本發(fā)明涉及微納驅(qū)動、微納加工以及生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，特指一種利用具有高速動態(tài)生長特性的蒸汽泡作為驅(qū)動源，實(shí)現(xiàn)液下微懸臂梁高速驅(qū)動的方法。

背景技術(shù)：

1、微懸臂梁結(jié)構(gòu)常見于微納電子機(jī)械系統(tǒng)。目前常用的液下微懸臂梁驅(qū)動方法有壓電驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動和光熱激勵等。在面對液下表面加工、生物探測等這類有著強(qiáng)驅(qū)動力、高自由端控制精度需求的應(yīng)用時，壓電驅(qū)動法能量傳遞效率受限且自由端控制精度不足；電機(jī)驅(qū)動法則面臨能量損失大、響應(yīng)速度慢的挑戰(zhàn)；而光熱激勵法盡管驅(qū)動頻率帶寬較高，但在液下環(huán)境下所能實(shí)現(xiàn)的最大振幅僅限于納米級，難以滿足對速度和振幅的雙重需求。因此，一種可以在各種復(fù)雜多變工況下工作的液下微懸臂梁高速驅(qū)動方法顯得尤為重要。

2、激光在液下照射碳基或貴金屬等光熱轉(zhuǎn)化材料時會觸發(fā)一種微米級蒸汽泡，其生命周期短(約10微秒)，生長速度快(約20m/s)，能夠在各類溶液中產(chǎn)生局部的強(qiáng)烈擾動，推動微小物體快速運(yùn)動。因此這類蒸汽泡是微納領(lǐng)域中潛在的優(yōu)質(zhì)驅(qū)動載體，將其與微懸臂梁相結(jié)合，將建立一種效率高、速度快且適應(yīng)性好的液下微懸臂梁驅(qū)動方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于蒸汽泡的液下微懸臂梁驅(qū)動方法，可以實(shí)現(xiàn)液下微懸臂梁的高速、大振幅運(yùn)動。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明包括：提供一種基于蒸汽泡的液下微懸臂梁高速驅(qū)動方法，其特征在于預(yù)先為待驅(qū)動微懸臂梁上表面鍍上貴金屬納米膜，并使用激光經(jīng)顯微物鏡聚焦后照射到放置于溶液環(huán)境中的微懸臂梁上表面；當(dāng)激光開啟時，超過閾值功率的激光在短暫延遲時間后會在微懸臂梁上表面觸發(fā)蒸汽泡成核和生長；蒸汽泡在膨脹階段內(nèi)部壓力或能量迅速釋放，推動微懸臂高速運(yùn)動，微懸臂的最大振幅與輸入激光功率有關(guān)；停止激光照射，蒸汽泡迅速冷凝潰滅，微懸臂梁短時間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定；再次輸入激光能量可實(shí)現(xiàn)下次驅(qū)動。

3、優(yōu)選的，所述微懸臂梁材質(zhì)為氮化硅。

4、優(yōu)選的，所述貴金屬納米膜為金納米膜。

5、進(jìn)一步的，液體環(huán)境為水或其他溶液，包括含水的混合溶液，如生理鹽水等，以及各類有機(jī)溶液如乙醇、丙酮等。

6、進(jìn)一步的，本發(fā)明使用激光照射貴金屬納米膜，能利用其高效光熱轉(zhuǎn)化效率迅速地將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使周圍液體汽化產(chǎn)生蒸汽泡。

7、進(jìn)一步的，本發(fā)明在微懸臂梁上方觸發(fā)蒸汽泡，其形狀為半球形，微懸臂受到不對稱壓力及流場擾動而產(chǎn)生高速運(yùn)動，懸臂在蒸汽泡體積最大時到達(dá)最大振幅z。

8、進(jìn)一步的，通過改變輸入激光的功率p，能夠控制蒸汽泡的最大尺寸，進(jìn)而控制蒸汽泡驅(qū)動微懸臂梁的驅(qū)動速度與最大振幅z。

9、發(fā)明的效果

10、本發(fā)明與以往的方法相比，通過觸發(fā)具有高速動態(tài)生長特性的蒸汽泡，即可實(shí)現(xiàn)對微懸臂梁的高速驅(qū)動，方法簡單易操作；驅(qū)動速度及最大振幅可通過調(diào)節(jié)輸入激光的功率p進(jìn)行調(diào)控；蒸汽泡直接在微懸臂梁自由端進(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動效率高。本發(fā)明可應(yīng)用于表面微納加工及單細(xì)胞穿刺等領(lǐng)域中。

技術(shù)特征：

1.一種基于蒸汽泡的液下微懸臂梁高速驅(qū)動方法，其特征在于：為待驅(qū)動微懸臂梁上表面鍍上貴金屬納米膜，并使用激光經(jīng)顯微物鏡聚焦后照射到放置于溶液環(huán)境中的微懸臂梁上表面；當(dāng)激光開啟時，超過閾值功率的激光在短暫延遲時間后會在微懸臂梁上表面觸發(fā)蒸汽泡成核和生長；蒸汽泡在膨脹階段內(nèi)部壓力或能量迅速釋放，推動微懸臂高速運(yùn)動，微懸臂梁的最大振幅與輸入激光功率有關(guān)；停止激光照射，短時間內(nèi)探針恢復(fù)穩(wěn)定；再次輸入激光能量可實(shí)現(xiàn)下次驅(qū)動。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡的液下微懸臂梁高速驅(qū)動方法，其特征在于：所述微懸臂梁應(yīng)具有一定強(qiáng)度和彈性；優(yōu)選，所述微懸臂梁材料為氮化硅。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡的液下微懸臂梁高速驅(qū)動方法，其特征在于：所述貴金屬納米膜為金、銀、鉑納米膜；優(yōu)選，所述貴金屬納米膜為金納米膜。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡的液下微懸臂梁高速驅(qū)動方法，其特征在于：使用激光照射貴金屬納米膜，能利用其高效光熱轉(zhuǎn)化效率迅速地將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使周圍液體汽化產(chǎn)生蒸汽泡。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡的液下微懸臂梁高速驅(qū)動方法，其特征在于：蒸汽泡膨脹時內(nèi)部壓力或能量的迅速釋放，導(dǎo)致懸臂受到不對稱壓力及流場擾動而產(chǎn)生高速運(yùn)動。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡的液下微懸臂梁高速驅(qū)動方法，其特征在于：液體環(huán)境為水或其他溶液，包括含水的混合溶液，如生理鹽水等，以及各類有機(jī)溶液如乙醇、丙酮等。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蒸汽泡的液下微懸臂梁高速驅(qū)動方法，其特征在于：通過改變輸入激光的功率，能夠控制蒸汽泡的最大尺寸，進(jìn)而控制蒸汽泡驅(qū)動微懸臂梁的驅(qū)動速度與最大振幅。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及微納驅(qū)動、微納加工以及生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，特指一種利用具有高速動態(tài)生長特性的蒸汽泡作為驅(qū)動源，實(shí)現(xiàn)液下微懸臂梁高速驅(qū)動的方法。其特征在于，該方法利用蒸汽泡內(nèi)部壓力或能量的迅速釋放，推動微懸臂梁高速運(yùn)動，且最大振幅高度可控。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了微懸臂梁的液下高速驅(qū)動，操作簡單，且為無接觸式操作，微懸臂梁的驅(qū)動速度及最大振幅可以通過輸入激光的功率P進(jìn)行調(diào)控。由于蒸汽泡直接在微懸臂梁自由端進(jìn)行驅(qū)動，本發(fā)明有著驅(qū)動效率高、驅(qū)動作用強(qiáng)、驅(qū)動精度高的優(yōu)點(diǎn)，在表面微納加工和單細(xì)胞穿刺等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：王玉亮,王澤宇,李佳沐
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/2