收藏本站
《吉林大学》 2011年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

聚合物微机械的飞秒激光加工及驱动研究

田野  
【摘要】:“微机械”的概念最早提出于上个世纪六十年代,以器件的特征尺寸或操控尺寸在微米量级为特征。直到八十年代,第一台静电驱动微马达被成功研制,微机械开始快速发展起来。迄今为止,其产品已经被广泛应用于生物医疗、环境监测、交通运输、自动化控制、航空航天和国防建设等领域。微机械的制备与驱动很大程度上依赖MEMS工艺,随着MEMS工艺的不断成熟,微米级,甚至纳米级微机械相继出现。然而,微机械尺寸的缩小为其驱动带来不便,传统的微机械驱动技术已显得有些力不从心。因此,开发一种新型微机械制备与驱动技术十分必要。近年来,聚合物微加工技术日趋成熟,这为微机械的制备提供了新的思路。本文在此背景下,提出利用飞秒激光双光子微纳加工这一强大的三维微加工平台,设计、制作了多种微机械,并着力研究、开发了微机械的磁力遥控驱动和溶剂响应驱动两种新型的驱动方式。 1.磁力驱动方面 磁力驱动是指利用磁场实现力或者力矩无接触传递的一种驱动方式,它具有非接触性和生物相容性等优点。磁力驱动的这些优点使其在生物医药领域显示出了广阔的应用前景。然而,对于聚合物微机械来说,磁性材料(如Fe304纳米粒子)由于存在兼容性差等问题很难大量掺入到聚合物之中。因此,磁驱动技术一直无法应用于聚合物微机械。在本论文中,我们介绍了一种利用飞秒激光加工磁流体光刻胶制备聚合物微机械的方法,并对其进行了磁遥控驱动。 实验上,我们首先利用高温分解法制备出粒径均一、分散性好的Fe304磁性纳米粒子,粒子的粒径约为6nm。经过对纳米粒子进行表面改性处理,将PO3-TMPTA材料修饰在粒子表面,从而改变了纳米粒子在有机溶剂中的分散性质。实验结果表明:原本只能均匀分散在非极性溶剂中的纳米粒子,经过表面改性处理后能够长期均匀、稳定的分散在MA等极性溶剂中。将改性后的Fe304纳米粒子溶解到BMA中,与P03-TMPTA、TPO、Irgacure 819按照一定比例混合,配制成磁性光刻胶。由于纳米粒子的性能得到了改善,大大提高了微机械的加工精度。与含有共沉淀法合成的粒子的微结构27.5nm的表面粗糙度相比,含有改性后高温分解法合成的粒子的结构表面粗糙度仅为4.9nm。 利用飞秒激光对该磁性光刻胶进行双光子微纳加工,制作了微弹簧结构,在磁场中对其进行了拉伸驱动。实验结果表明,弹簧结构能够敏感的对外界磁场做出响应。在磁场强度3000Gs的条件下,其形变量能够达到81μm,是其自由状态下自身长度的2.25倍,可谓驱动效果明显。 随后,作者又设计、加工了结构更为复杂,功能性更强的微涡轮结构,并对其在磁场中的运动做了研究。实验结果表明:通过与含有共沉淀法合成的纳米粒子的涡轮相比,含有高温分解法合成的纳米粒子的涡轮表面更加光滑,运动时受到的阻力更小。因此,该涡轮旋转的稳定性和转速均明显优于前者。实验测得,含有高温分解法合成的纳米粒子的涡轮在旋转磁场中最高转速超过400r/min。 通过飞秒激光倒置加工技术,作者成功的将磁性微涡轮生长在微流控通道内,将其作为一种高效的主动混合器件,有望解决微观领域内溶液混合困难的问题。 2.溶剂响应驱动方面 刺激性聚合物的响应特性为聚合物微机械的驱动提供了可行性,然而,这些具有响应性的聚合物通常与器件的制备工艺不兼容。而常规的光敏聚合物虽然可对其进行高精度微纳加工,却没有明显的响应特性。在这种器件的制备与响应特性的矛盾中,我们提出利用调控实验参数以设计器件响应特性的方法,实现了对普通光敏聚合物微结构的溶剂响应驱动。 众所周知,交联的高分子聚合物材料在有机溶剂中能够发生不同程度的溶胀/收缩现象。从这一现象出发,本文研究了丙烯酸酯类光敏树脂和PDMS的宏观块体以及微观结构对不同溶剂的溶胀、收缩行为,发现激光加工出的聚合物微纳米结构有着非常明显的溶剂响应性质。 以丙烯酸酯类光敏树脂为例,聚合物微结构在溶度参数与其相近的溶液中溶胀,而在溶度参数与其相差较大的溶剂中收缩。我们首先利用飞秒激光双光子微纳加工制作了微米线结构,并对其进行了溶剂响应的可靠性测试。实验结果显示:微米线在连续溶胀/收缩50次以后形变量仍然保持在17%左右,与初始时相当,具有非常高的可靠性,完全满足作为微机械驱动力的需要。 作为溶剂响应驱动的展示,作者设计、加工了基于微米线收缩驱动的滑块结构。该滑块能够在正己烷的刺激下,沿着轨道向前滑行。通过调节微米线的激光扫描步长,作者有效的调控了聚合物的密度,也就调控了结构对溶剂刺激的敏感度,进而实现了对滑块结构的可控驱动。这部分还对滑块移动的距离和微米线的直径与激光扫描步长的依赖关系做了定性分析。实验结果显示:滑块移动的距离随激光扫描步长增加而增加,而微米线的直径随激光扫描步长增加而减少。 在此基础上,作者根据飞秒激光加工灵活、可设计的技术特点,设计了由激光扫描步长不同而导致的内、外两层聚合物密度不同的双层结构。此种结构虽然材料相同,但由于加工条件不同,呈现出内、外两层对外界刺激响应程度不同的独特现象。当用正己烷刺激该结构时,结构能够发生定向弯曲,当用丙酮刺激时,结构能迅速恢复原状。这种弯曲/恢复动作能在外界的不断刺激下反复的进行。 作者以这种双层结构为结构单元,设计、加工了能够在正己烷中“握紧”,在丙酮中张开的微机械手。通过倒置加工的方式,将其加工在光纤侧壁上,通过对光纤的三维操作,实现了对微机械手的大范围三维精确定位。最终,作者用该机械手完成了对微球的抓取、运输、释放等一系列动作,实现了其作为“手”的基本功能。 本文成功制备了磁遥控驱动的聚合物微机械器件,通过对磁性纳米粒子进行表面改性处理,解决了纳米粒子与光刻胶相容性差的关键技术问题,大幅提高了其加工精度,从而使磁性微机械工作时的可靠性和稳定性显著提升。另-方面,我们首次利用高分子聚合物的溶胀/收缩现象制作了溶剂响应微机械,并对其实现了微观操控。本文在微机械驱动方面的创新性研究,开拓了微机械的制备与应用,为微机械的发展注入了新的活力。
【学位授予单位】:

知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 邱建荣;;飞秒激光应用前沿[J];国际学术动态;2010年02期
2 ;宁夏全飞秒激光高峰论坛暨宁夏眼视光系列论坛启动仪式圆满落幕[J];宁夏医学杂志;2018年05期
3 曹祥东;;飞秒激光在航空航天领域的应用[J];军民两用技术与产品;2018年13期
4 薛恒道;认识飞秒激光[J];物理教师;2003年07期
5 梁德志;王敏;杜晨林;伍晓宇;;飞秒激光背部湿刻石英玻璃微通道的研究[J];激光技术;2017年02期
6 井晨睿;王朝晖;程亚;;基于飞秒激光时空聚焦技术的三维微纳加工[J];激光与光电子学进展;2017年04期
7 ;飞秒激光改变聚苯乙烯的润湿性[J];光电工程;2017年04期
8 高斯;王子涵;滑建冠;李乾坤;李爱武;于颜豪;;飞秒激光加工蓝宝石超衍射纳米结构[J];物理学报;2017年14期
9 魏莉莉;;微信平台在全飞秒激光近视手术患者术后随访护理中的应用研究[J];中外女性健康研究;2016年10期
10 马明毅;;飞秒激光改性硅材料的物理机理及其性质研究[J];科学家;2016年16期
11 周国栋;;材料微加工中飞秒激光的应用分析[J];知音励志;2017年05期
12 王伟敏;李英俊;;飞秒激光手术新进展[J];人人健康;2017年12期
13 贾心刚;;观察夏天无滴眼液治疗鹰视FS200飞秒激光术后视疲劳的临床效果[J];饮食科学;2017年06期
14 孙思明;孙允陆;刘东旭;陈岐岱;董文飞;孙洪波;;飞秒激光直写制备蛋白质功能化器件[J];激光与光电子学进展;2013年08期
15 杜明;黄国秀;周行涛;施逸红;顾争红;蔡海蓉;;飞秒激光LASIK术的围术期护理[J];解放军护理杂志;2013年17期
16 王彩虹;李慧香;陈春妹;;护理健康教育在飞秒激光制瓣LASIK手术中的应用效果观察[J];海南医学;2012年10期
17 党光福;;飞秒激光在白内障领域中的应用[J];山东大学耳鼻喉眼学报;2011年05期
18 毛伟;周宏健;;飞秒激光在眼科领域中的应用进展[J];现代实用医学;2011年12期
19 席炜;;更快、更高、更强——飞秒激光[J];现代物理知识;2010年02期
20 侯文博;张明昌;;飞秒激光在角膜移植术中的应用[J];国际眼科杂志;2008年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张遥;马玉平;陈雪辉;魏超;李翔;宋伟;;飞秒激光加工超硬材料研究进展[A];特种加工技术智能化与精密化——第17届全国特种加工学术会议论文集(摘要)[C];2017年
2 蒋红兵;钟凤娇;龚旗煌;;分子取向对飞秒激光传输的影响[A];第八届全国光学前沿问题讨论会论文集[C];2009年
3 鲁欣;张喆;奚婷婷;郝作强;梁文锡;王兆华;刘勋;马媛媛;张杰;;飞秒激光在大气中产生的等离子体通道的物理性质研究[A];第十四届全国等离子体科学技术会议暨第五届中国电推进技术学术研讨会会议摘要集[C];2009年
4 龚旗煌;郭亨长;王曦;罗乐;吴朝新;郭红沧;蒋红兵;杨宏;;飞秒激光微制备技术的原理与应用[A];北京光电子学青年学术论坛论文集[C];2003年
5 谷渝秋;焦春晔;周维民;陈豪;王光昶;温天舒;葛芳芳;刘红杰;黄文忠;尤永禄;何颖玲;温贤伦;;飞秒激光与等离子体相互作用中自生磁场的测量[A];中国工程物理研究院科技年报(2003)[C];2003年
6 贾天卿;徐至展;李晓溪;孙海轶;冯东海;李成斌;徐世珍;王晓峰;韦中超;赵福利;;飞秒激光作用下全向介质高反膜破坏的激发过程(英文)[A];2004年全国强场激光物理会议论文集(二)[C];2004年
7 龚旗煌;;飞秒激光微纳加工技术及应用[A];全国激光应用技术前沿发展报告会论文集[C];2005年
8 魏志义;王兆华;田金荣;令维军;贾玉磊;张军;韩海年;王鹏;孙敬华;郑加安;张杰;聂玉昕;;飞秒激光功能扩展及精确控制[A];第六届全国光学前沿问题研讨会论文摘要集[C];2003年
9 陆培祥;;飞秒激光驱动单阿秒脉冲的新机制[A];2006年全国强场激光物理会议论文集[C];2006年
10 曾绍群;;飞秒激光的声光扫描与神经活动观测[A];2006年全国强场激光物理会议论文集[C];2006年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 黄世海;“光之奇葩”:飞秒激光[N];解放军报;2015年
2 何进 高铭华;飞秒激光真神奇[N];解放军报;2012年
3 本报记者 张永超;飞秒激光刀『飞』入中国内地[N];医药经济报;2005年
4 记者 殳慧平;全数字化飞秒激光手术在杭州受捧[N];杭州日报;2011年
5 班玮;飞秒激光技术可望治疗近视[N];医药经济报;2009年
6 甄书秀;好好眼科携带 飞秒激光进京[N];中国质量报;2007年
7 本报记者 蒋秀娟;飞秒激光术能否带来安全“新视界”?[N];科技日报;2009年
8 卢敬叁 杨蕾;“飞秒激光光学频率梳的研究”取得重要成果[N];中国质量报;2006年
9 王迅;飞秒激光光学频率梳获国家科技进步二等奖[N];中国有色金属报;2010年
10 记者 王小龙;飞秒激光可使金属具备超疏水性能[N];科技日报;2015年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 田野;聚合物微机械的飞秒激光加工及驱动研究[D];吉林大学;2011年
2 吕金蔓;飞秒激光制备铌酸锂和钇铝石榴石晶体光波导器件及性质研究[D];山东大学;2018年
3 陈式有;飞秒激光成丝及其伴生效应的研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2018年
4 王珏晨;飞秒激光诱导碱金属氧化物玻璃微纳结构的研究[D];浙江大学;2018年
5 史岩;飞秒激光成丝在痕量检测和制备超疏水材料领域的研究[D];吉林大学;2018年
6 李贺;飞秒激光在空气、水溶液中的传输和成丝的光谱特性研究[D];吉林大学;2018年
7 马盼;符合动量成像研究飞秒激光作用下分子的库仑爆炸[D];吉林大学;2018年
8 赵佳宇;飞秒激光成丝现象中的太赫兹波空间束缚效应研究[D];南开大学;2016年
9 杜玲艳;飞秒激光制备硫系掺杂硅及其光电特性研究[D];电子科技大学;2018年
10 倪晓昌;飞秒激光微精细加工理论与实验研究[D];天津大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 姜俊;曲面基底衍射光学元件的极坐标飞秒激光直写技术研究[D];吉林大学;2017年
2 张骆;飞秒激光并行加工方法及在FPC微孔加工中的应用研究[D];湖北工业大学;2018年
3 张建玲;飞秒激光辅助白内障超声乳化手术并发症及其学习曲线[D];山西医科大学;2018年
4 史策;飞秒激光小切口基质透镜取出术术后眼压变化规律及影响因素的研究[D];中国医科大学;2018年
5 王全基;利用飞秒激光减小硅片表面相对反射率特性的研究[D];浙江师范大学;2017年
6 任飞飞;飞秒激光制备微孔阵列铝箔实现油水分离和水雾收集的方法研究[D];安徽大学;2018年
7 姚伯瑞;飞秒激光辅助深板层角膜移植治疗圆锥角膜的中远期疗效分析[D];南京大学;2018年
8 李思宇;Ⅵ族元素掺杂硅材料的制备及其性能研究[D];电子科技大学;2018年
9 史长坤;基于空间光调制技术的飞秒矢量光场微纳加工研究[D];太原理工大学;2018年
10 程梦雅;飞秒激光辅助的蘑菇状切口穿透性角膜移植术临床研究[D];南京医科大学;2018年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978