CN102079498B

CN102079498B - 一种柔性电热驱动微夹钳及制作工艺方法

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Publication number: CN102079498B
Application number: CN2010105602983A
Authority: CN
Inventors: 褚金奎; 张然; 陈兆鹏
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-11-18
Also published as: CN102079498A

Abstract

本发明一种柔性电热驱动微夹钳及制作工艺方法属于微机电系统技术领域中的微执行器，特别涉及一种柔性电热驱动微夹钳及其制作工艺方法。微夹钳是具有驱动部分和钳体柔性机构两部分的一个整体结构，由SU-8胶结构层和上、下电极金属层组成，并且左右结构完全对称。驱动部分采用Λ形梁阵列，钳体柔性机构部分为10杆柔性机构。本发明制作工艺方法的步骤包括氧化、涂胶、曝光、显影、腐蚀、溅射金属。该微夹钳夹持端温度较低，采用三层对称结构，夹持过程中不会发生法向弯曲。微夹钳中的柔性机构结构新颖，运动放大倍数大，夹持物体尺寸范围大，并且为整体结构，无需装配，制作简单，有助于实现生物微操作技术的实用化。

Description

一种柔性电热驱动微夹钳及制作工艺方法

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域中的微执行器，特别涉及一种柔性电热驱动微夹钳及其制作工艺方法。

背景技术

随着生物技术的迅猛发展，对于生物体微小组织及细胞的研究已成为热点。研究和开发适用于生物微操作，能够方便加持微小组织及细胞的微夹钳，是促进生物技术发展的重要因素，因此成为近年来微机电系统技术领域的研究热点。

目前微夹钳的驱动方式主要有：静电式、电磁式、液压式和电热式等。与其他驱动方式相比，电热驱动具有驱动力及位移较大、驱动电压低和结构简单等优点，适用于生物微操作过程。微夹钳的钳体部分主要由刚性机构或柔性机构构成。具有刚性机构的微夹钳由于加工及装配技术的限制，其体积较大，难于实现微小化。而具有柔性机构的微夹钳一般为单片结构，可以采用半导体加工技术进行整体制作，无需装配，可实现微小化。并且柔性机构一般采用柔性铰链铰接，具有无摩擦及间隙，无需润滑和运动精度高等优点。

生物体微操作要求电热微夹钳的生物兼容性要高，夹持温度要低。SU-8胶是一种负性光刻胶，由于其生物兼容性高，热膨胀系数大，非常适合作为用于操作生物体的微夹钳的材料。目前SU-8胶电热微夹钳主要为和Λ形梁阵列驱动式。冷热臂驱动式SU-8胶电热微夹钳见文献Nikolas Chronis，Luke P.Lee.Electrothermally Activated SU-8 Microgripper for Single CellManipulation in Solution.JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICALSYSTEMS，VOL.14，NO.4，AUGUST 2005。由于冷热臂驱动式微夹钳热源距离夹持端较近，其夹持温度较高。Λ形梁阵列驱动式SU-8胶电热微夹钳见文献Karthik S.Colinjivadi，Jeong-Bong Lee，Rockford Draper.Viable cellhandling with high aspect ratio polymer chopstick gripper mounted on a nanoprecision manipulator.Microsyst Technol(2008)14：1627-1633。Λ形梁阵列驱动式微夹钳驱动器与夹持端较远，夹持端温度较低，但由于金属层和SU-8结构层分布不对称，施加电压之后钳体具有法向弯曲，影响操作进行。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的不足，采用一种类似三明治的金属层——SU-8层——金属层的三层对称结构，夹持过程中不会发生法向弯曲。本发明中的微夹钳中的柔性机构结构新颖，运动放大倍数大，能够夹持的物体尺寸范围大。

本发明采用的技术方案是一种柔性电热驱动微夹钳，其特征是，微夹钳是具有驱动部分和钳体柔性机构两部分的一个整体结构，由SU-8胶结构层1和位于驱动部分上、下表面的上、下电极金属层2、2’组成，并且左右结构完全对称；驱动部分中，驱动位移杆4和Λ形梁阵列3连接，并固定在固定杆5上，左、右电极6、6’固接在固定杆5上；钳体柔性机构部分为10杆柔性机构，其中：左、右钳臂摇杆16、16’的上端为左、右夹持端17、17’，中下部通过左、右第5柔性铰链15、15’与左、右第2摇杆11、11’的上部铰接；左、右钳臂摇杆16、16’的下部通过左、右第6柔性铰链14、14’与左、右第3摇杆13、13’的上部铰接；左、右第2摇杆11、11’的中下部通过左、右第3柔性铰链10、10’与固定杆5的上部铰接；左、右第2摇杆11、11’的下部通过左、右第2柔性铰链9、9’与左、右第1摇杆8、8’的中部铰接；左、右第3摇杆13、13’的下部通过左、右第4柔性铰链12、12’与左、右第1摇杆8、8’的上部铰接；左、右第1摇杆8、8’的下部通过左、右第1柔性铰链7、7’与驱动位移杆4的上部铰接。

一种柔性电热驱动微夹钳，其采用的制作工艺方法特征是，用硅片作为基底，通过氧化、涂胶、曝光、显影、腐蚀、溅射金属制作工艺制成，具体制作工艺方法包括以下步骤：

(1)氧化：用硅片18作为基底，对其进行清洗、单面氧化，在其表面生成一层氧化层19；

(2)涂胶：在氧化层19上旋涂一层SU-8胶层20，控制甩胶机的转速和时间，使胶厚达到一定厚度；

(3)曝光：将掩模板21放置在SU-8胶层20上并对准，采用紫外线曝光工艺，实现掩模板21上微夹钳图形向SU-8胶层20的转移；

(4)显影：使用SU-8胶显影液对SU-8胶层20进行显影，得到微夹钳SU-8胶结构层1；

(5)腐蚀：使用HF酸缓冲液来腐蚀氧化层19，将微夹钳SU-8胶结构层1与硅片18分离；

(6)正面溅射金属：将微夹钳SU-8胶结构层1放置于平板22上，将模具23放置在微夹钳SU-8胶结构层1上并对准，然后溅射一定厚度的上电极金属层2；

(7)反面溅射金属：将微夹钳SU-8胶结构层1翻过来放置于平板22上，将模具23放置在微夹钳SU-8胶结构层1上并对准，然后溅射厚度与上电极金属层2一致的下电极金属层2’；将微夹钳与平板22及模具23分离，得到SU-8胶的微夹钳。

一种柔性电热驱动微夹钳，其特征是，Λ形梁阵列3中梁的数目为1-10个；正反面溅射的金属为铜、钛、铂、金、银、铝或铬。

本发明的效果和益处是该柔性电热微夹钳采用SU-8胶为材料，生物兼容性好，夹持温度低，非常适合作为用于操作生物体。采用Λ形梁阵列作为驱动器，夹持端温度较低。采用三层对称结构，夹持过程中不会发生法向弯曲。微夹钳中的柔性机构结构新颖，运动放大倍数大，能够夹持的物体尺寸范围大。并且，本发明为整体结构，无需装配，制作简单，有助于实现生物微操作技术的实用化。

附图说明

图1是柔性电热驱动微夹钳三维结构图。其中：1-SU-8胶结构层；2、2’-上、下电极金属层。

图2是柔性电热驱动微夹钳的单面结构示意图。其中：3-Λ形梁阵列；4-驱动位移杆；5-固定杆；6、6’-左、右电极；7、7’-左、右第1柔性铰链；8、8’-左、右第1摇杆；9、9’-左、右第2柔性铰链；10、10’-左、右第3柔性铰链；11、11’-左、右第2摇杆；12、12’-左、右第4柔性铰链；13、13’-左、右第3摇杆；14、14’-左、右第6柔性铰链；15、15’-左、右第5柔性铰链；16、16’-左、右钳臂摇杆；17、17’-左、右夹持端。

图3是氧化工艺示意图，图4是涂胶工艺示意图，图5是曝光工艺示意图，图6是显影工艺示意图，图7是腐蚀工艺示意图，图8是溅射金属I工艺示意图，图9是溅射金属II工艺示意图，图10是微夹钳与平板及模具分离工艺示意图。图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10是柔性电热驱动微夹钳工艺示意图。上述图中：1-SU-8胶结构层；2、2’-上、下电极金属层，18-硅片，19-氧化层，20-SU-8胶，21-掩膜板，22-平板，23-模具。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明的工作原理：如附图1所示，微夹钳采用一种类似三明治的上电极金属层2——SU-8胶结构层1——下电极金属层2’的三层对称结构。如附图2所示，在左、右电极6、6’上施加合适的电压后，上、下电极金属层2、2’中有电流通过，产生焦耳热，并传递到由4个Λ形梁组成的Λ形梁阵列3，使Λ型梁膨胀伸长，推动驱动位移杆4，使其产生向上的力和运动。此力和运动通过左、右第1柔性铰链7、7’推动左、右第1摇杆8、8’向上运动。左、右第1摇杆8、8’通过左、右第2柔性铰链9、9’使左第2摇杆11产生逆时针转动，右第2摇杆11’产生顺时针转动。左、右第1摇杆8、8’通过左、右第4柔性铰链12、12’推动左、右第3摇杆13、13’向上运动，同时左第3摇杆13产生逆时针转动，右第3摇杆13’产生顺时针转动。左第2摇杆11、左第3摇杆13分别通过左第5柔性铰链15、左第6柔性铰链14推动左钳臂摇杆16逆时针转动同时向左运动。右第2摇杆11’、右第3摇杆13’分别通过右第5柔性铰链15’、右第6柔性铰链14’推动右钳臂摇杆16’顺时针转动同时向右运动。左、右夹持端17、17’在左、右钳臂摇杆16、16’的驱动下，产生夹持张开运动。通过改变施加在左、右电极6、6’上的电压的大小，可以对左、右夹持端17、17’的间距大小进行控制。

本发明的制作方法：如附图3所示，取一片硅片18作为基底，对其进行清洗及热氧化，使光洁的硅表面生成一层致密的氧化层19。如附图4所示，将氧化后的硅片放在90℃预热板上预热40分钟后，旋涂适量SU-8胶20，控制甩胶机的转速和时间，使胶厚达到40微米左右。然后进行前烘，使光刻胶在一定程度上固化。如附图5所示，以掩膜板21为掩膜采用紫外线曝光工艺，将掩膜板21上的微夹钳图形转移到SU-8胶20上。如附图6所示，对曝光后的硅片进行后烘，然后使用SU-8胶显影液显影，得到微夹钳SU-8胶结构层1。如附图7所示，将硅片放入氢氟酸缓冲液中，利用氢氟酸腐蚀氧化层19，将微夹钳SU-8胶结构层1与硅片18分离。如附图8所示，将微夹钳SU-8胶结构层1放置于平板22上，将模具23放置在微夹钳SU-8胶结构层1上并对准，然后溅射400纳米厚的铜，形成上电极金属层2。如附图9所示，将微夹钳SU-8胶结构层1翻过来放置于平板22上，将模具23放置在微夹钳SU-8胶结构层1上并对准，然后溅射与上电极金属层2一样的下电极金属层2’。如附图10所示，将微夹钳与平板22及模具23分离，得到SU-8胶的微夹钳，由于微夹钳电极对称分布于微夹钳SU-8胶结构层1上下表面上，这样的微夹钳结构在施加电压之后钳体没有法向弯曲。

此发明以SU-8胶为微夹钳材料，利用了SU-8胶具有高的热膨胀系数和高生物兼容性的优点，同时结构上采用三层对称结构及一种结构新颖的柔性放大机构，使得电热驱动微夹钳钳口位移量大，同时微夹钳温度低，生物兼容性好，非常适合作为用于操作生物体。并且本发明制作工艺简单，为整体结构，无需装配，有助于实现生物微操作技术的实用化。

Claims

1.一种柔性电热驱动微夹钳，其特征是，微夹钳是具有驱动部分和钳体柔性机构两部分的一个整体结构，由SU-8胶结构层(1)和位于驱动部分上、下表面的上、下电极金属层(2、2’)组成，并且左右结构完全对称；驱动部分中，驱动位移杆(4)和Λ形梁阵列(3)连接，并固定在固定杆(5)上，左、右电极(6、6’)固接在固定杆(5)上；钳体柔性机构部分为10杆柔性机构，其中：左、右钳臂摇杆(16、16’)的上端为左、右夹持端(17、17’)，中下部通过左、右第5柔性铰链(15、15’)与左、右第2摇杆(11、11’)的上部铰接；左、右钳臂摇杆(16、16’)的下部通过左、右第6柔性铰链(14、14’)与左、右第3摇杆(13、13’)的上部铰接；左、右第2摇杆(11、11’)的中下部通过左、右第3柔性铰链(10、10’)与固定杆(5)的上部铰接；左、右第2摇杆(11、11’)的下部通过左、右第2柔性铰链(9、9’)与左、右第1摇杆(8、8’)的中部铰接；左、右第3摇杆(13、13’)的下部通过左、右第4柔性铰链(12、12’)与左、右第1摇杆(8、8’)的上部铰接；左、右第1摇杆(8、8’)的下部通过左、右第1柔性铰链(7、7’)与驱动位移杆(4)的上部铰接。

2.如权利要求1中所述的一种柔性电热驱动微夹钳，其特征是，Λ形梁阵列(3)中梁的数目为1-10个；正反面溅射的金属为铜、钛、铂、金、银、铝或铬。

3.一种制作权利要求1或2所述柔性电热驱动微夹钳的工艺方法，其特征是，用硅片作为基底，通过氧化、涂胶、曝光、显影、腐蚀、溅射金属制作工艺制成，具体制作工艺方法包括以下步骤：

(1)氧化：用硅片(18)作为基底，对其进行清洗、单面氧化，在其表面生成一层氧化层(19)；

(2)涂胶：在氧化层(19)上旋涂一层SU-8胶层(20)，控制甩胶机的转速和时间，使胶厚达到一定厚度；

(3)曝光：将掩模板(21)放置在SU-8胶层(20)上并对准，采用紫外线曝光工艺，实现掩模板(21)上微夹钳图形向SU-8胶层(20)的转移；

(4)显影：使用SU-8胶显影液对SU-8胶层(20)进行显影，得到微夹钳SU-8胶结构层(1)；

(5)腐蚀：使用HF酸缓冲液来腐蚀氧化层(19)，将微夹钳SU-8胶结构层(1)与硅片(18)分离；

(6)正面溅射金属：将微夹钳SU-8胶结构层(1)放置于平板(22)上，将模具(23)放置在微夹钳SU-8胶结构层(1)上并对准，然后溅射一定厚度的上电极金属层(2)；

(7)反面溅射金属：将微夹钳SU-8胶结构层(1)翻过来放置于平板(22)上，将模具(23)放置在微夹钳SU-8胶结构层(1)上并对准，然后溅射厚度与上电极金属层(2)一致的下电极金属层(2’)；将微夹钳与平板(22)及模具(23)分离，得到SU-8胶的微夹钳。