CN110308514B - 基于光波导结构的微驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光波导结构的微驱动器，其结构包括光波导层和驱动臂两部分。其中，光波导层含有光波导结构和光热转换区域；光波导层和驱动臂两层或者多层以上下叠加的形式组合而成。其中，所述光波导层可为单层或者多层，光波导结构可为直波导、“U”形波导、Y分支、定向耦合器、环形谐振腔、波导光栅或马赫‑曾德尔结构及其变换形式，光热转换区可位于光波导结构的芯层或者包层或者驱动臂或者光热转换区位于光波导层和驱动臂之间或者光波导层表面。本发明提供的基于光波导结构的微驱动器，利用光波导结构控制入射的光信号的导模传输，有利于实现微光机电系统的小型化，集成化和多重控制。

Description

基于光波导结构的微驱动器
技术领域
本发明涉及一种基于光波导结构的微驱动器。
背景技术
随着人类向微观世界不断探索和研究，微光机电系统（Micro optical electromechanical System, MOEMS）作为微纳米技术中一个重要的分支领域得到了世界研究者们的关注和重视，在微执行器、微传感器、微动力系统等领域得到广泛地应用。其中，微驱动器作为微光机电系统的重要执行机构及动力源,自诞生以来即成为微光机电系统的重要组成部分，是该领域的关键技术之一。近年来,包括微马达、微阀门、微齿轮、微泵、微机械开关在内的微驱动器被不断实现，使得以往常规尺寸的传感器、驱动器、计算器能够集成在厘米、毫米级别尺寸的系统内，使以往不能实现的构想逐渐变为现实，深刻的影响到了人类社会生活的方方面面。从驱动方式来看，微驱动器主要有静电驱动型、压电驱动型、磁致伸缩驱动型、磁驱动型和热驱动型等。这些驱动机构多通过电信号控制，虽然可将其主体尺寸可以做到很小，但大多需要通过导线与外部的控制系统连接,或需要内置电池作为电源，总体结构难以微型化，同时缺乏独立性，制约了它们的应用范畴。
目前，将激光作为控制信号和能量来源，利用光的热效应实现微驱动器的驱动和控制是解决上述问题的有效途径之一。激光具有较高的能量密度、极好的方向性和良好的操控性，是实现微驱动器远程操控的理想媒介。与其他微驱动方法相比，利用光热效应驱动具有很多独特的优势。激光可在自由空间和介质传播，能够实现非接触式的驱动；激光定向性好，能够实现微驱动器的远距离操纵；无需电流的介入,避免了系统中的电磁干扰问题；无需布置金属导线，能够有效减少驱动系统的重量、体积和复杂度，便于实现微型化和系统集成。现有的光热驱动技术多依赖于激光光束本身在膨胀臂形成的光斑作为热源，整个膨胀臂受热不均匀，限制了光热驱动效率；另一方面，对包含多个驱动臂的系统进行控制需要多个激光光束，增大了控制系统的复杂度，不利于整个系统的小型化；此外，为了获得更大的光热偏转驱动量，需要增大激光功率，极易导致驱动臂局部温升过高，造成微驱动器的失效和损坏。这些问题都在一定程度上制约了光热驱动的进一步发展。因此，迫切需要利用新的原理、方法和技术克服上述瓶颈。
近年来，光学系统的薄膜化、微型化和集成化，为微光机电系统的进一步发展提供了坚实基础。此外，光学系统在光通信、光传感技术、光学信息处理、光子计算机与光存储等众多方向也具有重要的应用价值。
发明内容
发明目的：因本发明公开了一种基于光波导结构的微驱动器，将光信号引入光波导结构实现导模传输，通过光波导结构对激光进行操控，并利用光的热效应加热驱动臂，通过热膨胀实现驱动臂的动作。该微驱动器具有小型化、集成化的优点，并可实现光热微驱动器的多重远程控制。利用光波导结构，可以对光的传输及光热产生区域等实现精确的操控，实现微驱动器的精确可控驱动。
技术方案：一种基于光波导结构的微驱动器，基于光波导结构的微驱动器包括光波导层和驱动臂两部分；光波导层上设置光波导结构和光热转换区域；基于光波导结构的驱动器由所述光波导层和驱动臂两层或者多层以上下叠加的形式组合而成。通过将光信号引入光波导结构形成导模传输，导模传输至光热转换区域产生热效应，实现驱动臂的动作。
具体的，上述基于光波导结构的驱动器由光波导层和驱动臂两层上下叠加，或者由驱动臂和光波导层上下叠加，或者由两层光波导层上下叠加，或者由光波导层、驱动臂和光波导层依次上下叠加构成。
具体的，光波导结构为直波导、“U”形波导、Y分支、定向耦合器、环形谐振腔、波导光栅或马赫-曾德尔结构及其变换形式。
具体的，光热转换区位于光波导结构的芯层或者包层或者位于驱动臂，或者光热转换区位于光波导层和驱动臂之间或者位于光波导层表面。
具体的，光波导结构和驱动臂为聚合物、玻璃或金属材料制备的硬质或者柔性层。
具体的，光波导层和驱动臂厚度在100纳米至1厘米范围。
具体的，光热转换区有一个或多个点或者面。
具体的，光热转换区域为二色性染料、吸收染料、光敏材料或者纳米材料。
具体的，光信号为相干光或者非相干光的偏振光或非偏振光，波长覆盖范围为100纳米至5微米。
本发明基于光波导结构的微驱动器工作原理如下：
所述的一种基于光波导结构的微驱动器结构，光波导结构的微驱动器包括光波导层和驱动臂两部分，所述光波导层含有光波导结构和光热转换区域。所述基于光波导结构的驱动器由所述光波导层和驱动臂两层或者多层以上下叠加的形式组合而成。将所述光信号引入光波导结构，形成导模传输，导模传输至光热转换区域，当材料吸收光信号能量时,光子与物质中的原子、分子等相互作用会发生反射、折射、辐射、散射等吸收能量的现象从而产生温升，产生光热效应。具体的微观过程可以总结为：材料表面受到激光辐照后吸收能量导致其吸收的能量转化为系统的内能,物体间的晶格振动加剧,晶格的间距改变,其物理外在表现为温度升高,随着温度升高物体体积发生热膨胀现象。一般而言,整个升温的过程是三维的扩散过程,但是在本例中微尺度双层结构在厚度方向上的尺寸非常小,同时双层材料的宽度与长度相比可以忽略不计,因此悬臂梁结构在厚度方向和宽度方向上的温差可以忽略。由于温度升高引起的驱动臂材料特性发生改变，从而使得驱动臂向上、向下弯曲、扭曲或者褶皱等动作。由此制得了一种基于光波导结构的可光控的微驱动器及其驱动方式。
有益效果：
1、利用的驱动信号光信号，如激光具有较高的能量密度、极好的方向性和良好的操控性，是实现微驱动器远程操控的理想媒介；
2、利用集成化的光波导结构代替复杂庞大的传统分立的光学系统，利用光热效应驱动微驱动器，有利于实现微光机电系统的小型化、集成化；
3、可在自由空间和介质传播，能够实现非接触式的驱动，能够实现微驱动器的远距离操纵；
4、在空间上可以实现一维或二维以至三维立体的多路阵列传输及存储、处理，可通过选择具有不同拓扑结构的光波导体系，可实现微驱动臂的多重控制，丰富微驱动器的功能；
5、在同一光路上可以传输和处理多个或多道频率的信号，即实现“波分多路复用”；
6、利用光信号代替电信号，无需进行绝缘处理，特别有利于器件在具有导电特性的液体，例如水溶液中的应用，能够拓展光热微驱动器在生化传感及微流体中的应用范围；
7、利用光波导结构控制入射的光信号的导模传输，通过波导结构的设计，能够实现对光信号的精确控制，精准控制传输至光热转换区的光信号的能量大小及模式分布、场分布等，实现驱动臂的不同动作的精确控制。
附图说明
图1为基于条形波导的微驱动器；
图2为基于“U”形波导驱动器结构；
图3为基于环形谐振腔波导驱动器结构；
图4为基于Y分支波导驱动器结构；
图5为本发明的实施例1一种向上弯曲的光波导结构微驱动器；
图6为本发明的实施例1一种向下弯曲的光波导结构微驱动器；
图7为本发明的实施例2一种“S”型弯曲的光波导结构微驱动器；
图8为本发明的实施例3一种连续弯曲的光波导结构微驱动器。
图中标号：1光波导层、2 驱动臂、3 光波导结构、4 光热转换区域、11顶层波导层、12底层波导层、41顶层波导层、42底层光热转换区。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1：
如图5和图6所示，本实施例提供一种弯曲的基于光波导结构的微驱动器，包括依次层叠的光波导层1和驱动臂2。其中所述光波导层1上设置光波导结构3和光热转换区域4。通过将光信号引入光波导结构3形成导模传输，导模传输至光热转换区域4产生热效应，实现驱动臂2的动作。
光波导层1可为单层或者多层，光热转换区4可位于光波导结构3的芯层或者包层或者驱动臂2或者光热转换区4位于光波导层1和驱动臂2之间或者光波导层表面。光波导结构3和驱动臂2可为聚合物、玻璃、金属等材料制备的硬质或者柔性层。光波导层1和驱动臂2厚度可在100纳米至1厘米范围。光热转换区4有一个或多个点或者面，范围可小于光波导层范围，也可与光波导层1相同或者大于光波导层1。所述光热转换区域4可为二色性染料、吸收染料、光敏材料或者纳米材料等。所述光热转换区4为单层或者多层的结构。光信号可以为相干光或者非相干光的偏振光或非偏振光，波长覆盖范围为100纳米至5微米。
本实施例的工作机理为，光波导结构3用于引导光信号在其中导模传输，光热转换区4用于将通过反射、吸收把光信号能量集中起来，转换成足够高温度，形成一定的温度分布和体积膨胀量；由于光波导层1材料和驱动臂2材料杨氏模量以及热膨胀系数的差异，光波导层1吸收光能量后会产生一定方向上的形变，从而使得驱动臂2相应的产生该方向上的形变。通过改变驱动臂2、光波导层1以及光热转换区域4的位置，从而得到预期的弯曲方向。如图5,底层为光波导层1，顶层为驱动臂2，光热转换区域4置于光波导层1右端，使得驱动臂2受热膨胀后形成向上的弯曲形变。如图6,顶层为光波导层1，底层为驱动臂2，光热转换区域4置于光波导层1右端，使得驱动臂2受热膨胀后形成向下的弯曲形变。
实施例2：
本实施例提供一种“S”型弯曲的光波导结构微驱动器，其结构如图7所示，包括依次叠层的两层光波导层1，顶层波导层11和底层波导层12。其中，顶层波导层11和底层波导层12上均设置光波导结构3；顶层波导层11和底层波导层12上分别设置顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42。通过将光信号引入光波导结构3形成导模传输，导模传输至顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42产生热效应，实现该微驱动器的动作。
顶层波导层11和底层波导层12可为单层或者多层，顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42可位于光波导结构3的芯层或者包层。光波导结构3可为聚合物、玻璃、金属等材料制备的硬质或者柔性层。顶层波导层11和底层波导层12厚度可在100纳米至1厘米范围。顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42有一个或多个点或者面，范围可小于波导层范围，也可与顶层波导层11和底层波导层12相同或者大于顶层波导层11和底层波导层12。所述顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42可为二色性染料、吸收染料、光敏材料或者纳米材料等。所述顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42为单层或者多层的结构。光信号可以为相干光或者非相干光的偏振光或非偏振光，波长覆盖范围为100纳米至5微米。
本实施例的工作机理为，通过安置不同结构的波导结构3（例如“U”形波导、条形波导、“Y”形波导等）用于引导光信号在其中导模传输，顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42通过反射、吸收把光信号能量集中起来，转换成足够高温度，形成一定的温度分布和体积膨胀量。顶层光热转化区41置于顶层波导层11左端，底层光热转换区域42置于底层波导层12右端，由于顶层波导层1-1和底层波导层12材料杨氏模量以及热膨胀系数的差异，顶层波导层11吸收光能量后会产生一定方向上的形变，底层波导层12吸收光能量后会产生一定方向下，从而使该微驱动器形成了“S”型驱动器。
实施例3：
本实施例提供一种连续弯曲的光波导结构微驱动器，其结构如图8所示，包括依次叠层的顶层波导层11、驱动臂2和底层波导层12。其中所述顶层波导层11和底层波导层12上设置光波导结构3；顶层波导层11和底层波导层12分别设置顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42。通过将光信号引入光波导结构3形成导模传输，导模传输至顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42产生热效应，实现该微驱动器的动作。
顶层波导层11和底层波导层12可为单层或者多层，顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42可位于光波导结构3的芯层或者包层。光波导结构3和驱动臂2可为聚合物、玻璃、金属等材料制备的硬质或者柔性层。顶层波导层11和底层波导层12厚度可在100纳米至1厘米范围。顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42有一个或多个点或者面，范围可小于波导层范围，也可与顶层波导层11和底层波导层12相同或者大于顶层波导层11和底层波导层12。所述顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42可为二色性染料、吸收染料、光敏材料或者纳米材料等。所述顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42为单层或者多层的结构。光信号可以为相干光或者非相干光的偏振光或非偏振光，波长覆盖范围为100纳米至5微米。
本实施例的工作机理为，通过安置不同结构的波导结构3（例如“U”形波导、条形波导、“Y”形波导等）用于引导光信号在其中导模传输，顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42通过反射、吸收把光信号能量集中起来，转换成足够高温度，形成一定的温度分布和体积膨胀量。通过改变驱动臂2、顶层波导层11和底层波导层12以及顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42的位置，从而得到预期的弯曲方向。如图8所示，获得连续弯曲形变。
本案例仅给出了部分具体的应用例子，但对于从事光热驱动器的专利人员而言，还可以根据以上启示设计出多种变形产品，这仍被认为涵盖于本发明之中。

Claims (7)

1.一种基于光波导结构的微驱动器，其特征在于：所述基于光波导结构的微驱动器包括光波导层（1）和驱动臂（2）两部分；所述光波导层（1）上设置光波导结构（3）和光热转换区域（4）；所述基于光波导结构的驱动器由所述光波导层（1）和驱动臂（2）两层或者多层以上下叠加的形式组合而成；通过将光信号引入光波导结构（3）形成导模传输，导模传输至光热转换区域（4）产生热效应，实现驱动臂（2）的动作；所述光波导结构（3）为直波导、U形波导、Y分支波导、定向耦合器、环形谐振腔、波导光栅或马赫-曾德尔结构；所述光热转换区（4）位于光波导结构（3）的芯层或者包层，或者光热转换区（4）位于光波导层（1）和驱动臂（2）之间或者位于光波导层（1）表面；所述光波导结构（3）用于引导光信号在其中导模传输，所述光热转换区（4）用于通过反射、吸收把光信号能量集中起来，转换成足够高温度，形成一定的温度分布和体积膨胀量；由于光波导层（1）材料和驱动臂（2）材料杨氏模量以及热膨胀系数的差异，所述光波导层（1）吸收光能量后会产生一定方向上的形变，从而使得驱动臂（2）相应的产生对应方向上的形变。
2.根据权利要求1所述的基于光波导结构的微驱动器，其特征在于：所述基于光波导结构的驱动器由光波导层（1）和驱动臂（2）两层上下叠加，或者由驱动臂（2）和光波导层（1）上下叠加，或者由两层光波导层（1）上下叠加，或者由光波导层（1）、驱动臂（2）和光波导层（1）上下叠加构成。
3.根据权利要求1所述的基于光波导结构的微驱动器，其特征在于：所述光波导结构（3）和驱动臂（2）为聚合物、玻璃或金属材料制备的柔性层。
4.根据权利要求1所述的一种基于光波导结构的微驱动器，其特征在于：光波导层（1）和驱动臂（2）厚度在100纳米至1厘米范围。
5.根据权利要求1所述的基于光波导结构的微驱动器，其特征在于：所述光热转换区（4）有一个或多个点或者面。
6.根据权利要求1所述的基于光波导结构的微驱动器，其特征在于：光热转换区域（4）为二色性染料、吸收染料、光敏材料或者纳米材料。
7.根据权利要求1所述的基于光波导结构的微驱动器，其特征在于：所述光信号为相干光或者非相干光的偏振光或非偏振光，波长覆盖范围为100纳米至5微米。
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