承载面；在所述位移传动的承载体的两端分别设有左密封腔体的密闭墙4、右密封腔体的密闭墙5；在所述左密封腔体的密闭墙4、右密封腔体的密闭墙5与位移传动的承载体之间营造出环境气氛扩充前的密闭腔。在左密封腔体的密闭墙4的外端设有环境气氛输出控制管道口6，在右密封腔体的密闭墙5的外端设有环境气氛输入控制管道口7；所述环境气氛输出控制管道口6、环境气氛输入控制管道口7的外端分别连接外部的环境气氛；环境气氛输出控制管道口6、环境气氛输入控制管道口7的内端分别连接位移传动的承载体旁的密闭腔。在左密封腔体的密闭墙4的内端与位移传动的承载体之间设有左滑动接触装置8，在右密封腔体的密闭墙5的内端与位移传动的承载体之间设有右滑动接触装置9。所述左滑动接触装置8、右滑动接触装置9与所述位移传动的承载体用油密封且保持密封滑动。

所述氧化石墨烯薄膜2材料的制备方法为：对石墨的预氧化之后，进行多次再氧化，再通过旋涂、喷涂法实现氧化石墨烯薄膜的制备；而氧化石墨烯膜的厚度由旋涂来控制。

图1样式的纳米位移执行器结构，在输入端通入一定比例湿度的环境气氛，并对两种不同厚度的薄膜做了实验分析，通过光的衍射谱和干涉条纹得到如图4所示的图片和数据。另一种结构的位移传动承载体的衬底3下部设有一体式密封腔的底座10，并在衬底3的下部开了几个进气扩散孔a、b、c，环境气氛输出控制管道口6、环境气氛输入控制管道口7分别与一体式密封腔的底座10连通。

图3是氧化石墨烯薄膜在吸水前后的示意图。2(A)是吸水前的氧化石墨烯薄膜，在吸水之后每层薄膜分别均匀的变厚如图2(B)所示。

如图4所示。左图是氧化石墨烯薄膜的扫描电镜图，比例尺为10μm。右图是两种不同初始厚度的氧化石墨烯薄膜在不同相对湿度(Relative humidity)下的厚度实验数据。右图中的方框是初始厚度为400nm的氧化石墨烯薄膜的多次实验数据，氧化石墨烯薄膜厚度随气体中的相对湿度(RH％)在不断变化，随着环境气氛中的相对湿度比例从28％变化到98％，相应的氧化石墨烯薄膜厚度也从400nm变化到550nm,经过拟合计算得出氧化石墨烯薄膜厚度随相对湿度的变化率为2.14×10^-3nm/RH％。而圆圈是初始厚度为500nm的氧化石墨烯薄膜的多次实验数据，随着环境气氛中的相对湿度比例从12％变化到98％，相应的薄膜厚度也从500nm变化到730nm,经过拟合计算得出氧化石墨烯薄膜厚度随相对湿度的变化率为2.67×10^-3nm/RH％。经过多次计算可得1.5-4.6×10^-3nm/RH％的变化范围。通过一系列微位移操作实验，此设计具有较高的位移响应速率，响应在秒(s)量级，能够满足相关应用场合的要求。

Claims (6)

1.一种纳米位移执行器，其特征在于在衬底(3)的上表面设有氧化石墨烯薄膜(2)，在氧化石墨烯薄膜(2)上表面设有上方承载面(1)，由氧化石墨烯薄膜(2)和上方承载面(1)构成一个位移传动的承载体，其中薄膜上方承载面(1)作为位移传动的承载面；在所述位移传动的承载体的两端分别设有左密封腔体的密闭墙(4)、右密封腔体的密闭墙(5)，在左密封腔体的密闭墙(4)的外端设有环境气氛输出控制管道口(6)，在右密封腔体的密闭墙(5)的外端设有环境气氛输入控制管道口(7)，在左密封腔体的密闭墙(4)的内端与位移传动的承载体之间设有左滑动接触装置(8)，在右密封腔体的密闭墙(5)的内端与位移传动的承载体之间设有右滑动接触装置(9)。

2.根据权利要求1所述的一种纳米位移执行器，其特征在于所述左密封腔体的密闭墙(4)、右密封腔体的密闭墙(5)与位移传动的承载体之间营造出环境气氛扩充前的密闭腔。

3.根据权利要求1或2所述的一种纳米位移执行器，其特征在于所述环境气氛输出控制管道口(6)、环境气氛输入控制管道口(7)的外端分别连接外部的环境气氛；环境气氛输出控制管道口(6)、环境气氛输入控制管道口(7)的内端分别连接位移传动的承载体旁的密闭腔。

4.根据权利要求1所述的一种纳米位移执行器，其特征在于所述左滑动接触装置(8)、右滑动接触装置(9)与所述位移传动的承载体用油封密封且保持密封不透气。

5.根据权利要求1所述的一种纳米位移执行器，其特征在于所述氧化石墨烯薄膜(2)材料的制备方法为：对石墨的预氧化之后，进行多次再氧化，再通过旋涂或喷涂法实现氧化石墨烯分离薄膜的制备；而氧化石墨烯分离膜的厚度由旋涂来控制。

6.根据权利要求1所述的一种纳米位移执行器，其特征在于所述位移传动的承载体的衬底(3)，在衬底(3)的下部设有一体式密封腔的底座(10)，并在衬底(3)的下部开了几个进气扩散孔，环境气氛输出控制管道口(6)、环境气氛输入控制管道口(7)分别与一体式密封腔的底座(10)联通。