TiOPc光壓電致動器線性音波馬達之開發

Abstract

在近年的研究中已有許多利用光來產生力場的方式，如光鉗利用雷射光束的能量梯度來控制微小粒子，亦有光電濕潤，利用光感電極的方式改變液滴局部的表面張力來控制液滴的移動，或是利用光介電泳的方式透過特殊光圖騰產剩的斥力與引力來控制粒子動方向，但是上述的光控方式都沒辦法產生較大的力量輸出。直到光壓電複合材料的出現之後，才大幅提昇了光轉力的強度，並且已有將光感電極運用於微幫浦的技術，但是光敏材料操作在高頻率的情況之下的反應仍有待改善。光壓電複合材料的出現，使得光感電極出現了更多樣化的應用，而若是將光敏材料應用於市面上廣泛出現的壓電超音波馬達中，則可以獲得更佳的驅動選擇性與其應用。 本論文嘗試開發光敏材料並優化其高頻響應，並與壓電材料進行結合，製作可以光學的方式來調控的光壓電複合材料，以光驅動為出發點，製作一靈敏的光控音波馬達，目的為以光驅動的方式，在有限的結構中產生行進波，使裝置能夠利用行進波來移動。該複合材料是透過感光敏材料TiOPc (Titanyl Phthalocyanine)薄膜以及雙層的壓電材料PZT (Lead Zirconate Titanate)來製作。 為了改善TiOPc光敏材料在高頻之下的阻抗變化率不足的問題，本文針對不同的濃度、配方與製程方式所製作出的光敏材料TiOPc薄膜進行探討，以精密阻抗分析儀(Agilent 4294A)進行量測，以探討其照光前後阻抗之變化及電學特性的阻抗分析實驗，找出最佳的配方與製程組合進一步地將其應用於音波馬達的光感電極上。 過去在音波馬達的開發上，有許多的研究都使用旋轉式超音波馬達利用時間與空間相位差90度的兩駐波(Standing wave)疊合產生行進波的方式來設計直線型超音波馬達，但是效率並不佳甚至是無法運作，原因是直線型超音波馬達一直無法克服邊界的效應，有效的在小尺度的有限結構中產生行進波，而近年的研究中則出現了將結構中兩相鄰的正交模態進行疊合的方式來產生行進波，而本論文亦將嘗試利用此方式來進行直線型超音波馬達的設計與製作，將極化方向相反的壓電片貼合成一雙層的Bimorph結構，並透過驅動頻率介於兩相鄰共振頻之間的訊號來驅動具有特別有效電極位置安排的壓電材料，以激發出結構中兩相鄰的彎曲模態，透過模態的疊合可在有限結構中得到一行進波，本論文將針對音波馬達行進波的產生，進行理論的推導、數值模擬與實驗來印證行進波產生的方式。 本研究並將優化後的光敏材料與壓電音波馬達進行結合，將音波馬達的上電極透過一系列的製程替換為光感電極，進行光驅動實驗，驗證光壓電音波馬達的可行性，成功開發一光驅動式的直線型超音波馬達。

In this thesis, photoconductive titanium oxide phthalocyanine (TiOPc) was used as the active ingredient to enable the virtual electrode in an optopiezoelectric composite based piezoelectric actuator. By illuminating light with a designed wavelength and intensity onto a pre-set area of TiOPc coating, the effective impedance of the illuminated area can decrease. The optopiezoelectric composites is constructed with a layer of TiOPc coating, a layer of ITO transparent electrode, and a piezoelectric actuator. Different concentration of TiOPc nanoparticles and dopants were also studied. It was verified that by illuminating a light source to TiOPc coating, the driving voltage applied on the piezoelectric actuator can be increased for activating the piezoelectric actuator. This spatial control capability provided a platform for controlling the distributed forces by an optical means with selective exposure area. Once the optopiezoelectric composite material was optimized, a two-mode excited linear sonic motor was designed and developed to be driven by spacial illumination. To overcome the common challenge of a linear ultrasonic motor, the reflective wave generated by finite boundaries, the superposition of two adjoining bending modes called ‘two mode excitation’ were applied. When the frequency of input signal was the average of two adjoining resonance frequencies, the transversal displacement could be considered as the superposition of these mode shapes. Comparing with the vibration-absorbing device, two mode excitation was more flexible capability. Combining the two linear sonic motor and TiOPc thin film, we successfully fabricated the optopiezoelectric sonic motor.