電熱驅(qū)動US-8微夾鉗的相關(guān)問題研究.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展及對物質(zhì)在微/納尺度特性研究的深入，研究和開發(fā)適用于復(fù)雜MEMS器件微裝配及對各種具有微/納尺度研究對象進行微操作的微夾持系統(tǒng)，能夠很好地促進這些領(lǐng)域的發(fā)展。作為末端執(zhí)行部分的微夾持器是微夾持系統(tǒng)與被夾持對象之間的接口，其夾持效果直接決定微夾持系統(tǒng)的性能，因此微夾持器已成為目前的研究熱點。對目前微夾持裝置的研究現(xiàn)狀進行分析可知，電熱驅(qū)動微夾鉗具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制容易及輸出力較大等優(yōu)點。而SU-8膠材料具有高熱膨脹

2、系數(shù)、低熱導(dǎo)系數(shù)、良好的生物兼容性和較好的工藝性等特點，特別適合制作電熱微夾鉗?；谝陨显?，本文以電熱驅(qū)動SU-8微夾鉗為研究對象，對其設(shè)計、制作及測試等相關(guān)問題進行了深入研究。
　　在設(shè)計方面，針對目前設(shè)計方法的不足，提出了一種電熱驅(qū)動微夾鉗柔性機構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計方法。首先歸納及推導(dǎo)了明確的用于微夾鉗柔性機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的選擇準(zhǔn)則。利用選擇準(zhǔn)則對用于微夾鉗拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的六桿、八桿及十桿對稱單自由度剛性機構(gòu)進行了綜合，得到了66種備

3、選機構(gòu)。為避免在幾何優(yōu)化過程中對設(shè)計者經(jīng)驗的依賴，提高優(yōu)化效率，基于剛度矩陣方法建立微夾鉗參數(shù)化剛度模型，利用所建模型對微夾鉗幾何尺寸進行優(yōu)化。采用該系統(tǒng)設(shè)計方法，設(shè)計出一種鉗口常閉型（A型）及一種鉗口常開型（B型）電熱驅(qū)動SU-8微夾鉗，由ANSYS軟件仿真結(jié)果可知，優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計要求，性能優(yōu)于經(jīng)驗設(shè)計，A型及B型微夾鉗的放大倍數(shù)分別為30.4和14.8?；谕負鋬?yōu)化方法及偽剛體模型方法對具有納米級鉗口結(jié)構(gòu)電熱驅(qū)動微夾鉗進行了設(shè)計。

4、
　　提出了一種具有三層對稱三明治結(jié)構(gòu)的新型SU-8膠V形電熱驅(qū)動器，考慮了聚合物材料電、熱耦合及多材料結(jié)構(gòu)熱膨脹分布不均問題，能夠有效避免驅(qū)動過程中的平面外運動，并具有驅(qū)動電壓低、工作溫度低及結(jié)構(gòu)緊湊等特點。采用整體釋放及雙面濺射工藝對設(shè)計的電熱驅(qū)動SU-8微夾進行了成功制作，并對影響加工質(zhì)量關(guān)鍵工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。針對所設(shè)計具有納米級鉗口結(jié)構(gòu)電熱驅(qū)動微夾鉗的結(jié)構(gòu)特點，提出了一套采用納米壓印工藝與微加工工藝相結(jié)合的制作工藝，并對

5、該工藝進行了初步探索。
　　搭建了一套微夾鉗微操作及性能測試系統(tǒng)，在25℃的潔凈實驗室環(huán)境下，對制作出的A型及B型微夾鉗進行了鉗口位移輸出特性及驅(qū)動器溫度特性測試。由測試結(jié)果可知:A型微夾鉗需73.6 mV的驅(qū)動電壓（此時輸入功率25.61 mW，驅(qū)動器平均溫升45℃)，可輸出107.5μm的鉗口距離變化量，其鉗口響應(yīng)時間均約為0.3s。對于B型微夾鉗，施加195 mV的驅(qū)動電壓（此時輸入功率為111.1 mW，驅(qū)動器平均溫升為5

6、3.7℃）可使鉗口閉合，鉗口距離變化量為-71.5μm，其鉗口響應(yīng)時間均約為0.23 s。在測試過程中，兩型微夾鉗鉗口的平面外位移小于500 nm，證明了電熱驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的合理性。A型微夾鉗的驅(qū)動效率為4.18μm/mW，在已報道的同類微夾鉗中最大。同時，A型及B型微夾鉗所需驅(qū)動電壓在同類微夾鉗中最低。
　　提出了一種基于SU-8膠壓阻式微懸臂梁微力傳感器的微夾鉗夾持力直接測量方法，并研制了相應(yīng)的測量裝置，實現(xiàn)了對微夾鉗夾持力的直接

7、測量?；谠摐y量裝置，對制作出的兩種微夾鉗進行了夾持力測量及鉗口剛度標(biāo)定。由實驗結(jié)果可知:A型及B型微夾鉗的鉗口剛度分別約為2.83 N/m及7.22 N/m，滿足設(shè)計要求。該方法所用傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，精度與尺寸滿足微夾鉗夾持力測量需要。
　　為驗證微夾鉗的夾持效果，在25℃的潔凈實驗室環(huán)境下，采用A型及B型微夾鉗成功地進行了毛發(fā)和長耳鸮覆羽羽小枝微拉伸測試試樣的微裝配實驗，又成功地對PS小球、微血管標(biāo)本和藍藻細胞進行了微操