CN110207868A - 一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法。包含以下三个步骤：利用毛细管将光响应材料涂覆到微悬臂梁阵列上，其中第一根悬臂梁为对照组，第二根至第八根微悬臂梁修饰有不同浓度的光响应材料；通过紫外光和可见光光源对光响应材料的交替照射，使其发生光致异构化，导致微悬臂梁发生弯曲，实现光控致动器的制备；通过激光照射在微悬臂梁阵列自由端上，反射的光线在光电位置敏感探测器上形成光斑，微悬臂梁的弯曲会导致光斑发生位移，通过对光斑的位移检测实现对微梁表面应力的检测。充分利用微悬臂梁的微米级尺寸、实时、可以痕量检测应力等优点，结合光响应材料光致异构特点，实现微纳光控致动器的制备及性能检测。
Description
技术领域
本发明涉及光控致动器领域，具体是一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法。
背景技术
在自然界中，感应环境刺激变化并将其转化为运动是许多生物体至关重要的功能，例如攀爬植物卷须的向光性运动以及食肉草对昆虫的捕捉等。受这些植物倾向性运动启发，科学家设计和致动了一系列基于刺激响应智能材料的致动器(或执行器)以应用于不同领域，例如聚合物“马达”，人造肌肉，微型机器人，光控微流体，振荡器和发电机等。
在诸多智能材料中，光响应材料因利用了光特有的环保性、远程可控性、瞬时性等优异的特性越来越多的应用到致动器中。
光响应高分子材料是指吸收光能后，能够在分子内或分子间产生化学或物理变化的一类功能高分子材料。伴随着分子结构与形态的改变，材料表现出某些宏观性质的变化，如在光刺激下发生形状、颜色或者折射率的变化等。通过合理的设计，光响应高分子材料可以产生光致形变或具有形状记忆功能，完成诸如伸缩、弯曲、爬行、转动等一些复杂的运动。
光响应高分子材料在实际的应用中有诸多的优点，利用易于远程控制的光能作为驱动方式，无需任何辅助设备，通过其自身形变等可以将光能直接转化为机械能，在微机械领域有着广阔的前景。光驱动执行器件的研制开发，将朝着微观化、小型化的方向发展，如微阀、微流道、微开关等。但当光响应材料应用于微观领域，其受光照产生的应力变化属于分子尺度上的变化，传统的应力检测方法不能对其进行分析。因此急需一种新的检测技术对光响应高分子材料中光致异构或者实现形状记忆功能时产生的微小应力变化进行测量。
微悬臂梁传感技术是在原子力显微镜和微系统出现后迅速发展起来的一种新的传感方法，作为最简单的微机械元件，一直是微纳传感技术研究的热点。微梁传感器可以对具有特异性的生化反应过程进行实时测量，当微梁表面上发生生化反应时，其上下表面的应力差使其产生弯曲变形。这种传感技术作为一种实时、高灵敏度、非标定的传感方法，在生物、化学等领域中得到了广泛的研究。但作为高灵敏的传感技术，微悬臂梁传感技术在微纳光控致动器方面的研究却极少。
发明内容
本发明提供了一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，充分利用微悬臂梁的微米级尺寸、非标记、实时、可以痕量检测应力等优点，结合光响应材料受光能即可进行驱动的特点，实现微纳光控致动器的致动及性能检测。
本发明实现发明目的采用如下技术方案：
本发明一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：包含以下三个模块：(1)光响应材料修饰模块；(2)光控致动器制备模块；(3)微悬臂梁应力检测模块。
本发明一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述光响应材料修饰模块，包括计算机、毛细管、高精度位移平台，两个视频显微镜。将光响应材料制备成溶液，在视频显微镜视场下，借助高精度位移平台的微移动，带动吸附有光响应材料的毛细管的移动，实现光响应材料液滴拖过微悬臂梁阵列表面完成修饰。
本发明一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述光控致动器制备模块，包括紫外光光源、可见光光源、修饰有光响应材料的微悬臂梁阵列。通过紫外光光源和可见光光源(紫外光波长360～375nm，可见光波长520～530nm)对光响应材料的交替照射，光响应过程的变化会使其应力发生改变，导致微悬臂梁发生弯曲，进而实现光控致动器功能的致动。
本发明一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述微悬臂梁应力检测模块，包括紫外光光源、可见光光源、激光器、反射镜、电机、多角度透镜转动平台、微悬臂梁阵列、光电位置敏感探测器(PSD)、数据采集卡和计算机。单模光纤耦合激光器发射激光照射在反射镜上，经反射镜反射，激光逐一照射匀速转动的多角度透镜转动平台上，透射过的激光光束再依次照射到修饰有光响应材料的微悬臂梁阵列的八根微悬臂梁自由端上，经过微悬臂梁自由端的反射，在PSD上形成偏转位移，最后经数据采集卡采集数据输入计算机中进行处理。
本发明一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述高精度位移平台可在X、Y或者Z方向上可以实现精确至1μm的移动，能实现使用高精度位移平台精确移动毛细管对微悬臂梁进行光响应材料的涂覆。
本发明一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述多角度透镜转动平台安装有八块不同角度的透镜，其厚度为1.1mm，第一块到第八块透镜与水平面夹角分别为9.087111°、17.88774°、26.15803°、33.75135°、146.24865°、153.84197°、162.11226°、170.912889°(后四块透镜与前四块透镜安装角度对应互补)。
本发明一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述光响应材料可选肉桂酸聚合物、二苯乙烯类化合物、偶氮苯化合物等光致形变的材料。
本发明一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述微纳光控致动器致动过程须在封闭的黑暗环境中进行，避免外界光的干扰。
本发明一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述PSD前端加入了滤波片，该滤波片只允许640nm～690nm波长的光线通过，其余波长被滤除，实验用的单模光纤耦合激光器的激光波长为650nm，可以通过滤波片直接入射PSD，滤波片的加入解决了环境中的无关光源和实验用紫外光对实验的干扰。
有益效果：
本发明和实用新型与现有技术相比，其有益效果体现在：
(1)利用微悬臂梁阵列和光响应材料实现微纳光控致动器的致动功能。该微纳致动器具有尺寸小、结构简单、反应灵敏的优点。所利用的光具有环保性、远程可控性、瞬时性等优异的特性。
(2)基于高精度位移平台的修饰装置，实现了光响应材料在微悬臂梁上的均匀和稳定的涂覆，解决了痕量物质修饰的难题。
(2)通过单激光在空中的自动定向实现对微梁阵列循环扫描。通过电机带动多角度透镜转动平台和透射过的激光束构成微距离平行光扫描梁阵列系统。实现单激光阵列扫描，降低了制作成本，且降低了由多激光器带来的系统误差，提高了检测精度。
(3)微悬臂梁阵列使得实验可进行多种或不同物质的检测，且有参考梁作对比，具有高通量，高精度等优点。
(4)在PSD前端加入滤波片，该滤波片只允许640nm～690nm波长的光线通过，其余波长被滤除，保证各光源互不干扰。
附图说明
图1是光响应材料修饰模块图。
图2是光控致动器制备模块图。
图3是微悬臂梁应力检测图。
图中标号：1计算机、2水平放置的视频显微镜、3垂直放置的视频显微镜、4计算机、5毛细管、6高精度位移平台、7微悬臂梁阵列、8紫外光光源、9可见光光源、10修饰有光响应材料的微悬臂梁阵列、11激光器电源、12激光器、13反射镜、14电机、15多角度透镜转动平台、16光电位置敏感探测器(PSD)、17数据采集卡、18计算机。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步解释说明。
实施例：
参见图1，此图为光响应材料修饰模块，该模块包括计算机(1)(4)、毛细管(5)、高精度位移平台(6)，两个视频显微镜(2)(3)。将光响应材料制备成溶液，借助高精度位移平台的微移动，带动吸附有光响应材料的毛细管的移动，在水平放置的视频显微镜(2)和垂直放置的视频显微镜(3)的观察下，于计算机屏幕上实时反馈微悬臂梁阵列(7)表面的视图，实现光响应材料液滴拖过微悬臂梁阵列表面完成修饰。修饰有光响应材料的微悬臂梁阵列(10)上第一根微悬臂梁自由端(101)不修饰光响应材料，作为对照组，其余微悬臂梁自由端(102-108)按顺序修饰不同浓度的光响应材料。
参见图2，此图为光控致动器制备模块，包括紫外光光源(8)、可见光光源(9)，修饰有光响应材料的微悬臂梁阵列(10)。通过紫外光光源(8)和可见光光源(9)(紫外光波长360～375nm，可见光波长520～530nm)对光响应材料的交替照射，光响应过程的变化会使其应力发生改变，导致修饰有光响应材料的微悬臂梁阵列自由端(102-108)发生弯曲，进而实现光控致动器功能的致动。
参见图3，此图为微悬臂梁应力检测模块，包括紫外光光源(8)、可见光光源、激光器电源(11)、激光器(12)、反射镜(13)、电机(14)、多角度透镜转动平台(15)、修饰有光响应材料的微悬臂梁阵列(10)、PSD(16)、数据采集卡(17)和计算机(18)。单模光纤耦合激光器发射激光照射在反射镜(13)上，经反射镜(13)反射，激光逐一照射匀速转动的多角度透镜转动平台(15)上，透射过的激光光束再依次照射到修饰有光响应材料的微悬臂梁阵列的八根微悬臂梁自由端(101-108)上，经过微悬臂梁自由端的反射，在PSD(16)上形成偏转位移，最后经数据采集卡(17)采集数据输入计算机(18)中进行处理。
具体检测步骤为：
(1)进行实验前校正设备中各元件位置，保证设备的正常运行；
(2)打开紫外光源照射修饰有光响应材料的微悬臂梁阵列，在照射约一小时后打开可见光源，循环交替照射；
(3)利用电机带动多角度透镜转动平台进行转动，实现一个激光器对微悬臂梁阵列的每根梁自由端的循环扫描；
(4)经过微悬臂梁自由端反射后的激光被位置敏感探测器感光靶面接收，并将光斑信号转换为电信号传输给数据采集卡，再经过电脑程序对数据进行分析处理。
Claims (9)
1.一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：包含以下三个模块：(1)光响应材料修饰模块；(2)光控致动器制备模块；(3)微悬臂梁应力检测模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述光响应材料修饰模块，包括计算机、毛细管、高精度位移平台，两个视频显微镜；将光响应材料制备成溶液，在视频显微镜视场下，借助高精度位移平台的微移动，带动吸附有光响应材料的毛细管的移动，实现光响应材料液滴拖过微悬臂梁阵列表面完成修饰。
3.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述光控致动器制备模块，包括紫外光光源、可见光光源、修饰有光响应材料的微悬臂梁阵列；通过紫外光光源和可见光光源(紫外光波长360～375nm，可见光波长520～530nm)对光响应材料的交替照射，光响应过程的变化会使其应力发生改变，导致微悬臂梁发生弯曲，进而实现光控致动器功能的致动。
4.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述微悬臂梁应力检测模块，包括紫外光光源、可见光光源、激光器、反射镜、电机、多角度透镜转动平台、微悬臂梁阵列、光电位置敏感探测器(PSD)、数据采集卡和计算机；单模光纤耦合激光器发射激光照射在反射镜上，经反射镜反射，激光逐一照射匀速转动的多角度透镜转动平台上，透射过的激光光束再依次照射到修饰有光响应材料的微悬臂梁阵列的八根微悬臂梁自由端上，经过微悬臂梁自由端的反射，在PSD上形成偏转位移，最后经数据采集卡采集数据输入计算机中进行处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述高精度位移平台可在X、Y或者Z方向上可以实现精确至1μm的移动，能实现使用高精度位移平台精确移动毛细管对微悬臂梁进行光响应材料的涂覆。
6.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述多角度透镜转动平台安装有八块不同角度的透镜，其厚度为1.1mm，第一块到第八块透镜与水平面夹角分别为9.087111°、17.88774°、26.15803°、33.75135°、146.24865°、153.84197°、162.11226°、170.912889°(后四块透镜与前四块透镜安装角度对应互补)。
7.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述光响应材料可选肉桂酸聚合物、二苯乙烯类化合物、偶氮苯化合物等光致形变的材料。
8.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述微纳光控致动器致动过程须在封闭的黑暗环境中进行，避免外界光的干扰。
9.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂阵列传感技术的微纳光控致动器的制备及检测方法，其特征在于：所述PSD前端加入了滤波片，该滤波片只允许640nm～690nm波长的光线通过，其余波长被滤除，实验用的单模光纤耦合激光器的激光波长为650nm，可以通过滤波片直接入射PSD，滤波片的加入解决了环境中的无关光源和实验用紫外光对实验的干扰。
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