CN1410346A - 一种静电致动微夹持器 - Google Patents
一种静电致动微夹持器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1410346A CN1410346A CN 02153484 CN02153484A CN1410346A CN 1410346 A CN1410346 A CN 1410346A CN 02153484 CN02153484 CN 02153484 CN 02153484 A CN02153484 A CN 02153484A CN 1410346 A CN1410346 A CN 1410346A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- broach
- micro
- clamping device
- little
- drive electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 9
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 7
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 3
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 244000062793 Sorghum vulgare Species 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002929 anti-fatigue Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 235000019713 millet Nutrition 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- XOFYZVNMUHMLCC-ZPOLXVRWSA-N prednisone Chemical compound O=C1C=C[C@]2(C)[C@H]3C(=O)C[C@](C)([C@@](CC4)(O)C(=O)CO)[C@@H]4[C@@H]3CCC2=C1 XOFYZVNMUHMLCC-ZPOLXVRWSA-N 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Abstract
一种静电致动微夹持器，属于微机电系统(MEMS－Micro－electro mechanical Systems)领域。本微夹持器是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，驱动电极、定梳齿、限位块以键合方式固定在底板上，柔性结构为连续的S形结构，一端与驱动电极相连，一端与动梳齿相连，动梳齿的另一端与微夹持臂相连。在驱动电极、柔性结构、动梳齿、定梳齿、限位块和微夹持器的上表面都溅射有金属层，金属层应为易于与铝、金等金属导线压焊的材料如金。本发明静电致动微夹持器响应速度快，夹持力大，控制容易、制造方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种静电致动微夹持器，用于微操作系统、微小机器人以及生物基因工程的微装配、微焊接以及细胞等微小物体的搬迁操作，属于微机电系统(MEMS：Microelectro-mechanical Systems)领域。
背景技术
微机电系统(MEMS)是指可批量制作、集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路以及接口、通信和电源等于一体的微系统。MEMS不仅可以降低系统成本，而且还可以完成许多传统的大尺寸机电系统所无法完成的任务，如微观对象灵活操作。微夹持器是MEMS的关键组成部分，是沟通宏观与微观世界的基本工具。在精密仪器、生物医学、航空航天及军事领域都有着广泛的应用前景。微夹持器按照驱动方式划分可分为压电驱动、热驱动、电驱动等类型。
美国专利4,666,198号所设计的压电薄膜驱动微夹持器，为20mm，宽5mm，微夹持臂厚28μm，在外加电压为50V，微夹臂的尖端位移为0.35mm，夹持力可达19mN。此类微夹持器采用两片相同的沿厚度方向极化过的压电陶瓷片粘结在一起形成的夹持臂，或者将其中的一片陶瓷由金属代替。利用两层材料的收缩率不同，形成可以弯曲的层合梁功能元件作为微夹持臂。压电薄膜驱动微夹持器的优点是可以获得较大的微夹持臂偏转，夹持力大，控制方便，可以与IC工艺兼容。缺点是驱动电压较高以及薄膜开裂问题较为严重。
美国专利5,172,950号所设计的内置电热元件微夹持器，采用了双金属层合梁作微夹持臂，电阻型加热元件制作在微夹持臂中的型式。具有体积小、变形大、集成度高、力输出大、加工工艺与微细加工工艺兼容性较好的特点，但是响应速度慢，实用中需要闭环控制，因为易受环境因素的影响，控制困难。
美国专利5,722,989和4,944,717号所设计的电热驱动记忆合金/硅双层薄膜结构作为驱动元件，此类微夹持器采用硅微细加工工艺制备，具有结构简单，位移大、耗电小、响应速度相对较快的特点。但是仍然存在响应速度慢，控制困难的问题。
美国专利5,727,915号所设计的外置电磁源微夹持器，其夹持臂仅制作出电磁线圈，结构相对简单，制作工艺易于与IC工艺兼容。电磁力的大小取决于磁场强度的分布，微夹持器与电磁发生器的相对位置，以及微夹持臂中的电流强度，微夹持器的开合由微夹持器臂线圈中的电流方向决定。该夹持器具有结构简单、动作响应快、便于控制的特点但是存在直流功耗。由于需要外置电磁源，其应用范围受到很大限制。
由以上所述专利可知有的微夹持器存在响应速度慢，有的存在控制困难等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种响应速度快，控制方便，结构简单，夹持力大，夹持范围大，能耗低的微夹持器。
本发明静电致动微夹持器是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，驱动电极、定梳齿、限位块以键合方式固定在底板上，柔性结构为连续的S形结构，一端与驱动电极相连，一端与动梳齿相连，动梳齿的另一端与微夹持臂相连。在驱动电极、柔性结构、动梳齿、定梳齿、限位块和微夹持器的上表面都溅射有金属层，金属层应为易于与铝、金等金属导线压焊的材料如金。本发明静电致动微夹持器响应速度快，夹持力大，控制容易、制造方便。
本发明的工作原理是微夹持器的梳状驱动器的动、定梳齿分别施加不同的驱动电压，动梳齿在静电力驱动下带动微夹持臂摆动实现微夹持器的开合动作。
梳状静电驱动的单一梳齿模型如图3所示，梳齿间距为d，梳齿宽度为b，梳齿的厚度为t，动定梳齿的交叠长度为l，梳齿顶端与对应梳齿根部的间距为a。当动定梳齿间施加电压U时，两梳间x方向的静电力Fx可以表示为： 式中：ε为介电常数。
单晶硅具有优良的机械性能，弹性模量达1.69×1011Pa。由于加工能力的限制，不能加工出尺寸很小的利于变形的微梁，如果直接采用直悬臂梁连接梳状驱动器与固定端，会在悬臂梁的固定端根部产生很大的应力，消耗了有限的夹持力，同时靠近固定端的梳齿产生的静电力对夹持臂驱动小，为了增大夹持力输出在设计中采用了图1中所示的S形柔性结构连接固定端与梳状驱动部分，以减小结构刚度，增大夹持力的输出。根据图1的布置方式则可提取夹持臂数学模型如图5所示，将梳状驱动部分简化成均布载荷p为：
设相邻的量节点为i、j(j＝i+1)，Lij、Iij、E表示i、j点之间梁的长度、惯性距和弹性模量。Xij、Yij表示j点在载荷作用下相对i点的x、y方向的位移，θij表示j点在载荷作用下相对i点的转角(如图5所示)。悬臂粱的最大尺寸为L，柔性单元的x方向长度为l，n个柔性结构串连，则驱动部分的长度Ld＝L-n×l。悬臂梁末端的变形量X、Y、θ，则：式中：
S形柔性结构的尺寸设计时，在保证加工质量的同时尽可能减小截面尺寸，以减小内应力。在夹持臂整体长度L一定的条件下，采用S结构的数量越多，夹持臂的刚度越小，有利于提高微夹持器的疲劳寿命，而驱动部分要相应减小。为了产生所需的夹持力和回复力，应选用合适的柔性单元的数量。
微夹持器的夹持力输出取决于静电驱动力Fd和微夹持臂变形阻力Fs。当微夹持臂在一定的某一驱动电压的作用下，产生夹持动作，微夹持臂随着变形量的增加其变形阻力也随之增加，微夹持臂达到最大位移(取决于限位结构或被夹持物尺寸)时，应变量一定，其因弯曲变形产生的阻力Fs一也定。因此微夹持器输出的夹持力Fg可以表示为：
Fg＝Fd-Fs (4)其中Fd由式(1)得出与输入电压U的平方成正比。
附图说明
图1为本发明设计的静电致动微夹持器结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为单梳齿梳状静电驱动器模型；
图4为图3的俯视图；
图5为柔性微夹持臂数学模型；
图6为S形柔性结构数量与位移的关系；
图7为微夹持臂工作状态的电场强度分布；
具体实施方式
如图2所示，本发明整体呈平面结构，由驱动电极11、12、13、14、15，柔性结构21、22，动梳齿32、34，定梳齿31、33、35，限位块41、42、43，微夹持臂51、52，底板6，金属键合层7等部分组成。驱动电极12和14分别与柔性结构21和22连接，并作为其固定端，柔性结构为连续的S形结构；驱动电极11、13和15与定梳齿31、33、35连接；柔性结构21和22分别与动梳齿32和34连接；动梳齿32和34分别为微夹持臂51和52的一部分；限位块41、42和43为孤立结构，分布在微夹持臂51和52的两侧；驱动电极(11、12、13、14、15)、定梳齿(31、33、35)、限位结构(41、42、43)通过键合方式与底板6连接，组成微夹持器的整体结构；金属键合层7附着在各个结构的上表面。
微夹持器的结构厚度为60μm；柔性结构宽度6μm，水平段长度12μm，垂直段长度120μm；梳齿长60μm，宽度6μm，深宽比达10∶1；梳齿间隙4μm，深宽比达15∶1，最大结构尺寸为2456μm；夹持臂开合范围为12～140μm。其它参数不变，采用不同数量S形柔性结构的微夹持器，依据式(1)～(3)可得出相同驱动条件下夹持力的输出，见表1。
表1 S形结构数量与夹持力输出(80V)
S结构 最大驱动力 最大开合量时 最大开合量时
数量 /μN 夹持臂所需动力/μN夹持力输出/μN
0 19.3 22.4 -
4 19.1 6.7 12.1
8 18.7 4.0 14.7
18 16.7 2.9 13.8
可见，引入S形结构对增大夹持力输出起到了关键的作用，采用直梁连接理论上梳状驱动器将不能驱动夹持臂到最大位移处，而仅用4个S形柔性结构就使微夹持力迅速增大至12.1μN。
驱动部分在微夹持器的整体尺寸中所占的比例越大，越有利于驱动，但是靠近微夹持臂根部的梳状对驱动贡献小。对整体长度一定的柔性结构和梳状驱动器，由式(1)～(3)可以得出图6所示不同数量S形结构的夹持臂位移特性曲线，可见柔性结构的数量有最佳值可供选择，对于本实施例为25个。但是随着柔性形结构的增多，驱动力响应减小，增加夹持力输出的效果不明显(参见表1)，而工艺难度迅速增加，本实施例中用了4个S形柔性结构。采用了柔性结构的微夹持器工作时的结构应力大大降低，大约是同样尺寸直梁的结构的1/4，增大夹持力输出能力的同时还改善了微夹持器的抗疲劳能力。
本实施例工作时微夹持臂应接地。为估计静电致动带来静电吸附问题，采用有限元方法进行微夹持器工作状态的电场分布仿真计算：首先按照设计的微夹持的几何尺寸建立微夹持器的形状函数，然后按照微夹持器的工作方式设定边界条件，考察梳状驱动器工作电压为100V(本夹持器在80V电压下无击穿现象)时对微夹持操作的影响，最后采用合适的算法、精度求解和结果处理。求得的计算结果如图7所示，微操作部位的场强近似为零，静电驱动不会对微操作造成负面影响。
本实施例采用体硅工艺制作，实现了大深宽比的梳状驱动结构，有效的增大了微夹持力。体硅工艺主要由光刻、键合、电感耦合等离子体蚀刻(ICP)等关键工艺组成，工艺步骤如下：
1)备片，硅片检查和清洗；
2)光刻硅片背面键合图形；
3)氢氧化钾腐蚀，键合台阶高度4μm；
4)硅片玻璃片键合；
5)硅片正面氢氧化钾腐蚀减薄至64μm；
6)划片；
7)结构图形光刻；
8)硅结构ICP蚀刻；
9)结构正面溅射金属Ti/Pt/Au，厚度300/300/2000。
Claims (1)
1、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，驱动电极、定梳齿、限位块以键合方式固定在底板上，柔性结构为连续的S形结构，一端与驱动电极相连，一端与动梳齿相连，动梳齿的另一端与微夹持臂相连，在驱动电极、柔性结构、动梳齿、定梳齿、限位块和微夹持器的上表面都溅射有金属层，金属层为易于与铝、金等金属导线压焊的材料如金。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB021534845A CN1188340C (zh) | 2002-11-29 | 2002-11-29 | 一种静电致动微夹持器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB021534845A CN1188340C (zh) | 2002-11-29 | 2002-11-29 | 一种静电致动微夹持器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1410346A true CN1410346A (zh) | 2003-04-16 |
| CN1188340C CN1188340C (zh) | 2005-02-09 |
Family
ID=4752278
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB021534845A Expired - Fee Related CN1188340C (zh) | 2002-11-29 | 2002-11-29 | 一种静电致动微夹持器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1188340C (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100349704C (zh) * | 2005-10-20 | 2007-11-21 | 中国科学技术大学 | 静电力驱动的三臂微型夹持装置 |
| CN100443266C (zh) * | 2006-09-28 | 2008-12-17 | 上海交通大学 | 内嵌镍丝双菱型结构加热式驱动su-8基体微钳 |
| CN102179803A (zh) * | 2011-03-31 | 2011-09-14 | 西北工业大学 | 基于弧形梳齿的大位移静电驱动微夹持器 |
| CN102198656A (zh) * | 2011-04-21 | 2011-09-28 | 西北工业大学 | 一种可限位锁止的静电驱动微夹持器 |
| CN103056887A (zh) * | 2013-01-17 | 2013-04-24 | 苏州大学 | 一种多指型微夹持器 |
| CN105058366A (zh) * | 2015-08-20 | 2015-11-18 | 宁波大学 | 一种四自由度压电微夹钳 |
| CN109095433A (zh) * | 2018-08-28 | 2018-12-28 | 苏州大学 | 电热微夹持器 |
| CN112428168A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-02 | 佛山科学技术学院 | 光电-静电斥力复合驱动的微夹钳 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101327592B (zh) * | 2008-07-23 | 2010-06-16 | 哈尔滨工业大学 | 集成压阻微力检测的四臂式mems微夹持器 |
| CN101407060B (zh) * | 2008-11-14 | 2010-11-17 | 南开大学 | 基于mems工艺的微夹钳及控制系统 |
| CN102185518B (zh) * | 2011-04-21 | 2013-12-25 | 西北工业大学 | 一种带限位锁止功能的静电微驱动器 |
-
2002
- 2002-11-29 CN CNB021534845A patent/CN1188340C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100349704C (zh) * | 2005-10-20 | 2007-11-21 | 中国科学技术大学 | 静电力驱动的三臂微型夹持装置 |
| CN100443266C (zh) * | 2006-09-28 | 2008-12-17 | 上海交通大学 | 内嵌镍丝双菱型结构加热式驱动su-8基体微钳 |
| CN102179803A (zh) * | 2011-03-31 | 2011-09-14 | 西北工业大学 | 基于弧形梳齿的大位移静电驱动微夹持器 |
| CN102198656A (zh) * | 2011-04-21 | 2011-09-28 | 西北工业大学 | 一种可限位锁止的静电驱动微夹持器 |
| CN102198656B (zh) * | 2011-04-21 | 2013-04-24 | 西北工业大学 | 一种可限位锁止的静电驱动微夹持器 |
| CN103056887A (zh) * | 2013-01-17 | 2013-04-24 | 苏州大学 | 一种多指型微夹持器 |
| CN103056887B (zh) * | 2013-01-17 | 2015-05-13 | 苏州大学 | 一种多指型微夹持器 |
| CN105058366A (zh) * | 2015-08-20 | 2015-11-18 | 宁波大学 | 一种四自由度压电微夹钳 |
| CN109095433A (zh) * | 2018-08-28 | 2018-12-28 | 苏州大学 | 电热微夹持器 |
| CN112428168A (zh) * | 2020-11-27 | 2021-03-02 | 佛山科学技术学院 | 光电-静电斥力复合驱动的微夹钳 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1188340C (zh) | 2005-02-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1188340C (zh) | 一种静电致动微夹持器 | |
| JP3016870B2 (ja) | エラストメリック・マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システムズ | |
| EP1221180B1 (en) | Electroactive polymers | |
| US6781284B1 (en) | Electroactive polymer transducers and actuators | |
| Fu et al. | Design, fabrication and testing of piezoelectric polymer PVDF microactuators | |
| CN110412362B (zh) | 压电驱动互屏蔽电极微型电场传感器 | |
| Li et al. | Microactuators: Design and technology | |
| US20100072858A1 (en) | Vibrator for ultrasonic motor | |
| Vitushinsky et al. | Bistable thin-film shape memory actuators for applications in tactile displays | |
| Fu | Design of a Hybrid Magnetic and Piezoelectric Polymer Microactuator | |
| Pérez et al. | Fabrication, modeling and integration of a silicon technology force sensor in a piezoelectric micro-manipulator | |
| Huang et al. | A piezoelectric bimorph micro-gripper with micro-force sensing | |
| Hoxhold et al. | Batch fabrication of micro grippers with integrated actuators | |
| Cui et al. | Modeling and numerical analysis of a circular piezoelectric actuator for valveless micropumps | |
| Fu et al. | Design and fabrication of a hybrid actuator | |
| CN100398430C (zh) | 一种柔性电热驱动微夹钳 | |
| Fantoni et al. | Design of a novel electrostatic gripper | |
| WO2002019509A2 (en) | Comb drive assembly having comb drive fingers with varying cross-sections and methods of making same | |
| Wang et al. | Genetic algorithm for the design of freeform geometries in a large-range rotary microgripper | |
| Xiang et al. | Electrostatic analysis of functionally graded piezoelectric cantilevers | |
| CN110661505A (zh) | 一种具有大长宽比结构的低挤压膜阻尼微机械谐振器 | |
| Cheng et al. | Analysis and experiment for the deflection of a shear-mode PZT actuator | |
| Mousavi et al. | A novel su-8 microgripper with external actuator for biological cells manipulation | |
| Jiang et al. | Optimal Design of a Light Operated Micromanipulation Based On Opto-Electrostatic Repulsive Actuator | |
| Heidari et al. | An overview of Micro Grippers used in Micro-Nano-Mechanical Systems and comparing the Results in Medical Applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |