CN101407060A - 基于mems工艺的微夹钳及控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于MEMS工艺的微夹钳及控制系统。该微夹钳由静电力驱动器、力传感器和两个操作臂组成，左臂为驱动臂，力驱动采用静电梳齿驱动结构，右臂为力反馈臂，力传感采用了梳齿电容检测结构。根据微夹钳的机械结构，设计了微夹钳的控制电路，其中包括三个主要部分：力反馈测量电路，驱动电压输出电路，中央处理单元电路。中央处理单元采集力反馈测量单元检测到的夹持力的大小，采用PID控制算法，控制驱动电压输出的大小，即控制微夹钳开口的状态，以完成对纳米级操作对象的操作。此微夹钳结构简单、紧凑，体积小，使用灵活，控制精度高，能够完成高精度的夹持工作，适应性强。

Description

基于MEMS工艺的微夹钳及控制系统

【技术领域】：

本发明属于基于MEMS的微执行器技术领域，具体涉及一种基于MEMS的微纳操作工具微夹钳的控制方案和实现方法。

【背景技术】：

微夹钳是最典型的微执行器，它可以充当机器人手爪，配合各种多自由度驱动装置成为微机器人。微夹钳单元技术与微装配、微操作、微焊接、微封装等系统技术紧密联系在一起，它在微机械零件加工，微机减装配和生物工程等方面都有较好的应用前景。尤其是随着新一代微操作技术的不断进步，将微夹钳安装在微操作机器人末端执行器上从而完成特定操作，具有重要的理论与应用价值。由于微夹钳的重要性和广泛的应用，近年来已成为微机械领域研究的热点。

对于微夹钳的研究，欧美和日本等国家，曾先后研制了硅材料的静电力驱动和金属材料的压电陶瓷驱动的微夹钳。典型的静电力驱动夹钳是以硅为材料，采用叉指式结构，与IC工艺兼容，可实现小型化和集成化。但是，由于静电场的特点，难以实现大的力和位移输出。压电材料驱动的夹钳，由于压电体的位移输出小，用来做驱动源往往须加位移放大装置。也有学者利用电磁力驱动夹钳，但由于电磁线圈结构较复杂，难以用IC加工。

美国专利(专利申请号：PCT/CA2007/001090，发明人：Sun，Yu，Kim，Keekyoung)讲述了一种基于MEMS的微夹钳设计和微组装办法。此微夹钳基于电热效应，两个臂同时进行驱动，其能够抓起微米级和纳米级的物体。沿X和Y轴两个方向各安装了一个力传感器，可以测量到微夹钳端部的夹持力，测量精度可以达到纳牛顿级。此微夹钳的优点是运动范围比较大，力测量比较准确，但是其结构复杂，加工难度大。

美国专利(专利号：EP0696497，发明人：Suzuki，Yoshihiko.)讲述了一个基于电热效应的微夹钳装置。此装置由两个操作臂组成，每个操作臂都装有一个电阻。当电流流过其中的微线圈时，产生热量，驱动微夹钳操作臂的运动。其操作臂的运动状态即微夹钳开口的大小，可以通过测量操作臂上电阻值的变化大小得到。此微夹钳的缺点是结构复杂，精确度较低。

【发明内容】：

本发明目的是解决现有微夹钳结构复杂、加工难度大的问题，提供一种基于MEMS工艺的微夹钳及控制系统。

本发明利用MEMS一般使用的硅材料，机械式微型夹钳采用静电力驱动，即利用平板电容器产生侧向吸引力的原理，产生微夹钳的夹持力。此微夹钳由左右双臂组成，其中的一个臂为驱动臂，上面施加驱动电压，其运动的多少与施加的电压成线性关系。电压去除后，夹钳臂靠自身的弹性势能恢复到原位，钳口张开；施加电压后，夹钳臂在静电力作用下弯曲变形，钳口闭合。另一臂为力反馈臂，通过测量梳齿对电容量的变化，可以得到夹持力的大小。

硅微夹钳采用深刻蚀工艺进行加工。

微夹钳开口大小由驱动臂电压的大小决定，夹持力的大小通过测量力反馈臂电容的变化得到。根据此原理，利用力反馈作为系统输入，采用数字PID控制电路，控制驱动电压输出的大小，实现夹持力大小的自动控制。

本发明提供的基于MEMS工艺的微夹钳，包括基体，基体一端是由横向梳齿对构成的静电力驱动器，基体的另一端是由竖向梳齿对构成的力传感器，基体中部静电力驱动器与力传感器之间是由驱动臂和力反馈臂组成的双臂。驱动臂在静电力驱动器的静电力作用下弯曲变形，使钳口闭合；钳口闭合后，力反馈臂将感受到的力转化为梳齿结构电容量的变化，电容量的变化即反应夹持力的大小。

本发明提供的用于控制上述微夹钳工作的控制系统包括：

驱动电压输出控制电路：用于向微夹钳中的静电力驱动器输出驱动控制电压，使驱动臂工作；

力反馈测量电路：通过微夹钳中的梳齿对电容量的变化，测量微夹钳中双臂的夹持力大小；

中央处理单元电路：该单元电路与力反馈测量电路连接，根据力反馈测量电路测出的夹持力的大小，控制驱动电压输出控制电路产生相应大小的驱动电压，以保证被夹持物体不被损坏。

USB通信单元：与中央处理单元电路连接，实现中央处理单元电路与上位机的通信，通过上位机直接控制微夹钳的动作。

其中，所述的驱动电压输出控制电路由数模转换芯片MAX5200构成，该芯片的SPI总线与中央处理单元电路的I/O端连接，用于将中央处理单元电路输出的数字信号转化为0～5V的模拟信号，该芯片的OUT端与高压运放芯片PA69的输入端连接，经过高压运放芯片PA69放大，使输出电压放大到0～150V，用于驱动微夹钳中的驱动臂进行运动。

力反馈测量电路由电容测量芯片AD7745构成，用于测量微夹钳中力反馈臂运动引起的差分电容的变化，即夹持力大小的变化和微夹钳开口的大小，同时该芯片内部将此模拟量转化为数字量。该芯片通过I²C总线与中央处理单元连接，用于通过I²C总线将数字量反馈给中央处理单元电路。

中央处理单元电路由单片机PIC18F2550构成，该单片机通过USB总线与上位机相连接，接收上位机发送的指令和参数；单片机通过I²C总线与力反馈测量电路连接，采集力反馈单元的输出信号，得到微夹钳开口状态和夹持力的大小；单片机通过SPI总线与驱动电压输出控制电路相连接，根据设定值，输出驱动电压的控制值，驱动微夹钳中的驱动臂运动，直至夹持力大小达到设定值。

以上所述微夹钳的工作过程如下：

第一、由上位机通过USB通信单元向中央处理单元电路发送夹持命令和夹持力期望值等相关参数；

第二、中央处理单元电路根据上位机发送的夹持命令，向驱动电压输出控制电路发送控制信号，同时根据力反馈测量电路传回的力反馈信号的大小，采用PID控制算法，自动调节驱动电压的大小，完成对操作对象的夹持。

本发明的优点和积极效果：

本发明实现了对纳米级大小物体的夹持和位置控制，并且通过反馈控制电路，自动控制夹持力的大小，从而可以完成对细胞等柔弱操作对象的操作。此微夹钳结构简单、紧凑，体积小，使用灵活，控制精度高，能够完成高精度的夹持工作，适应性强。

【附图说明】：

图1-1为本发明的机械结构示意图，图1-2为双臂钳口闭合状态示意图；

图中，1基体，2可动电极，3悬臂梁，4驱动梳齿对，5驱动臂，6被夹物，7力反馈臂，8检测梳齿对，9驱动电源，10柔性铰链。

图2为本发明的控制电路框图；

图3为力反馈测量单元电路；

图4为驱动电压输出单元电路；

图5为中央处理单元电路；

图6为本发明中央处理器的程序框图。

【具体实施方式】：

实施例1、微夹钳

本发明的机械结构微夹钳，如图1所示，包括基体1，基体一端是由横向梳齿对4构成的静电力驱动器，基体的另一端是由竖向梳齿对8构成的力传感器，基体中部静电力驱动器与力传感器之间是由驱动臂5和力反馈臂7组成的双臂。驱动臂5和力反馈臂7在力的作用下，通过柔性铰链10产生偏转。

当要夹持微物体时，左边的梳齿对驱动部分由于受到施加在可动电极2与固定电极1之间的驱动电压的作用，而产生横向的静电力，该力使悬臂梁3产生变形，带动微夹钳的左臂向右靠拢，直到与微夹钳的右臂合拢；当合拢时，右臂由于受到一个夹持的压力会产生一个偏转，这个偏转与夹持的压力成比例；同时，该偏转使得右边力传感器的梳齿对发生移动，产生电容的变化，这个电容变化通过测量电路测出，并通过反馈机制，对微夹钳的左右两臂实时反馈，以保证被夹持物体不被损坏。这就是静电梳齿微夹钳的工作原理。整个过程为：激励电压驱动梳齿间产生静电力，使得微夹钳左臂向右移动→与右臂合拢→右臂受到夹持时产生的压力产生偏转→该偏转使得右边的电容式力传感器的梳齿对发生移动→叉指的移动使得电容发生变化→电容的变化通过测量电路测出，并实现反馈。

实施例2、微夹钳控制系统

这种基于MEMS工艺的微夹钳，其控制系统电路框图如图2所示，它包括：

力反馈测量电路，即夹持力的测量电路；驱动电压输出控制电路，即产生高压，驱动微夹钳的左臂进行动作，使钳口张开；中央处理单元电路，即单片机根据反馈信号夹持力的大小，控制产生相应大小的驱动电压。其他辅助单元还包括USB通信单元，实现单片机与上位机的通信，可以通过上位机直接控制微夹钳的动作；ICD2接口单元为实现单片机的程序烧写和在线程序调试。

中央处理单元电路由单片机PIC18F2550构成，该单片机通过USB总线与上位机相连接，接收上位机发送的指令和参数；单片机通过I²C总线与力反馈测量电路连接，采集力反馈单元的输出信号，得到微夹钳开口状态和夹持力的大小；单片机通过SPI总线与驱动电压输出控制电路相连接，根据设定值，输出驱动电压的控制值，驱动微夹钳中的驱动臂运动，直至夹持力大小达到设定值。

图3、图4、图5为三个主要工作单元的详细电路：

力反馈测量电路(图3)：采用芯片AD7745测量微夹钳右臂运动引起的差分电容的变化，即夹持力大小的变化和微夹钳开口的大小，同时芯片内部将此模拟量转化为数字量，然后通过I²C总线将数字量反馈给单片机。AD7745电容测量的精确度可以达到4fF，AD转换位数24位，完全可以满足微夹钳电容输出大小的要求。

驱动电压输出控制电路(图4)：采用数模转换芯片MAX5200将中央处理单元输出的数字信号转化为0～5V的模拟信号，此信号经过高压运放芯片PA69放大，输出电压放大到0～150V，驱动微夹钳的右臂进行运动。MAX5200为16位的DA转换器，电压控制精度达到2mV，完全满足微夹钳驱动电压精度的要求。

中央处理单元电路(图5)：中央处理单元采用单片机PIC18F2550，单片机接受上位机发送的指令和参数，采集力反馈单元的输出信号，得到微夹钳开口状态和夹持力的大小，根据设定值，输出驱动电压的控制值，驱动微夹钳右臂运动，直至夹持力大小达到设定值。

单片机内部控制程序的流程图如图6所示，其工作过程如下：

第一、中央处理单元接收由上位机通过USB发送的命令，若收到夹持命令，则继续接收上位机发送的夹持力期望值，然后转入下一步操作；若收到松开命令，则输出驱动电压为零，松开微夹钳；

第二、中央处理单元根据上位机发送的夹持力期望值，向驱动电压输出控制电路发送控制信号，同时根据力反馈测量电路传回的力反馈信号的大小，采用PID控制算法，自动调节驱动电压的大小，完成对操作对象的夹持。然后中央处理单元程序回到第一步，继续检查是否接收到上位微机指令。

Claims (7)

1、一种基于MEMS工艺的微夹钳，其特征在于该微夹钳包括基体，基体一端是由横向梳齿对构成的静电力驱动器，基体的另一端是由竖向梳齿对构成的力传感器，基体中部，即静电力驱动器与力传感器之间，是由驱动臂和力反馈臂组成的双臂。

2、根据权利要求1所述的微夹钳，其特征在于驱动臂在驱动器的静电力作用下产生偏转，使钳口闭合：钳口闭合后，力反馈臂将感受到的力转化为梳齿对电容量的变化，电容量的变化即反应夹持力的大小。

3、一种用于控制权利要求1所述的微夹钳工作的控制系统，其特征在于该控制系统包括：

驱动电压输出控制电路：用于向微夹钳中的静电力驱动器输出驱动控制电压，使驱动臂工作；

力反馈测量电路：通过微夹钳中的力传感器传递的梳齿对电容量的变化，测量微夹钳中双臂的夹持力大小；

中央处理单元电路：该单元电路与力反馈测量电路连接，根据力反馈测量电路测出夹持力的大小，控制驱动电压输出控制电路，产生相应大小的驱动电压，以保证被夹持物体不被损坏。

4、根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于该控制系统还包括与中央处理单元电路连接的USB通信单元，实现中央处理单元电路与上位机的通信，通过上位机直接控制微夹钳的动作。

5、根据权利要求3或4所述的控制系统，其特征在于所述的驱动电压输出控制电路由数模转换芯片MAX5200和高压运放芯片PA69构成，芯片MAX5200的SPI总线与中央处理单元电路的I/O端连接，用于将中央处理单元输出的数字信号转化为0～5V的模拟信号，该芯片的OUT端与高压运放芯片PA69的输入端连接，经过高压运放芯片PA69放大，使输出电压放大到0～150V，用于驱动微夹钳中的驱动臂进行运动。

6、根据权利要求3或4所述的控制系统，其特征在于所述的力反馈测量电路由电容测量芯片AD7745构成，用于测量微夹钳中力反馈臂运动引起的差分电容的变化，即夹持力大小的变化和微夹钳开口的大小，同时该芯片内部将此模拟量转化为数字量；该芯片通过I²C总线与中央处理单元电路连接，用于通过I²C总线将数字量反馈给中央处理单元电路。

7、根据权利要求3或4所述的控制系统，其特征在于所述的中央处理单元电路由单片机PIC18F2550构成，该单片机通过USB总线与上位机相连接，接受上位机发送的指令和参数；单片机通过I²C总线与力反馈测量电路连接，采集力反馈单元的输出信号，得到微夹钳开口状态和夹持力的大小；单片机通过SPI总线与驱动电压输出控制电路相连接，根据设定值，输出驱动电压的控制值，驱动微夹钳中的驱动臂运动，直至夹持力大小达到设定值。

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