电热驱动US-8微夹钳的相关问题研究

摘要

随着MEMS技术的不断发展及对物质在微/纳尺度特性研究的深入，研究和开发适用于复杂MEMS器件微装配及对各种具有微/纳尺度研究对象进行微操作的微夹持系统，能够很好地促进这些领域的发展。作为末端执行部分的微夹持器是微夹持系统与被夹持对象之间的接口，其夹持效果直接决定微夹持系统的性能，因此微夹持器已成为目前的研究热点。对目前微夹持装置的研究现状进行分析可知，电热驱动微夹钳具有结构紧凑、控制容易及输出力较大等优点。而SU-8胶材料具有高热膨胀系数、低热导系数、良好的生物兼容性和较好的工艺性等特点，特别适合制作电热微夹钳。基于以上原因，本文以电热驱动SU-8微夹钳为研究对象，对其设计、制作及测试等相关问题进行了深入研究。
　　在设计方面，针对目前设计方法的不足，提出了一种电热驱动微夹钳柔性机构的系统设计方法。首先归纳及推导了明确的用于微夹钳柔性机构拓扑结构设计的选择准则。利用选择准则对用于微夹钳拓扑结构设计的六杆、八杆及十杆对称单自由度刚性机构进行了综合，得到了66种备选机构。为避免在几何优化过程中对设计者经验的依赖，提高优化效率，基于刚度矩阵方法建立微夹钳参数化刚度模型，利用所建模型对微夹钳几何尺寸进行优化。采用该系统设计方法，设计出一种钳口常闭型（A型）及一种钳口常开型（B型）电热驱动SU-8微夹钳，由ANSYS软件仿真结果可知，优化结果满足设计要求，性能优于经验设计，A型及B型微夹钳的放大倍数分别为30.4和14.8。基于拓扑优化方法及伪刚体模型方法对具有纳米级钳口结构电热驱动微夹钳进行了设计。
　　提出了一种具有三层对称三明治结构的新型SU-8胶V形电热驱动器，考虑了聚合物材料电、热耦合及多材料结构热膨胀分布不均问题，能够有效避免驱动过程中的平面外运动，并具有驱动电压低、工作温度低及结构紧凑等特点。采用整体释放及双面溅射工艺对设计的电热驱动SU-8微夹进行了成功制作，并对影响加工质量关键工艺参数进行了优化。针对所设计具有纳米级钳口结构电热驱动微夹钳的结构特点，提出了一套采用纳米压印工艺与微加工工艺相结合的制作工艺，并对该工艺进行了初步探索。
　　搭建了一套微夹钳微操作及性能测试系统，在25℃的洁净实验室环境下，对制作出的A型及B型微夹钳进行了钳口位移输出特性及驱动器温度特性测试。由测试结果可知:A型微夹钳需73.6 mV的驱动电压（此时输入功率25.61 mW，驱动器平均温升45℃)，可输出107.5μm的钳口距离变化量，其钳口响应时间均约为0.3s。对于B型微夹钳，施加195 mV的驱动电压（此时输入功率为111.1 mW，驱动器平均温升为53.7℃）可使钳口闭合，钳口距离变化量为-71.5μm，其钳口响应时间均约为0.23 s。在测试过程中，两型微夹钳钳口的平面外位移小于500 nm，证明了电热驱动器结构的合理性。A型微夹钳的驱动效率为4.18μm/mW，在已报道的同类微夹钳中最大。同时，A型及B型微夹钳所需驱动电压在同类微夹钳中最低。
　　提出了一种基于SU-8胶压阻式微悬臂梁微力传感器的微夹钳夹持力直接测量方法，并研制了相应的测量装置，实现了对微夹钳夹持力的直接测量。基于该测量装置，对制作出的两种微夹钳进行了夹持力测量及钳口刚度标定。由实验结果可知:A型及B型微夹钳的钳口刚度分别约为2.83 N/m及7.22 N/m，满足设计要求。该方法所用传感器结构简单，成本低，精度与尺寸满足微夹钳夹持力测量需要。
　　为验证微夹钳的夹持效果，在25℃的洁净实验室环境下，采用A型及B型微夹钳成功地进行了毛发和长耳鸮覆羽羽小枝微拉伸测试试样的微装配实验，又成功地对PS小球、微血管标本和蓝藻细胞进行了微操作实验。实验结果说明这两种微夹钳可以很好地完成多种形状及尺寸的微小生物试样及微小物体的微操作及微装配。

目录

声明

论文说明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 微夹持器国内外研究现状

1．2．1 非接触式微夹持器研究现状

1．2．2 吸附式微夹持器研究现状

1．2．3 机械夹持式微夹钳研究现状

1．2．4 电热驱动微夹钳研究现状

1．2．5 电热驱动微夹钳设计领域研究现状

1．2．6 具有纳米级钳口结构的微夹钳研究现状

1．3 本文主要研究内容与思路

1．3．1 研究内容的提出

1．3．2 本文的研究工作

2 微夹钳的拓扑结构设计

2．1 引言

2．2 设计方法的提出

2．3 微夹钳刚性机构的选择

2．3．1 微夹钳刚性机构选择准则

2．3．2 微夹钳刚性机构综合

2．3．3 微夹钳刚性机构的优选

2．4 本章小结

3 微夹钳的几何尺寸设计

3．1 引言

3．2 微夹钳柔性机构的转化

3．3 基于刚度矩阵方法的微夹钳参数化建模

3．4 新型SU-8胶V形电热驱动器

3．4．1 驱动器的结构

3．4．2 驱动器的几何参数设计

3．5 微夹钳柔性机构几何尺寸优化设计

3．5．1 A型微夹钳柔性机构的几何尺寸优化设计

3．5．2 B型微夹钳柔性机构的几何尺寸优化设计

3．6 钳口结构设计

3．7 微夹钳性能仿真分析

3．7．1 A型微夹钳的仿真分析

3．7．2 B型微夹钳的仿真分析

3．7．3 微夹钳的应用分析

3．8 具有纳米级钳口结构的SU-8胶电热驱动微夹钳的设计

3．8．1 纳米级钳口结构设计

3．8．2 钳体结构设计

3．9 本章小结

4 微夹钳的制作及性能测试

4．1 引言

4．2 SU-8胶材料聚合物电热驱动微夹钳的制作工艺研究

4．2．1 SU-8胶简介

4．2．2 微夹钳制作工艺流程

4．2．3 微夹钳制作工艺优化

4．2．4 具有纳米级钳口结构的SU-8胶电热驱动微夹钳的制作工艺

4．3 微夹钳钳口位移输出特性及驱动器温度特性测试

4．3．1 微操作及性能测试系统

4．3．2 钳口位移输出特性测试方法

4．3．3 电热驱动器温度变化量测试方法

4．3．4 A型微夹钳钳口位移输出特性及电热驱动器温度变化量测试

4．3．5 B型微夹钳钳口位移输出特性及电热驱动器温度变化量测试

4．3．6 A型及B型微夹钳与同类微夹钳的性能比较

4．4 微夹钳夹持力测量及钳口刚度标定

4．4．1 微夹持力测量装置的设计

4．4．2 SU-8胶压阻式微悬臂梁微力传感器的制作工艺

4．4．3 SU-8胶压阻式微悬臂粱微力传感器的标定

4．4．4 微夹钳夹持力测量及钳口刚度标定

4．5 本章小结

5 基于SU-8胶电热驱动微夹钳的微操作及微装配实验

5．1 引言

5．2 基于A型微夹钳的毛发微拉伸测试试样微装配实验

5．3 基于A型微夹钳的聚苯乙烯小球微操作实验

5．4 基于B型微夹钳的微血管标本微操作实验

5．5 基于B型微夹钳的蓝藻单细胞微操作实验

5．6 基于B型微夹钳的长耳鸮覆羽羽小枝微拉伸测试试样的微装配实验

5．7 本章小结

6 结论与展望

6．1 全文结论

6．2 工作展望

参考文献

附录A 对称十杆单自由度微夹钳刚性机构

创新点摘要

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢

作者简介