CN100443266C - 内嵌镍丝双菱型结构加热式驱动su-8基体微钳 - Google Patents

Abstract

一种微机电技术领域的内嵌镍丝双菱型结构加热式驱动SU-8基体微钳。本发明包括：SU-8主体外框架、内层上菱形SU-8腔体、双菱型镍丝、内层下菱形SU-8腔体、SU-8主体与基底连接座。SU-8主体外框架由带锯齿状结构的梯形右钳体、右上柔性凹槽结构、双菱形外框、左上柔性凹槽结构、带锯齿状结构的梯形左钳体、左下柔性凹槽结构、主体支撑座、右下柔性凹槽结构依次按逆时针次序相连构成；双菱型镍丝由双菱型镍丝上卡座、上菱型镍丝腔体、双菱型镍丝上下连接体、下菱型镍丝腔体、双菱型镍丝下卡座依次按逆时针次序相连构成。本发明具有结构新颖、安全可靠、热驱动以及操作方法简单的优点，具有冷却后自动复位的可重复操作的功能。

Description

内嵌镍丝双菱型结构加热式驱动SU-8基体微钳

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的装置，特别是一种内嵌镍丝双菱型结构加热式驱动SU-8基体微钳。

背景技术

随着微机电技术的发展，微加工、微装配过程中，微零件的拾取、操作和搬运都离不开微夹持技术。微夹持器作为一种重要的通用微操作工具，其研究得到世界各国学者的普遍关注，大量新型微夹持器不断出现，它们在动作原理、驱动方式、机构等方面各有特色。驱动方式主要有：静电驱动、热驱动、表面张力和压电效应驱动等。其中，热驱动方式又可分为双金属热致动、热膨胀致动、热气动等。考虑到微夹持器的力学和运动学要求，制造工艺和制造材料也复杂多样，如利用电激励的多晶硅微镊子，利用LIGA技术制造的毫米量级微镊子，基于体硅微加工工艺的静电驱动的微夹持器等。

经对现有技术的文献检索发现，已有两种形式的微夹持器，其一是基于体硅工艺的静电驱动的微夹持器，李玉和、李勇等人在中国专利《基于体硅工艺的微夹持器设计》(申请(专利)号：02153484.5)上提出一种静电致动微夹持器，其特征在于以静电作为驱动力源，夹持器由驱动电极、柔性结构、动梳齿、定梳齿、限位块、微夹持臂和底板组成；其二，李德选等人在期刊《机械设计》(2004年12月第21卷第12期)发表的《一种适用于微操作的驱动技术》，提出一种基于压电效应驱动的微夹持器，各种金属材料的压电陶瓷驱动的微尺寸夹钳和微尺度操作夹钳的设计相继出现。但是采用热驱动方式有其自身优势，除了可以提供较大的驱动力，而且还具有驱动电压低、变形大、结构简单、易于集成制造等优点。

发明内容

本发明针对现有技术的不同驱动方式与选择材料不同，提供一种内嵌镍丝双菱型结构加热式驱动SU-8基体微钳。本发明结构简单、可靠性高，选用材料SU-8胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶，具有良好的力学性能、抗化学腐蚀性和热稳定性，适于制超厚、高深宽比的MEMS微结构。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：SU-8主体外框架、内层上菱形SU-8腔体、双菱型镍丝、内层下菱形SU-8腔体、SU-8主体与基底连接座。

所述SU-8主体外框架包括：带锯齿状结构的梯形右钳体、右上柔性凹槽结构、双菱形外框、左上柔性凹槽结构、带锯齿状结构的梯形左钳体、左下柔性凹槽结构、主体支撑座、右下柔性凹槽结构，连接关系为：带锯齿状结构的梯形右钳体、右上柔性凹槽结构、双菱形外框、左上柔性凹槽结构、带锯齿状结构的梯形左钳体、左下柔性凹槽结构、主体支撑座、右下柔性凹槽结构依次按逆时针次序相连，构成SU-8主体外框架，SU-8主体外框架通过SU-8主体与基底连接座黏附在基底上；SU-8主体与基底连接座通过主体支撑座与SU-8主体外框架相连，内层上菱形SU-8腔体、内层下菱形SU-8腔体通过双菱型镍丝与SU-8主体外框架相连。

所述双菱型镍丝包括：双菱型镍丝上卡座、上菱型镍丝腔体、双菱型镍丝上下连接体、下菱型镍丝腔体、双菱型镍丝下卡座，连接关系为：双菱型镍丝上卡座、上菱型镍丝腔体、双菱型镍丝上下连接体、下菱型镍丝腔体、双菱型镍丝下卡座依次按逆时针次序相连，构成双菱形镍丝。双菱形镍丝通过双菱型镍丝上卡座、双菱型镍丝下卡座内嵌在SU-8主体外框架的双菱形外框。

所述内层上菱形SU-8腔体包括：内层上菱形SU-8腔体右卡槽、内层上菱形SU-8主体结构，连接关系为：内层上菱形SU-8腔体通过内层上菱形SU-8腔体右卡槽内嵌在上菱形镍丝腔体。

所述内层下菱形SU-8腔体包括：内层下菱形SU-8主体结构、内层下菱形SU-8腔体左卡槽，连接关系为：内层下菱形SU-8腔体通过内层下菱形SU-8腔体左卡槽内嵌在下菱型镍丝腔体。

本发明上述结构采用的材料分别是：双菱形镍丝采用的材料为镍；其他各组成部分采用的材料均为SU-8光致抗蚀剂。

本发明使用时，驱动信号从适配电源发出，通过电源线分别加载在双菱形镍丝上卡座、双菱形镍丝下卡座，加热双菱形镍丝，从而加热嵌套双菱形镍丝的SU-8双菱形外框和内层上菱形SU-8腔体、内层下菱形SU-8腔体，SU-8胶受热膨胀，通过左上柔性凹槽结构和右上柔性凹槽结构，带动带锯齿状结构的梯形左钳体和带锯齿状结构的梯形右钳体的没有锯齿结构的末端向外扩张，由于固结在主体支撑座上的左下柔性凹槽结构、右下柔性凹槽结构提供了转动支点，带动带锯齿状结构的梯形左钳体和带锯齿状结构的梯形右钳体的锯齿端向内收缩，夹起物体。移动至目标地，断开电源，SU-8胶体自然冷却，带动带锯齿状结构的梯形左钳体和带锯齿状结构的梯形右钳体的末端向内回缩、锯齿前端向外伸张，放开物体，实现夹持功能。

本发明中的四个柔性凹槽结构，可以有效缓释结构在舒张和回缩过程中的应力作用。SU-8主体外框架、内层上菱形SU-8腔体、内层下菱形SU-8腔体、双菱形镍丝，采用微细加工(光刻、溅射、电铸等)工艺实现。SU-8主体与基底连接座和SU-8主体外框架的悬空结构的实现采用的是AZ系列光刻胶的牺牲层技术。夹持功能的实现是通过通电双菱形镍丝，从而使以双菱形镍丝为中间层的类似三明治结构的双菱形外框和内层上菱形SU-8腔体、内层下菱形SU-8腔体的SU-8胶体热胀冷缩，夹紧或松开待移动的目标物体。

在本发明中，微钳的制备工艺，采用MEMS微加工工艺，牺牲层工艺制备SU-8胶主体外框架，双菱形镍丝采用UV-LIGA的微电铸镍工艺实现。

本发明的目的是提供一种结构新颖、热驱动以及操作方法简单，一种具有冷却后自动复位的可重复操作的微执行器。

本发明中，“结构新颖”是指：热驱动结构采用的是双菱形外框和内层上菱形SU-8腔体、内层下菱形SU-8腔体内嵌双菱形镍丝的类三明治结构。

本发明中，“热驱动”是指：驱动方式采用的是热膨胀式，加热镍丝，从而使内外层双菱形SU-8胶体受热，膨胀，推动两侧钳角后端向外伸张、钳角锯齿前端向里收缩夹持物体。

本发明中，“冷却后自动复位”是指：待夹持物体移动至目标地后，断开驱动电源，内外层双菱形SU-8胶体自然冷却，松开物体，恢复初始状态。

本发明的优点是：提供了基于SU-8胶为主体的结构新颖、操作简单的热驱动的具有冷却后自动复位的可重复操作的功能的微钳。本发明提供的热驱动，具有简单易实现的特点，提供的基于SU-8胶体的钳体结构，具有良好的力学性能、抗化学腐蚀性和热稳定性，满足灵活抓取目标物体的夹持器的力学和运动学要求，满足稳定和安全的抓取力要求，可用于微机电领域中对微米或亚微米尺度的对象进行姿态位置改变、或进行某些微加工操作。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明SU-8主体外框架示意图

图3为本发明双菱型镍丝示意图

图4为本发明内层上菱形SU-8腔体示意图

图5为本发明内层下菱形SU-8腔体示意图

图6为本发明SU-8主体与基底连接座示意图

具体实施方式

如图1、图2、图6所示，本实施例包括：SU-8主体外框架1、内层上菱形SU-8腔体2、双菱型镍丝3、内层下菱形SU-8腔体4、SU-8主体与基底连接座5。

所述SU-8主体外框架1包括：带锯齿状结构的梯形右钳体6、右上柔性凹槽结构7、双菱形外框8、左上柔性凹槽结构9、带锯齿状结构的梯形左钳体10、左下柔性凹槽结构11、主体支撑座12、右下柔性凹槽结构13，连接关系为：带锯齿状结构的梯形右钳体6、右上柔性凹槽结构7、双菱形外框8、左上柔性凹槽结构9、带锯齿状结构的梯形左钳体10、左下柔性凹槽结构11、主体支撑座12、右下柔性凹槽结构13依次按逆时针次序相连，构成SU-8主体外框架1。SU-8主体外框架1通过SU-8主体与基底连接座5黏附在基底上。SU-8主体与基底连接座5通过主体支撑座12与SU-8主体外框架1相连，内层上菱形SU-8腔体2、内层下菱形SU-8腔体4通过双菱型镍丝3与SU-8主体外框架1相连。

如图3所示，所述双菱型镍丝3包括：双菱型镍丝上卡座14、上菱型镍丝腔体15、双菱型镍丝上下连接体16、下菱型镍丝腔体17、双菱型镍丝下卡座18，连接关系为：双菱型镍丝上卡座14、上菱型镍丝腔体15、双菱型镍丝上下连接体16、下菱型镍丝腔体17、双菱型镍丝下卡座18依次按逆时针次序相连，构成双菱形镍丝3，双菱形镍丝3通过双菱型镍丝上卡座14、双菱型镍丝下卡座18内嵌在SU-8主体外框架1的双菱形外框8。

如图4所示，所述内层上菱形SU-8腔体2包括：内层上菱形SU-8腔体右卡槽19、内层上菱形SU-8主体结构20，连接关系为：内层上菱形SU-8腔体2通过内层上菱形SU-8腔体右卡槽19内嵌在上菱形镍丝腔体15。

如图5所示，所述内层下菱形SU-8腔体4包括：内层下菱形SU-8主体结构21、内层下菱形SU-8腔体左卡槽22，连接关系为：内层下菱形SU-8腔体4通过内层下菱形SU-8腔体左卡槽22内嵌在下菱型镍丝腔体17。

本实施例中，热驱动结构采用的是双菱形外框8和内层上菱形SU-8腔体2、内层下菱形SU-8腔体4、内嵌双菱形镍丝3的类三明治结构。

本实施例中，微钳的上述结构采用的材料分别是：双菱形镍丝3采用的材料为镍；其他各组成部分采用的材料均为SU-8光致抗蚀剂。

驱动信号从适配电源发出，通过电源线分别加载在双菱形镍丝上卡座14、双菱形镍丝下卡座18，加热双菱形镍丝3，从而加热嵌套双菱形镍丝的SU-8双菱形外框8和内层上菱形SU-8腔体2、内层下菱形SU-8腔体4，SU-8胶受热膨胀，通过左上柔性凹槽结构9和右上柔性凹槽结构7，带动带锯齿状结构的梯形左钳体10和带锯齿状结构的梯形右钳体6的没有锯齿结构的末端向外扩张，由于固结在主体支撑座12上的左下柔性凹槽结构11、右下柔性凹槽结构13提供了转动支点，带动带锯齿状结构的梯形左钳体10和带锯齿状结构的梯形右钳体6的锯齿端向内收缩，夹起物体。移动至目标地，断开电源，SU-8胶体自然冷却，带动带锯齿状结构的梯形左钳体10和带锯齿状结构的梯形右钳体6的末端向内回缩、锯齿前端向外伸张，放开物体，实现夹持功能。

本实施例中的四个柔性凹槽结构，可以有效缓释结构在舒张和回缩过程中的应力作用。SU-8主体外框架1、内层上菱形SU-8腔体2、内层下菱形SU-8腔体4、双菱形镍丝3，采用微细加工光刻、溅射、电铸等工艺实现。SU-8主体与基底连接座5和SU-8主体外框架1的悬空结构的实现采用的是AZ系列光刻胶的牺牲层技术。夹持功能的实现是通过通电双菱形镍丝3，从而使以双菱形镍丝3为中间层的类似三明治结构的双菱形外框8和内层上菱形SU-8腔体2、内层下菱形SU-8腔体4的SU-8胶体热胀冷缩，夹紧或松开待移动的目标物体。

在本实施例中，微钳的制备工艺，采用MEMS微加工工艺，牺牲层工艺制备SU-8胶主体外框架1，双菱形镍丝3采用UV-LIGA的微电铸镍工艺实现。

Claims (2)

1.一种内嵌镍丝双菱型结构加热式驱动SU-8基体微钳，包括：SU-8光致抗蚀剂主体外框架(1)、内层上菱形SU-8光致抗蚀剂腔体(2)、双菱形镍丝(3)、内层下菱形SU-8光致抗蚀剂腔体(4)、SU-8光致抗蚀剂主体与基底连接座(5)，其特征在于：

所述SU-8光致抗蚀剂主体外框架(1)由带锯齿状结构的梯形右钳体(6)、右上柔性凹槽结构(7)、双菱形外框(8)、左上柔性凹槽结构(9)、带锯齿状结构的梯形左钳体(10)、左下柔性凹槽结构(11)、主体支撑座(12)、右下柔性凹槽结构(13)依次按逆时针次序相连构成，SU-8光致抗蚀剂主体外框架(1)通过SU-8光致抗蚀剂主体与基底连接座(5)黏附在基底上，SU-8光致抗蚀剂主体与基底连接座(5)通过主体支撑座(12)与SU-8光致抗蚀剂主体外框架(1)相连，内层上菱形SU-8光致抗蚀剂腔体(2)、内层下菱形SU-8光致抗蚀剂腔体(4)通过双菱形镍丝(3)与SU-8光致抗蚀剂主体外框架(1)相连；

所述双菱形镍丝(3)由双菱形镍丝上卡座(14)、上菱型镍丝腔体(15)、双菱形镍丝上下连接体(16)、下菱型镍丝腔体(17)、双菱形镍丝下卡座(18)依次按逆时针次序相连构成，双菱形镍丝(3)通过双菱形镍丝上卡座(14)、双菱形镍丝下卡座(18)内嵌在SU-8光致抗蚀剂主体外框架(1)的双菱形外框(8)；

所述内层上菱形SU-8光致抗蚀剂腔体(2)包括：内层上菱形SU-8光致抗蚀剂腔体右卡槽(19)、内层上菱形SU-8光致抗蚀剂主体结构(20)，连接关系为：内层上菱形SU-8光致抗蚀剂腔体(2)通过内层上菱形SU-8光致抗蚀剂腔体右卡槽(19)内嵌在上菱形镍丝腔体(15)；

所述内层下菱形SU-8光致抗蚀剂腔体(4)包括：内层下菱形SU-8光致抗蚀剂主体结构(21)、内层下菱形SU-8光致抗蚀剂腔体左卡槽(22)，连接关系为：内层下菱形SU-8光致抗蚀剂腔体(4)通过内层下菱形SU-8光致抗蚀剂腔体左卡槽(22)内嵌在下菱型镍丝腔体(17)。

2.根据权利要求1所述的内嵌镍丝双菱型结构加热式驱动SU-8基体微钳，其特征是：所述双菱形外框(8)和内层上菱形SU-8光致抗蚀剂腔体(2)、内层下菱形SU-8光致抗蚀剂腔体(4)、双菱形镍丝(3)构成类三明治结构的热驱动结构。

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