CN100349704C - 静电力驱动的三臂微型夹持装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微型机械装置，具体涉及一种微型夹持装置或由控制输入电压驱动的微操控系统。该夹持装置由夹持机构与高频驱动电源两部分组成，夹持机构中，三根相互平行的夹持臂，其夹持段为悬臂状，另一段为安装部，固定在三根成品字形排列的圆形支架结合处的凹槽内，并分别设有电极且与高频驱动电源连通，该电源在一个周期内三路相继处于高电平，相位差为120度，一个电压周期内三路中只有一路处于高电平。高频驱动电源由低压电源、高压辅助电源与高压电源三部分组成。本装置的三夹持臂能方便准确定位，并在工作过程中受力均衡，夹持稳定可靠，能对被夹持器件进行空间控制，实现对复杂器件的装配。并有良好的绝缘，可在液体介质中进行操作。实验证实能够投入实际使用。

Description

静电力驱动的三臂微型夹持装置
技术领域
本发明涉及微型机械装置，具体涉及一种微型夹持装置或由控制输入电压驱动的微操控系统。
背景技术
夹持、搬运微小物体的新工具的开发，在微技术领域有重要作用。目前出现的同尺度微操控器如光镊、磁镊等，虽然能够夹持、搬运微器件，但大都实现条件比较苛刻，需要有可靠的光源和磁场；同时还要求被移动器件有方便夹持的形状，或其材料为透明或带有磁性等，这使得其制作或实际使用都比较困难。例如，现有技术中利用机械力夹持微米级微粒和器件的两臂镊子，由于它在夹持过程中只有两点接触物体，如当被夹持的微观物体具有球状或柱状物体或某些不规则形状时，两臂镊子夹持存在着很难牢固夹持的问题。
2001年，日本大研化学工业株式会社在CN1364141A的专利申请中公开了一种纳米镊子和纳米机械手，其中提出了三臂镊子的设计构想。该镊子由在一根臂上施加正电压，另外两个臂上施加负电压，通过正负电压差的改变实现镊子的闭合与夹持。该专利中，其纳米镊子固定设在棱锥端部的凸起处，不仅制作安装困难，而且定位误差大。这种定位误差会造成三臂在空间分布的不均。从而导致电荷分布差异，使得三个臂的受力不同；另一方面，所述三臂镊子中的一臂在工作过程中始终施加正电压，感应出正电荷，而另两臂施始终加负电压，感应出负电荷。这使得感应出负电荷的两臂为互相排斥状态。由于以上两方面原因，这种三臂镊子工作时稳定性差，并不能达到牢固夹持微小物体的目的。
发明内容
针对上述存在问题，本发明提供一种制作简单、安装方便且能牢固夹持微小物体的静电力驱动三臂微型夹持装置。
本发明的目的由以下方式实现。
本发明的静电力驱动三臂微型夹持装置，由夹持机构与高频驱动电源两部分组成，其特征在于，所述夹持机构中，三根相互平行的夹持臂，其夹持段为悬臂状，另一段为安装部，固定在三根成品字形排列的圆形支架结合处的凹槽内，并分别设有电极且与高频驱动电源连通；该高频驱动电源在一个周期内三路相继处于高电平，相位差为120度，一个电压周期内三路中只有一路处于高电平，其输出波形为方波或三角波等线形波。
所述高频驱动电源由低压电源、高压辅助电源与高压电源三部分组成。高频脉冲由频率可调脉冲发生器发出，经过脉宽可调电路展宽脉宽，并经过数字式三路同步三相脉冲发生器实现三路同步输出，该三路输出经同步三相脉冲驱动电路、三相功率输出电路后通过导线分别与三电极相连，实现对三根镊子臂的操纵。其中，频率可调脉冲发生器、脉宽可调电路及三路同步三相脉冲发生器由低压电源(+5v)提供动力，同步三相脉冲驱动电路由高压辅助电源(+15v)提供动力，三相功率输出电路由高压电源(+250v)提供动力。
在实际使用中，所述三电极可以是使用镀膜与刻蚀方法加工的相互绝缘的金属膜。所述圆形支架可以选用脱去外层树脂的微型裸光纤，所述夹持臂可以选用碳纤维，在夹持臂与圆形支架、夹持臂与电极之间可选用粘结剂。
本发明的静电力驱动三臂微型夹持装置，其圆形支架成品字形排列，则其结合处的凹槽也自然成品字形排列，由于表面张力的作用，三根夹持臂不仅能方便、准确地定位在凹陷处，而且能较好地保证三者之间的相互平行，且三臂在圆周上等分，使得任意两臂间距相等，从而保证了三臂在工作过程中受力均衡，有利于夹持稳定性。本发明采用的驱动电源为高频交流电。实际使用时，使输出电压由0V开始逐渐递增，则三臂逐渐相互靠近。实验表明，当电压加到临界值的时，随着变形的增大，静电吸引力的增加要大于弹性形变所产生的内应力的增加，使夹持臂发生突然合拢，紧紧夹持住被夹持物。在一个周期内，每根臂都经历高电平，对另外两臂形成吸引。当频率很高时，引力在臂间旋转，当频率高于夹持臂的固有频率时，效果相当于同时在吸引。
本发明不仅夹持稳定，而且其材料易于获取，对被移动的微器件无材料及形状方面的要求。如对支架加上适当的自由度，还可以实现对被器件的空间控制，进而可对复杂器件进行装配，有良好的绝缘也可在液体介质中进行操作。实验证实本发明可应用于微米级器件的夹持与搬运。
附图说明
图1是本发明的静电力驱动三臂微型夹持装置中夹持机构的一种实施例示意图。
图2是图1的A-A方向剖视图，为了便于说明，本图作了放大。
图3是本发明的静电力驱动三臂微型夹持装置中高频驱动电源部分的电路框图。
图4是本发明的静电力驱动三臂微型夹持装置中高频驱动电源部分的电路图。
图5是本发明的静电力驱动三臂微型夹持装置中高频驱动电源部分的输出波形图。
图6是在50倍显微镜中得到的使用本发明的静电力驱动三臂微型夹持装置进行闭合实验图象。
图7是在50倍显微镜中得到的使用本发明的静电力驱动三臂微型夹持装置夹持高分子小球图象。
具体实施方式
参见图1和图2，1、2、3为三根采用直径为5微米的碳纤维制成的夹持臂，支架4是采用脱去外层树脂的直径为125微米的三根裸光纤，该三根裸光纤由绝缘胶粘结成品字形，两两之间有凹槽，夹持臂1的安装部分被绝缘胶分别固定在该凹槽内。由于三根裸光纤成品字形，因此也就能方便地保证三根夹持臂相互平行并且也成品字形，即它们在同一圆周上等分，并且任意两臂间距相等。电极5、6、7均是由在沉淀有金膜的载波片加工出绝缘带得到的金属膜，它们分别与三根夹持臂粘结成一体，在三电极上还分别连有导线，以和外部电源接通。
参见图3和图4，高频驱动电源由三部分组成：低压电源8，高压辅助电源9与高压电源10。高频脉冲由频率可调脉冲发生器发出，经过脉宽可调电路展宽脉宽，经过数字式三路同步三相脉冲发生器实现三路同步输出，该三路输出经同步三相脉冲驱动电路、三相功率输出电路后通过导线分别与电极5、6、7相连，实现对镊子臂1、2、3进行操纵。其中，频率可调脉冲发生器11、脉宽可调电路12及三路同步三相脉冲发生器13由低压电源(+5v)提供动力，同步三相脉冲驱动电路14由高压辅助电源(+15v)提供动力，三相功率输出电路15由高压电源(+250v)提供动力。为避免夹持装置产生共振，可使高频驱动电源的频率可调电路的输出频率在远离镊子臂固有频率的一定范围内调节选择。例如，当镊子臂的固有频率分别为ω1＝1.5KHz，ω2＝9.8KHz，ω3＝27.572KHz时，频率可调电路的输出频率可选择在40KHz-50KHz范围内调节。
为了使同步三相脉冲驱动电路和三相功率输出电路更好的工作，使用了高压辅助电源为它们供电。为增加输出电压的可调节范围，电源末端连接了功率放大电路。三路输出端通过导线分别与电极5、6、7相连，实现对镊子臂1、2、3进行操纵。通过外加电压控制碳纤维镊子臂自由端的开合。随着驱动电压的逐渐增大/减小，臂在静电力作用下逐渐合拢/张开，夹持/松开微小物体，进行微器件的搬运和装配。
参见图5，为三臂微型夹持装置所加高频电压的波形图，其输出波形为方波。在一个周期内，每根臂都经历高电平，相位差为120度，对另外两臂形成吸引。当频率很高时，引力在臂间旋转，当频率高于镊子臂的固有频率时，效果相当于同时在吸引。
实验表明，当峰值电压由0V递增，可以看到镊子臂的自由端间距同时逐渐变小，当增大到一定电压时三臂突然合拢，整个过程未发生明显震动
在图6、7所示的实验中，使用的夹持机构如图1、图2所示，高频驱动电源部分如图3、4所示。
参见图6，为三臂镊子合拢实验。实验在光学显微镜下进行。在电极上加电压，同时对镊子臂位置进行成像。当在电极上缓慢施加电压，并使输出电压由0V开始递增后，三臂间的距离以相等的缩小量逐渐变小，当增大到162V时三臂突然合拢，随着驱动电压的逐渐增大/减小，三臂在静电力作用下逐渐合拢/张开，整个过程稳定、无振动产生。重复试验，情况相同。
参见图7，为三臂镊子的合拢并夹持小球的实验。所述的被夹持小球微粒大小为50微米左右。图中表达了整个实验过程：三臂镊子靠近并夹持住目标小球(图7A-C)，三臂镊子把目标小球移动到一个新位置并松开小球(图7D-E)，三臂镊子远离小球。
以上两个实验说明本发明夹持装置可靠性高，能够投入实际使用。

Claims (2)

1.一种静电力驱动三臂微型夹持装置，由夹持机构与高频驱动电源两部分组成，其特征在于，所述夹持机构中，三根相互平行的夹持臂，其夹持段为悬臂状，另一段为安装部，固定在三根成品字形排列的圆形支架结合处的凹槽内，并分别设有电极且与高频驱动电源连通；该电源在一个周期内三路相继处于高电平，相位差为120度，一个电压周期内三路中只有一路处于高电平，其输出波形为方波或三角波。
2.如权利要求1所述的静电力驱动三臂微型夹持装置，其特征在于，所述高频驱动电源由低压电源、高压辅助电源和与高压电源三部分组成，高频脉冲由频率可调脉冲发生器发出，经过脉宽可调电路展宽脉宽，经过数字式三路同步三相脉冲发生器实现三路同步输出，该三路输出经同步三相脉冲驱动电路、三相功率输出电路后通过导线分别与三电极相连；其中，频率可调脉冲发生器、脉宽可调电路及三路同步三相脉冲发生器由低压电源提供动力，同步三相脉冲驱动电路由高压辅助电源提供动力，三相功率输出电路由高压电源提供动力。
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