基于表面等离子体激元波导结构的微驱动器的制作方法

本发明涉及一种微驱动器，尤其是涉及一种基于表面等离子体激元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(microopticalelectromechanicalsystem,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,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。

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，表面等离子体激元波导已成为集成光学领域的新兴研究方向。表面等离子体激元是一种在金属表面传播的并且被约束在此表面的一种非辐射电磁波。表面等离子体激元被约束在波导表面是光和金属的自由电子相互作用的结果。具有普通光波导所不具备的特性：可实现在纳米尺度上的信号传输；可保持信号长程传输过程中的单一偏振态，实现各种尺寸下的单模传输；表面等离子体激元波导的金属芯层结构，不但能够传播光信号，还可以传播电信号，或者光电复用信号，可实现在同一芯片上的光电混合；金属的介电常数为复数，通过对金属芯层结构的设计，能够限制光场强度、模式分布等；可对表面等离子体激元波导的金属芯层直接调制以实现表面等离子体激元波导器件的高效调谐等。基于以上特性，表面等离子体激元波导器件在光通信、光学领域发挥重要应用。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出一种基于表面等离子体激元波导结构的微驱动器，该微驱动器可实现光热微驱动器的多重远程控制，利用表面等离子体激元波导结构，可以对信号的传输、能量分布、模式分布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：一种基于表面等离子体激元波导结构的微驱动器，该基于表面等离子体激元波导结构的微驱动器包括表面等离子体激元波导层和驱动臂层两部分；其中，表面等离子体激元波导层上设置表面等离子体激元波导结构和光热转换区域；基于表面等离子体激元波导结构的驱动器由所述表面等离子体激元波导层和驱动臂层两层或者多层以叠层的形式组合而成。通过将光信号、电信号或者光电复用信号引入表面等离子体激元波导结构形成进行传输，通过表面等离子体激元波导结构来限制入射信号的传输模式，使输入信号传输至光热转换区域产生热效应，实现驱动臂层的动作。

具体的，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。

具体的，基于表面等离子体激元波导结构的驱动器由表面等离子体激元波导层和驱动臂层叠加，或者由两层表面等离子体激元波导层上下叠加，或者由表面等离子体激元波导层、驱动臂层和表面等离子体激元波导层叠加构成。

具体的，表面等离子体激元波导结构包括柔性聚合物包层与波导金属芯层。

具体的，波导金属芯层选用的金属材料为在光频波段具有表面等离子共振特性的贵金属材料。具体的，波导金属芯层选用的金属材料为金、银、铜或铝。波导金属芯层为矩形、脊形、倒脊形或者条载形结构及其变换形式。

具体的，表面等离子体激元波导结构为直波导、“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，光热转换区域可位于波导金属芯层或者柔性聚合物包层或者位于驱动臂层，或者，光热转换区域位于表面等离子体激元波导层和驱动臂层之间或者位于表面等离子体激元波导层表面。

具体的，表面等离子体激元波导结构和驱动臂层为聚合物、玻璃、或金属材料制备的硬质或者柔性层。

具体的，表面等离子体激元波导层和驱动臂层厚度在100纳米至1厘米范围。

具体的，光热转换区域有一个或多个点或者面，光热转换区域为单层或者多层的结构。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。

有益效果：本发明公开的一种基于表面等离子体激元波导结构的微驱动器与现有技术相比有益效果如下：

1、利用的驱动信号可以为光信号、电信号或光电复用信号，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；采用可同时传导光电信号的表面等离子体激元波导作为芯层，打破光电信号不兼容的障碍，实现光电复用；

2、利用集成化的表面等离子体激元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表面等离子体激元波导体系，可实现微驱动臂的多重控制，丰富微驱动器的功能；

5、在同一通路上可以传输和处理多个或多道频率的信号，光信号与电信号可独立控制，即实现“波分多路复用”；

6、若单独使用光信号进行驱动，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、利用表面等离子体激元波导结构控制入射的信号的传输，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为基于条形表面等离子体激元波导的微驱动器；

图2为表面等离子体激元波导结构的模式分布示意图；

图3为“u”形表面等离子体激元波导；

图4为环形谐振腔表面等离子体激元波导；

图5为y分支表面等离子体激元波导；

图6为本发明的实施例1一种向上弯曲的基于表面等离子体激元波导结构的微驱动器；

图7为本发明的实施例1一种向下弯曲的基于表面等离子体激元波导结构的微驱动器；

图8为本发明的实施例2一种“s”型弯曲的基于表面等离子体激元波导结构的微驱动器；

图9为本发明的实施例3一种连续弯曲的基于表面等离子体激元波导结构的微驱动器。

中标号：1表面等离子体激元波导层、2驱动臂层、3表面等离子体激元波导结构、4光热转换区域、5柔性聚合物包层、6波导金属芯层、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：

本实施例提供一种弯曲的基于表面等离子体激元波导结构的微驱动器，其结构如图6和图7所示，包括两层层叠的表面等离子体激元波导层1和驱动臂层2。表面等离子体激元波导层1上设置表面等离子体激元波导结构3和光热转换区域4。通过将光信号、电信号或者光电复用信号引入表面等离子体激元波导结构3进行传输，通过表面等离子体激元波导结构3来限制入射信号的传输模式，使输入的光电信号传输至光热转换区域4域产生热效应，实现驱动臂层2的动作。

表面等离子体激元波导层1可为单层或者多层，光热转换区域4可位于表面等离子体激元波导结构3的芯层或者包层或者位于驱动臂层2或者光热转换区域4位于表面等离子体激元波导层1和驱动臂层2之间或者位于表面等离子体激元波导层1表面。表面等离子体激元波导结构3和驱动臂层2可为聚合物、玻璃、金属等材料制备的硬质或者柔性层。表面等离子体激元波导层1和驱动臂层2厚度可在100纳米至1厘米范围。光热转换区域4有一个或多个点或者面，范围可小于表面等离子体激元波导层范围，也可与表面等离子体激元波导层1相同或者大于表面等离子体激元波导层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。所述光热转换区域4为单层或者多层的结构。入射信号可为光信号、电信号或者光电复用信号，所述光电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，所述的光信号与电信号可独立控制。

本实施例的工作机理为，将光信号、电信号或者光电复用信号引入表面等离子体激元波导结构3形成进行传输，通过表面等离子体激元波导结构3来限制入射信号的传输模式，使输入信号传输至光热转换区域4，光热转换区域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；由于表面等离子体激元波导层1材料和驱动臂层2材料杨氏模量以及热膨胀系数的差异，表面等离子体激元波导层1吸收光能量后会产生一定方向上的形变，从而使得驱动臂层2相应的产生该方向上的形变。通过改变驱动臂层2、表面等离子体激元波导层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6,底层为表面等离子体激元波导层1，顶层为驱动臂层2，光热转换区域4置于表面等离子体激元波导层1右端，使得驱动臂层2受热膨胀后形成向上的弯曲形变。如图7,顶层为表面等离子体激元波导层1，底层为驱动臂层2，光热转换区域4置于表面等离子体激元波导层1右端，使得驱动臂层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”型弯曲的基于表面等离子体激元波导结构的微驱动器，其结构如图8所示，包括依次叠层的两层表面等离子体激元波导层1，顶层波导层11和底层波导层12。其中所述顶层波导层11和底层波导层12上均设置表面等离子体激元波导结构3和顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42。通过将光信号、电信号或者光电复用信号引入表面等离子体激元波导结构3进行传输，通过表面等离子体激元波导结构3来限制入射信号的传输模式，使输入的光电信号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可位于表面等离子体激元波导结构3的芯层或者包层。表面等离子体激元波导结构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。入射信号可为光信号、电信号或者光电复用信号，所述光电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，所述的光信号与电信号可独立控制。

本实施例的工作机理为，通过安置不同结构的表面等离子体激元波导结构3(例如“u”形波导、条形波导、“y”形波导等)，将光信号、电信号或者光电复用信号引入表面等离子体激元波导结构3形成进行传输，通过表面等离子体激元波导结构3来限制入射信号的传输模式，使输入信号传输至顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42，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11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表面等离子体激元波导结构微驱动器，其结构如图9所示，包括依次叠层的顶层波导层11、驱动臂层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上分别设置表面等离子体激元波导结构3和顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42。

通过将光信号、电信号或者光电复用信号引入表面等离子体激元波导结构3进行传输，通过表面等离子体激元波导结构3来限制入射信号的传输模式，使输入的光电信号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可位于表面等离子体激元波导结构3的芯层或者包层。表面等离子体激元波导结构3和驱动臂层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。入射信号可为光信号、电信号或者光电复用信号，所述光电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，所述的光信号与电信号可独立控制。

本实施例的工作机理为，通过安置不同结构的表面等离子体激元波导结构3(例如“u”形波导、条形波导、“y”形波导等)，将光信号、电信号或者光电复用信号引入表面等离子体激元波导结构3形成进行传输，通过表面等离子体激元波导结构3来限制入射信号的传输模式，使输入信号传输至顶层光热转换区域41和底层光热转换区域42，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。通过改变驱动臂层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9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。