專利名稱：用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
光致旋轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)微機(jī)械馬達(dá)的有效手段，隨著科技的發(fā)展，以及工藝加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，光致旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用前景將日益廣泛，光致旋轉(zhuǎn)的方法不僅可以應(yīng)用到微全分析系統(tǒng)中充當(dāng)攪拌器，還可以應(yīng)用到微泵中，也可以用來研究旋轉(zhuǎn)馬達(dá)蛋白、流體的微觀性質(zhì)、細(xì)胞膜剪切力等，因此，該技術(shù)的深入研究為微生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)提供了一種強(qiáng)有力的工具。1936年，R. A. Beth在實(shí)驗(yàn)上讓一束圓偏振光通過細(xì)絲懸掛的半波片，首次利用光束中光子的角動量實(shí)現(xiàn)了物體的旋轉(zhuǎn)(Beth R A. Mechanical detection and measurement ofthe angualar momentum oflight. Phys. Rev. , 1936, 50 :115_125)。自此以來人們一直在不停的探索著實(shí)現(xiàn)光致旋轉(zhuǎn)的方法。自從1986年Askin等人提出了 “光鑷”實(shí)現(xiàn)了對粒子的三維空間控制(Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, S. Chu. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Opt. Lett. 1986，11，288-290.)，同時也促進(jìn)了光致旋轉(zhuǎn)的發(fā)展。到目前為止實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動旋轉(zhuǎn)主要采用如下幾種方式第一種方式是利用自旋角動量實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)；第二種方式是利用軌道角動量實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)；第三種方式是利用光的線性動量實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)制作具有特定外形結(jié)構(gòu)的微型器件，利用器件對光束的反射、折射、吸收等相互作用來實(shí)現(xiàn)器件的旋轉(zhuǎn)(Galajda P, Ormos P.Complex Micromachines Produced and Driven by Light. Appl. Phys. Lett. 2001,78(2) :249-251)。利用第三種方式實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的研究比較多，由于微粒的轉(zhuǎn)速與方向可以人為控制，并且利用雙光子聚合技術(shù)可以加工出適合于光學(xué)驅(qū)動的任意三維微器件，使得這種實(shí)驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)起來更加靈活，因此，目前有更多的研究人員致力于馬達(dá)設(shè)計(jì)研究和改良。匈牙利科學(xué)院的Ormos小組在這方面也做了大量的研究工作，提出了多種特殊形狀的轉(zhuǎn)子并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，利用激光光鑷俘獲并驅(qū)動螺旋形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，包括螺旋槳形，螺旋線形，灑水器形，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對比在相同條件下螺旋槳形轉(zhuǎn)子可以獲得更高轉(zhuǎn)速，IOmw的功率下可達(dá)到幾赫茲的旋轉(zhuǎn)速率(Peter Galajda, Pal Ormos. Rotation of microscopic propellers in laser tweezers. Journal ofOptics B Quantum and Semiclassical Optics 2002，4 (2)，pp. S78-S81)；為了得到連續(xù)的旋轉(zhuǎn)控制方式，Ormos等人根據(jù)扁平粒子被產(chǎn)生線偏振光的激光光鑷俘獲旋轉(zhuǎn)后，旋轉(zhuǎn)方向與偏振面方向一致，因此設(shè)計(jì)了帶有橫截面為十字型齒輪粒子，雖然旋轉(zhuǎn)方向易控制，但是相同的條件下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩較??；另外，為了獲得更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Ormos與他的同事又提出將多個轉(zhuǎn)子組合形成齒輪帶動裝置，利用中心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動帶動其它轉(zhuǎn)子。考慮到激光光鑷裝置的復(fù)雜性，在某些應(yīng)用下使用波導(dǎo)光驅(qū)動更有益，尤其在微流系統(tǒng)中，于是他們又提出了集成系統(tǒng)，包括光轉(zhuǎn)子，光軸和利用雙光子聚合方法形成的光波導(dǎo)，波導(dǎo)光輸入功率IOmw可以產(chǎn)生2rps旋轉(zhuǎn)速率。日本立命館大學(xué)Ukita小組，也提出了多種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如簡單毽子狀、帶有斜面的毽子狀，其中包括三個翼、四個翼以及多個翼及圓柱形帶有斜面結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子(H.Ukita， Μ. KanehiraA shuttlecock optical rotor-Its design,fabrication and evaluation for a micro-fluidic mixer. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics on Optical MEMS, 8, pp. 111-117，2002.)，通過理論計(jì)算光力矩和粘性阻力，并且通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。這些轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定俘獲、高速旋轉(zhuǎn)；同時通過理論計(jì)算和仿真光束的各個參數(shù)如光強(qiáng)、數(shù)值孔徑、焦距等對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速影響，從而優(yōu)化了光束特性和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。 Ukita等人考慮到微流系統(tǒng)中粘滯阻力的影響，提出了在帶有斜面的轉(zhuǎn)子的側(cè)面制成圓柱形可以減少粘滯阻力，從而獲得了更高的轉(zhuǎn)速和性能。為了在微流系統(tǒng)中能夠充分發(fā)揮攪拌器的作用，他們又提出了通過置換激光光鑷光阱的位置來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的逆時針和順時針方向的變化，首先將兩個帶有三個翼的轉(zhuǎn)子連接起來，經(jīng)過激光照射整體，獲得的轉(zhuǎn)速為單一轉(zhuǎn)子的2倍?；谶@種設(shè)計(jì)原理，Shoji Maruo等人也設(shè)計(jì)了一種組合式轉(zhuǎn)子，將具有相反方向翼的兩個轉(zhuǎn)子聯(lián)系起來，并且在兩個轉(zhuǎn)子外面套一個圓柱形外罩，目的是固定兩個轉(zhuǎn)子和減少粘滯阻力，然后將激光光束聚焦到兩個轉(zhuǎn)子的中間，使得作用到轉(zhuǎn)子翼的光壓力方向相同，因此增加了光扭轉(zhuǎn)力矩，可以獲得較高的轉(zhuǎn)速。Queensland大學(xué)Vincent L. Y. Loke為了將光馬達(dá)更好的應(yīng)用到生物應(yīng)用中，可以隨時控制樣本溶液的流動方向和位置，設(shè)計(jì)并利用雙光子聚合技術(shù)制備了形狀類似于 鈴狀中間帶有葉片的轉(zhuǎn)子，在多光束驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動，獲得了較高的攪拌效率° (Gregor Kno'.ner, Simon Parkin, Timo A. Nieminen, Vincent L. Y. Loke, Norman R. Heckenberg, and Halina Rubinsztein-Dunlop. Integrated optomechanical microelements. Optics Express, 2007,15(9), pp. 5521-5530)為了獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果， 他們提出將可產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩的多種方式結(jié)合起來，首先將兩個轉(zhuǎn)子組合，然后利用帶有角動量的光束進(jìn)行照射并獲得較理想的結(jié)果。中國科技大學(xué)黃文浩小組利用一種丙烯酸酯光固化材料S-3的雙光子聚合效應(yīng)， 在自行研制的飛秒激光微細(xì)加工系統(tǒng)中加工出直徑為6微米的萬字形微轉(zhuǎn)子，并利用光鑷裝置實(shí)現(xiàn)了激光功率50mW時200rpm光致旋轉(zhuǎn)(祝安定，劉宇翔，郭銳，肖詩洲，黃文浩.一種微型轉(zhuǎn)子的激光加工和光致旋轉(zhuǎn).光電工程.2006(33) :10-13)，同時也提出了幾種計(jì)算光扭矩的方法，并利用該方法對Ormos小組曾經(jīng)設(shè)計(jì)的幾種特殊轉(zhuǎn)子進(jìn)行了理論計(jì)算，求出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本相符。全球有多所大學(xué)根據(jù)“類風(fēng)車旋轉(zhuǎn)”原理，在轉(zhuǎn)子形狀設(shè)計(jì)上做了較多研究，獲得了較大的進(jìn)展和較好的研究成果，但是還是存在比如轉(zhuǎn)子不能穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，為了獲得較高的扭轉(zhuǎn)力矩要犧牲掉功能范圍等不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定，能獲得較高的扭轉(zhuǎn)力矩的用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的包括由密度較小的材質(zhì)制成的光驅(qū)動層和由密度較大的材質(zhì)制成的作業(yè)工具層，所述光驅(qū)動層包括旋轉(zhuǎn)軸和上體轉(zhuǎn)子，所述作業(yè)工具層包括下層轉(zhuǎn)子及尖端狀旋轉(zhuǎn)軸，上體轉(zhuǎn)子位于旋轉(zhuǎn)軸上端，下層轉(zhuǎn)子位于旋轉(zhuǎn)軸下端，尖端狀旋轉(zhuǎn)軸連接于旋轉(zhuǎn)軸的下頂端， 還包括基底，所述尖端狀旋轉(zhuǎn)軸嵌套在基底上的孔徑略大于旋轉(zhuǎn)軸軸徑的錐形小孔中。本發(fā)明的還可以包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征1、所述光驅(qū)動層、作業(yè)工具層的密度與被驅(qū)動溶液的密度關(guān)系應(yīng)滿足P溶液 < P光驅(qū)動層< P作業(yè)工具層。2、所述上體轉(zhuǎn)子為具有三個或四個翼的“類風(fēng)車”結(jié)構(gòu)。3、所述上體轉(zhuǎn)子的各個翼呈扇形柱狀。4、所述上體轉(zhuǎn)子的各個翼呈四棱柱狀，四棱柱狀的上面為斜面，翼的端部帶有半圓柱，還包括球體，球體位于旋轉(zhuǎn)軸的上頂端。5、所述的作業(yè)工具層由兩個翼、三個翼或是多個翼構(gòu)成，每個翼為弧線形、螺旋形、花瓣形、長方形或錐形。實(shí)現(xiàn)用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子的基本原理是光具有產(chǎn)生輻射壓力的線性動量，在一定條件下，光還攜帶有角動量，包括自旋角動量和軌道角動量。利用光的線性動量實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)制作具有特定外形結(jié)構(gòu)的微型器件， 利用光束在反射、散射或透射時由于動量的改變而產(chǎn)生的輻射壓力或梯度力，作用于具有特殊幾何形狀的粒子類似風(fēng)吹風(fēng)車轉(zhuǎn)動，光場的光壓力作用在風(fēng)車狀的微粒上會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩實(shí)現(xiàn)的，其轉(zhuǎn)速與光強(qiáng)成正比。因此將轉(zhuǎn)子形狀設(shè)計(jì)成“類風(fēng)車”結(jié)構(gòu)，并且利用兩種密度的材料，上層密度較小，下層密度較大，復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子在溶液中傾斜時，由于浮力與重力作用點(diǎn)不重合，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩使得轉(zhuǎn)子恢復(fù)到直立平衡位置。并且錐形尖端嵌套在基底錐形小孔上接觸面積最小減少摩擦力，使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的繞軸旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明提供了一種用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子，利用不同密度材料制成的具有特定結(jié)構(gòu)的微小粒子，上層密度較小，下層密度較大，復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子在溶液中傾斜時，由于浮力與重力作用點(diǎn)不重合，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩使得轉(zhuǎn)子恢復(fù)到直立平衡位置。2、旋轉(zhuǎn)軸頂端采用球體結(jié)構(gòu)，目的是可以在雙體轉(zhuǎn)子可以穩(wěn)定的被俘獲到，并且在旋轉(zhuǎn)時不宜偏離光源作用區(qū)。3、由于采用雙體結(jié)構(gòu)的微小粒子，分為光驅(qū)動層和作業(yè)工具層，可以使得驅(qū)動光源裝置和作業(yè)工具層分離開，避免由于直接接觸損傷溶劑活性，同時解決了單體轉(zhuǎn)子翼的個數(shù)受驅(qū)動和功能的限制問題，雙體轉(zhuǎn)子可以同時獲得最優(yōu)效果。4、由于將軸末端尖端嵌套基底的圓錐形小孔中，接觸面積最少，減少了摩擦力，而且可以使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的繞軸旋轉(zhuǎn)。5、由于轉(zhuǎn)子功能層的不同結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)微流攪拌、微泵、測量微觀拉力、微結(jié)構(gòu)盤繞等功能，因此，為微生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)提供了一種強(qiáng)有力的工具。


圖1用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子及使用示意圖；圖2帶有微孔的基底示意圖；圖3光源位移轉(zhuǎn)子正上方時復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖4光源出射方向平行轉(zhuǎn)子時復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；圖5光源位移轉(zhuǎn)子正上方時光驅(qū)動層示意圖；圖6光源出射方向平行轉(zhuǎn)子時光驅(qū)動層示意圖；圖7攪拌液體功能的雙體轉(zhuǎn)子作業(yè)工具層示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述結(jié)合圖1-3，本發(fā)明的用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子的第一種實(shí)施方式是用于光源發(fā)出的光位于轉(zhuǎn)子正上方時.包括由密度較小的材質(zhì)制成的光驅(qū)動層和由密度較大的材質(zhì)制成的作業(yè)工具層，所述光驅(qū)動層包括旋轉(zhuǎn)軸7和上體轉(zhuǎn)子8，所述作業(yè)工具層包括下層轉(zhuǎn)子9及尖端狀旋轉(zhuǎn)軸10，上體轉(zhuǎn)子位于旋轉(zhuǎn)軸上端，下層轉(zhuǎn)子位于旋轉(zhuǎn)軸下端，尖端狀旋轉(zhuǎn)軸連接于旋轉(zhuǎn)軸的下頂端，還包括基底4，所述尖端狀旋轉(zhuǎn)軸嵌套在基底上的孔徑略大于旋轉(zhuǎn)軸軸徑的錐形小孔5中。所述上體轉(zhuǎn)子為具有三個或四個翼的“類風(fēng)車”結(jié)構(gòu)。所述上體轉(zhuǎn)子的各個翼呈四棱柱狀，四棱柱狀的上面為斜面，翼的端部帶有半圓柱，還包括球體6，球體位于旋轉(zhuǎn)軸的上頂端。結(jié)合圖4，本發(fā)明的用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子的第二種實(shí)施方式，是用于光源出射方向平行轉(zhuǎn)子時。它與第一種實(shí)施方式的區(qū)別在于所述上體轉(zhuǎn)子的各個翼呈扇形柱狀，但不省略了球體。上述各實(shí)施方式中光驅(qū)動層、作業(yè)工具層的密度與被驅(qū)動溶液的密度關(guān)系應(yīng)滿
p溶液< p光驅(qū)動層< p作業(yè)工具層。上述各實(shí)施方式中作業(yè)工具層由兩個翼、三個翼或是多個翼構(gòu)成，每個翼為弧線形、螺旋形、花瓣形、長方形或錐形。上述實(shí)施方式制作過程為1、雙體轉(zhuǎn)子的加工其中轉(zhuǎn)子的加工如圖3所示，首先在CAD中設(shè)計(jì)所需求的模型，然后按照CAD已經(jīng)設(shè)計(jì)好的應(yīng)用程序，轉(zhuǎn)化為控制器可以識別的指令，再利用計(jì)算機(jī)的軟件控制系統(tǒng)控制三維移動軸的精密運(yùn)動和光間的通斷，實(shí)現(xiàn)飛秒激光有選擇性加工，此時飛秒激光準(zhǔn)直后從顯微鏡左側(cè)入射，經(jīng)過反射鏡反射后，被100倍顯微物鏡聚焦到光敏樹脂內(nèi)，光敏樹脂位于玻片表面，玻片固定在三維移動軸上，從而在光敏樹脂內(nèi)制作三維立體微器件，未曝光的材料用溶劑溶解，就得到所需的固化三維微結(jié)構(gòu)即所設(shè)計(jì)的雙體轉(zhuǎn)子。2、溶液的匹配利用水溶液中添加NaCl等物質(zhì)，調(diào)節(jié)溶液密度，使得溶液密度比聚合加工后所得雙體轉(zhuǎn)子密度小。3、微孔加工利用157nm激光在玻璃基質(zhì)上打孔徑約為4. 5微米的圓錐形小孔。4、雙體轉(zhuǎn)子與孔徑嵌合利用如光纖光鑷或是其它俘獲裝置1發(fā)出的光2將沉于溶液底部的雙體轉(zhuǎn)子3俘獲并移動到孔徑中，由于雙體轉(zhuǎn)子自身材質(zhì)及結(jié)構(gòu)的影響，可以穩(wěn)定直立于孔徑中。
權(quán)利要求
1.一種用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子，其特征是包括由密度較小的材質(zhì)制成的光驅(qū)動層和由密度較大的材質(zhì)制成的作業(yè)工具層，所述光驅(qū)動層包括旋轉(zhuǎn)軸和上體轉(zhuǎn)子，所述作業(yè)工具層包括下層轉(zhuǎn)子及尖端狀旋轉(zhuǎn)軸，上體轉(zhuǎn)子位于旋轉(zhuǎn)軸上端，下層轉(zhuǎn)子位于旋轉(zhuǎn)軸下端，尖端狀旋轉(zhuǎn)軸連接于旋轉(zhuǎn)軸的下頂端，還包括基底，所述尖端狀旋轉(zhuǎn)軸嵌套在基底上的孔徑略大于旋轉(zhuǎn)軸軸徑的錐形小孔中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子，其特征是所述上體轉(zhuǎn)子為具有三個或四個翼的“類風(fēng)車”結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子，其特征是所述上體轉(zhuǎn)子的各個翼呈扇形柱狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子，其特征是所述上體轉(zhuǎn)子的各個翼呈四棱柱狀，四棱柱狀的上面為斜面，翼的端部帶有半圓柱，還包括球體，球體位于旋轉(zhuǎn)軸的上頂端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任何一項(xiàng)所述的用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子，其特征是所述的作業(yè)工具層由兩個翼、三個翼或是多個翼構(gòu)成，每個翼為弧線形、螺旋形、花瓣形、長方形或錐形。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種用于光馬達(dá)的復(fù)合材料雙體轉(zhuǎn)子。包括由密度較小的材質(zhì)制成的光驅(qū)動層和由密度較大的材質(zhì)制成的作業(yè)工具層，所述光驅(qū)動層包括旋轉(zhuǎn)軸和上體轉(zhuǎn)子，所述作業(yè)工具層包括下層轉(zhuǎn)子及尖端狀旋轉(zhuǎn)軸，上體轉(zhuǎn)子位于旋轉(zhuǎn)軸上端，下層轉(zhuǎn)子位于旋轉(zhuǎn)軸下端，尖端狀旋轉(zhuǎn)軸連接于旋轉(zhuǎn)軸的下頂端，還包括基底，所述尖端狀旋轉(zhuǎn)軸嵌套在基底上的孔徑略大于旋轉(zhuǎn)軸軸徑的錐形小孔中。本發(fā)明的轉(zhuǎn)子能穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，同時解決了單體轉(zhuǎn)子翼的個數(shù)受驅(qū)動和功能的限制問題，利用雙體轉(zhuǎn)子可以同時獲得最優(yōu)效果。由于轉(zhuǎn)子功能層的不同結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)微流攪拌、微泵、測量微觀拉力、微結(jié)構(gòu)盤繞等功能，因此，為微生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)提供了一種強(qiáng)有力的工具。
文檔編號H02K16/02GK102185398SQ201110113930
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者畢思思, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學(xué)