電熱驅(qū)動(dòng)US-8微夾鉗的相關(guān)問(wèn)題研究.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展及對(duì)物質(zhì)在微/納尺度特性研究的深入，研究和開(kāi)發(fā)適用于復(fù)雜MEMS器件微裝配及對(duì)各種具有微/納尺度研究對(duì)象進(jìn)行微操作的微夾持系統(tǒng)，能夠很好地促進(jìn)這些領(lǐng)域的發(fā)展。作為末端執(zhí)行部分的微夾持器是微夾持系統(tǒng)與被夾持對(duì)象之間的接口，其夾持效果直接決定微夾持系統(tǒng)的性能，因此微夾持器已成為目前的研究熱點(diǎn)。對(duì)目前微夾持裝置的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析可知，電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制容易及輸出力較大等優(yōu)點(diǎn)。而SU-8膠材料具有高熱膨脹

2、系數(shù)、低熱導(dǎo)系數(shù)、良好的生物兼容性和較好的工藝性等特點(diǎn)，特別適合制作電熱微夾鉗。基于以上原因，本文以電熱驅(qū)動(dòng)SU-8微夾鉗為研究對(duì)象，對(duì)其設(shè)計(jì)、制作及測(cè)試等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。
　　在設(shè)計(jì)方面，針對(duì)目前設(shè)計(jì)方法的不足，提出了一種電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗柔性機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。首先歸納及推導(dǎo)了明確的用于微夾鉗柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選擇準(zhǔn)則。利用選擇準(zhǔn)則對(duì)用于微夾鉗拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的六桿、八桿及十桿對(duì)稱(chēng)單自由度剛性機(jī)構(gòu)進(jìn)行了綜合，得到了66種備

3、選機(jī)構(gòu)。為避免在幾何優(yōu)化過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)，提高優(yōu)化效率，基于剛度矩陣方法建立微夾鉗參數(shù)化剛度模型，利用所建模型對(duì)微夾鉗幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化。采用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出一種鉗口常閉型（A型）及一種鉗口常開(kāi)型（B型）電熱驅(qū)動(dòng)SU-8微夾鉗，由ANSYS軟件仿真結(jié)果可知，優(yōu)化結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，性能優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，A型及B型微夾鉗的放大倍數(shù)分別為30.4和14.8?；谕?fù)鋬?yōu)化方法及偽剛體模型方法對(duì)具有納米級(jí)鉗口結(jié)構(gòu)電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

4、
　　提出了一種具有三層對(duì)稱(chēng)三明治結(jié)構(gòu)的新型SU-8膠V形電熱驅(qū)動(dòng)器，考慮了聚合物材料電、熱耦合及多材料結(jié)構(gòu)熱膨脹分布不均問(wèn)題，能夠有效避免驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的平面外運(yùn)動(dòng)，并具有驅(qū)動(dòng)電壓低、工作溫度低及結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。采用整體釋放及雙面濺射工藝對(duì)設(shè)計(jì)的電熱驅(qū)動(dòng)SU-8微夾進(jìn)行了成功制作，并對(duì)影響加工質(zhì)量關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。針對(duì)所設(shè)計(jì)具有納米級(jí)鉗口結(jié)構(gòu)電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一套采用納米壓印工藝與微加工工藝相結(jié)合的制作工藝，并對(duì)

5、該工藝進(jìn)行了初步探索。
　　搭建了一套微夾鉗微操作及性能測(cè)試系統(tǒng)，在25℃的潔凈實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對(duì)制作出的A型及B型微夾鉗進(jìn)行了鉗口位移輸出特性及驅(qū)動(dòng)器溫度特性測(cè)試。由測(cè)試結(jié)果可知:A型微夾鉗需73.6 mV的驅(qū)動(dòng)電壓（此時(shí)輸入功率25.61 mW，驅(qū)動(dòng)器平均溫升45℃)，可輸出107.5μm的鉗口距離變化量，其鉗口響應(yīng)時(shí)間均約為0.3s。對(duì)于B型微夾鉗，施加195 mV的驅(qū)動(dòng)電壓（此時(shí)輸入功率為111.1 mW，驅(qū)動(dòng)器平均溫升為5

6、3.7℃）可使鉗口閉合，鉗口距離變化量為-71.5μm，其鉗口響應(yīng)時(shí)間均約為0.23 s。在測(cè)試過(guò)程中，兩型微夾鉗鉗口的平面外位移小于500 nm，證明了電熱驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)的合理性。A型微夾鉗的驅(qū)動(dòng)效率為4.18μm/mW，在已報(bào)道的同類(lèi)微夾鉗中最大。同時(shí)，A型及B型微夾鉗所需驅(qū)動(dòng)電壓在同類(lèi)微夾鉗中最低。
　　提出了一種基于SU-8膠壓阻式微懸臂梁微力傳感器的微夾鉗夾持力直接測(cè)量方法，并研制了相應(yīng)的測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微夾鉗夾持力的直接

7、測(cè)量?；谠摐y(cè)量裝置，對(duì)制作出的兩種微夾鉗進(jìn)行了夾持力測(cè)量及鉗口剛度標(biāo)定。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:A型及B型微夾鉗的鉗口剛度分別約為2.83 N/m及7.22 N/m，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該方法所用傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，精度與尺寸滿(mǎn)足微夾鉗夾持力測(cè)量需要。
　　為驗(yàn)證微夾鉗的夾持效果，在25℃的潔凈實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，采用A型及B型微夾鉗成功地進(jìn)行了毛發(fā)和長(zhǎng)耳鸮覆羽羽小枝微拉伸測(cè)試試樣的微裝配實(shí)驗(yàn)，又成功地對(duì)PS小球、微血管標(biāo)本和藍(lán)藻細(xì)胞進(jìn)行了微操