电热驱动镍微夹钳的设计及制作

为实现微系统产业化开发适用于微型零件操作和装配的微夹钳,采用电热驱动方式、V形梁阵列式电热驱动器为钳体部分提供输入位移,钳体部分应用拓扑优化方法进行设计以实现输入位移放大.金属镍作为制作微夹钳的材料,用紫外光刻微电铸脱模技术工艺制作了电热镍微夹钳.通过正交试验,得到加工SU-8铸模的最优工艺参数,对影响工艺质量的各个因素进行详细讨论并给出解决方法,并加工出了钳体尺寸在毫米量级,最小特征尺寸为10 μm,厚度为30 μm的电热微夹钳.对制作的微夹钳在0～2.5 V直流电压下进行动态测试,夹持端位移最大可达67μm,最大夹持力可达0.8 N,可以满足微机电系统微操作的夹持要求.     

柔性微夹钳的拓扑优化设计及制作工艺

根据连续体结构拓扑优化技术,采用基于SIMP插值模型的变密度法,以最大输出位移为目标设计了一种新型柔性微夹钳的结构,这种钳体结构新颖,拓扑构型为钳口常闭型,依靠钳体自身回程反力夹持物体,能量消耗少,而且钳口张开范围大,通用性好.文中具体阐述了拓扑优化的设计过程,并对设计结果进行了几何重构,同时对整体电热驱动微夹钳进行了有限元分析,仿真结果验证了设计结果.根据设计结果,采用UV-LIGA技术制作了电热驱动微夹钳.     

柔性电热驱动微夹钳的设计与尺寸优化

提出了一种柔性电热驱动微夹钳的设计与尺寸优化方法:首先基于机构的类型综合方法和伪刚体概念选择微夹钳的柔性机构,然后对柔性机构进行单元划分以建立其刚度模型,进而对其几何尺寸进行优化设计。对一种由V形电热驱动器驱动的柔性电热微夹钳进行了设计与尺寸优化。为了验证方法的合理性,利用ANSYS软件对优化结果进行仿真分析并对仿真结果进行了对比。分析表明,优化结果能够满足设计要求,从而证明了设计方法的高效率和可靠性。     

热致动硅微夹钳实验研究

利用集成的多晶硅电热微致动器,在可控电压下实现了对薄膜型硅微夹钳夹持动作的在线操作.电热微致动器所需要的工作电压低、输出力大、响应时间长,适用于硅微夹钳夹持动作的缓冲及精确控制.根据所建电热微致动器理论模型,通过分别测试微致动器在空载和驱动工况下的输出位移大小,提出了一种通过公式换算间接确定硅微夹钳驱动力的方法.实验结果表明,电热致动器驱动的硅微夹钳具有很好的电压可控性,最高工作电压可达25V.硅微夹钳的开合位移依热致动器的规格不同在0.7～4μm之间.     

电热微夹钳的热效应分析和数值模拟

介绍了一种新型多晶硅电热微夹钳,该夹钳在V形电热微驱动器的作用下,能够产生近似线性的位移和产生较大的夹持力。在全面考虑了空气对流、辐射、热传导及材料特性等各种因素的情况下,建立了该电热微夹钳的有限元模型,利用该模型分别进行了稳态和瞬态的仿真分析,模拟出输出位移和温度场随电压的变化情况,以及电热微夹钳的热响应时间。对仿真的结果进行了讨论。     

集成铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器的制作

由于SU-8胶的弹性模量比硅的低,在SU-8胶悬臂梁上集成金属压阻可获得很高的力灵敏度系数,因此本文基于SU-8胶设计并制作了一种集成蛇形结构铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器。介绍了制作微力传感器的新型工艺,并进行了传感器性能测试。实验结果表明:设计的SU-8胶微力传感器在0～350μN具有较好的线性度,力灵敏度为0.24mV/μN,测量误差为4.06%。该微力传感器可以满足对微小力的测量,相对于硅材料的微力传感器,其制作工艺更加简单,周期更短。由于SU-8胶的生物兼容性好,该传感器在生物医学研究领域有着很好的应用前景。     

UV-LIGA技术在制作细胞培养器微注塑模具型腔中的应用

研究了细胞培养器微注塑模具型腔的制作方法.针对微注塑模具型腔的结构特点,采用UV-LIGA套刻技术,分别通过两次SU-8胶光刻和Ni的微细电铸制作了以合金钢为基底的微结构;然后利用掩膜腐蚀方法在铸层上腐蚀出微排气通道.对SU-8厚胶工艺过程中的溶胀现象、匀胶不平整和去除困难等问题进行分析,提出在掩膜板图形四周增设封闭的宽度为20μm的隔离带来减少图形四周SU-8厚胶体积,改善了该处胶模的热溶胀变形,使铸层的尺寸误差由原来的35μm降低到10μm,300μm高的微柱体侧壁陡直.隔离带的引入有效地提高了铸层图形的尺寸和形状精度.由于采用了刮胶的匀胶工艺和发烟硫酸去除SU-8胶的方法,消除了“边缘水珠效应”,彻底去除了SU-8胶.采用提出的方法可获得铸层质量好,与基底结合强度高的微注塑模具型腔.     

SU-8胶光弹性性能显微测试

考虑获知SU-8胶的光弹性性能有利于拓展其在微纳米领域中的应用范围,本文设计了材料应力光学系数显微测量光路,完成了SU-8胶应力光学系数的测量实验。首先,基于光弹性原理设计了测量光路,推导了求解应力光学系数的计算公式;然后,根据所设计的光路搭建了应力光学系数显微测量实验装置,在SU-8胶试样光弹性条纹的单个半级数范围内进行了单向拉伸实验;最后,利用Matlab提取实验照片组中光强值信息,得到了不同拉力下透过SU-8胶试样的单色光光强值,计算求解出了SU-8胶的应力光学系数。实验结果以及测量公式计算显示,SU-8胶的应力光学系数为(3.007±0.149)×10–11 m2/N,大于光学玻璃等材料的应力光学系数,也远大于二氧化硅等MEMS领域常用材料的应力光学系数。实验结果可为以SU-8胶为材料,通过光弹性原理进行微力测量的微探针、微夹钳等的设计与制作打下基础。     

U型电热微驱动器温度分布方程模型

针对MEMS驱动器提出了一种基于焦耳热效应的多晶硅材料电热驱动方式。根据电热微驱动器的结构特性,建立了用于计算其温度的简化模型;利用傅里叶定律和能量守恒方程导出的导热方程建立并求解得到热臂、冷臂和柔性区上的温度分布方程。最后用ANSYS Multiphysics软件对驱动器进行热-电场耦合分析,结果表明驱动器上温度理论值与仿真结果保持一致,该温度分布方程可用于优化电热微驱动器设计并计算其热膨胀量、驱动位移及力矩。     

一种新型柔性双轴微夹钳的设计与分析

针对传统的微夹钳在复杂的微操作中只能沿单轴进行夹持操作的不足，文中设计了一种柔性铰链的双轴微夹钳，结构简单又紧凑，该微夹钳由一个压电陶瓷驱动器驱动，实现夹持和旋转两种操作。采用非对称结构设计，实现左边完成向前旋转动作，右边完成夹持动作。通过左右两边两级放大机构结构设计不同，实现位移放大和运动传递。为实现抓取和搓动功能的解耦，对两部分的运动导向机构进行了正交设计。采用伪刚体法建立了机构的伪刚体模型，建立了机构的运动学和动力学模型，包括运动机构放大比、输入刚度和机构的固有频率。通过有限元分析方法验证了微夹钳的性能模型的准确性。仿真试验结果表明，左侧机构的放大比为8.01,右侧放大比为8.56,最大输出位移可达171.36μm。所设计的微夹钳具有良好的抓取和搓动的性能，可实现高精度的抓取和释放操作。     

柔性并联微夹取器的动力学分析及试验研究

针对一种具有毫米级操作空间和纳米级位移分辨率的、由直线超声电机驱动的柔性并联微夹持器,进行了动力学建模分析和实验研究。基于筷子夹取物体的操作原理,该微夹持器采用并联双层的结构形式。利用单位向量法,基于万向柔性铰链两端面始终平行的假设建立了微夹持器的运动学模型,表明了电机输入与操作末端输出之间的关系。采用ADAMS软件构建了微夹持器的刚柔耦合动力学仿真模型,由反向动力学仿真分析得到了微夹持器运行过程中几个重要的特征参数;由向前动力学仿真分析得到了操作末端,即探针尖端在给定输入函数下的位移、速度和加速度响应参数。对微夹持器的性能测试和夹取实验结果表明,该微夹持器的运行范围为2332μm×2109μm×20000μm,位移分辨率达到0.1μm,能够实现对微小物体的夹取操作。     

A novel driving principle by means of the parasitic motion of the microgripper and its preliminary application in the design of the linear actuator

This paper presents a novel driving principle by means of the parasitic motion of the microgripper. Actuators based on this principle can realize the large displacement range and high speed easily. Also the structure can be simple. A parasitic motion principle linear actuator mainly consisting of two piezoelectric stacks, two microgrippers and a mover was designed. Experimental results indicate that at a low driving frequency of 5 Hz, large velocity over 40 μm/s is obtained with the driving voltage of 100 V. Backward motion was observed and analyzed. Experimental results verify the feasibility of the new principle and it can be used to design new linear or rotary actuators.     

Electroplated CoPt magnets for actuation of stiff cantilevers

A cantilever has been microfabricated for use in non-contact Atomic Force Microscopy (AFM) using a very thick magnetic film to actuate the cantilever motion. The thick magnetic block is deposited electrochemically over a defined area of the cantilever. This cantilever is particularly suitable for driving stiff AFM cantilevers in a liquid environment. Clean mechanical resonances are easily observed. Examples are given of a hard (CoPt) magnet of dimension 29 × 21 × 6 μm(3) electroplated on Silicon cantilevers of stiffness ~22 N/m, giving a static displacement of ~0.2 nm in an applied field of 10(-3) T.     

弱刚性构件磁流变抛光变形机理与抑制技术研究

弱刚性平面构件对应力极其敏感,加工后平面度难以保证,为解决该问题,提出通过磁流变抛光工艺改善工件的平面度。通过有限元仿真,阐明弱刚性构件磁流变抛光变形的机理,提出残余应力的不对称释放是造成工件变形的主要原因,并建立加工过程中工件变形预测模型。仿真结果表明,采用单面加工时,变形为9.5 μm;采用翻面加工时,变形为0.7 μm。根据仿真中工件变形的情况,提出了翻面加工的策略,并通过实验进行验证。实验结果表明,单面加工时,工件变形严重,而采用翻面加工时,变形会产生回复现象,从而使得工件平面度得到有效收敛。进而,提出了弱刚性构件磁流变修形抑制技术,即通过翻面等量材料去除实现工件表面残余应力的对称释放,并在200 mm、厚2 mm的纯铜弱刚性平面构件上应用该技术,两个面的平面度PV值分别从4.6 μm和5.9 μm降低到2.0 μm。     

双柔性平行六连杆微动平台结构的设计及测试

采用直圆型柔性铰链设计了承载能力较大的双柔性平行六连杆微纳定位平台,并对其性能进行了测试。基于柔性铰链经典刚度公式计算了直圆型柔性铰链转动刚度,推导了双柔性平行六连杆微动平台在运动方向的整体刚度函数;建立了平台的动力学模型,得到了平台的固有频率解析式。基于静动态特性优化设计了双柔性平行六连杆微纳定位平台,得到了平台的优化参数。基于激光干涉仪和多普勒激光测振仪建立了平台的静动态特性测试系统。对微纳定位平台进行了试验和测试,结果显示:刚度的理论计算值为7.92N/μm,试验值为7.44N/μm,误差为6.5%;固有频率的理论模型值为349.9Hz,实验值为342.2Hz,误差为2.3%。空载和加载为250、500、2 000、2 250、2 500g时的平台位移表明加载不均匀会对平台输出位移产生较大的影响,当加载为2 500g时,不均匀加载对位移的影响量约为均匀加载的5倍。此外,平台最大位移为56.59μm。重复定位精度测试显示,在施加电压50、100、150V时,定位平台在同一输入电压下的位移最大偏差为0.896μm。实验结果表明,建立的双柔性平行六连杆的刚度和固有频率计算模型是正确的,设计的微动平台的最大位移及精度可满足设计要求。     

System design of Maxwell force driving fast tool servos based on model analysis

A prototype of the Maxwell force driving fast tool servo (M-FTS) is designed and developed. The M-FTS is capable of accurately translating the cutting tool on a diamond turning machine. The FTS utilizes a flexure-based mechanism driven by Maxwell force to generate movements, a custom linear power amplifier to drive the armature, and a capacitance feedback system to measure accurate displacement. This paper describes the design of electromagnetic circuit, mechanical structures, and controller. The kinematic model of M-FTS is derived to instruct the designs; high-frequency electromagnetic finite element analysis is accomplished to assure the proper driving frequency ranges, and mechanical structure is analyzed to verify the proper displacement and stiffness of mechanical structure. Custom linear power amplifier with a bandwidth of 200 kHz is designed for the M-FTS. According to the experiment results, the frequency response of M-FTS system can be up to 100 kHz when it is open-loop driven. M-FTS has obtained a stroke of 35.5 μm with an open-loop driving. M-FTS can realize a stroke of 11.3 μm and frequency response of 3 kHz with the closed-loop control.     

压电陶瓷微夹钳迟滞环自适应逆控制研究

针对压电陶瓷的迟滞特性可使微夹钳难以获得良好的位移控制的问题，提出自适应逆控制策略。推导了压电悬臂位移特性的理论模型；采用自适应最小均方算法滤波器建立了压电悬臂的基于Backlash算子的迟滞环正逆模型，并以此为基础建立了微夹钳位移的自适应逆控制系统。样机测试和跟踪实验结果验证了所建立的理论模型和迟滞环模型的正确性，以及控制系统良好的自学习能力和控制效果。     

SU-8胶紫外光刻的尺寸精度研究

研究了衍射效应对SU-8胶紫外光刻尺寸精度的影响。根据菲涅耳衍射理论建立了紫外曝光改进模型,预测微结构的尺寸,分析了光刻参数变化对尺寸的影响。为了更好地与数值模拟结果进行比较,以硅为基底,进行了SU-8胶紫外光刻的实验研究。实验分四组,实验中掩模的特征宽度分别取50 μm、100 μm、200 μm和400 μm,SU-8胶表面的曝光剂量取400 mJ/cm²。用扫描电镜测量了微结构的顶部线宽、底部线宽和SU-8胶的厚度,用MATLAB软件对紫外曝光过程中SU-8胶层内曝光剂量的分布情况进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果基本吻合。数值模拟结果为进一步的实验研究提供了光刻参数的参考值。     

复合式MEMS微夹持器研制

研制了一种针对亚毫米微小构件实施稳定夹取及可靠释放的微夹持器,应用MEMS体硅工艺将静电梳齿驱动与真空驱动集成构成复合式驱动,设计了微夹持器静电驱动控制系统以及真空控制系统。在80V的驱动电压下,微夹持器末端夹爪位移25μm。设计了两种尺寸的微夹持器,一种张合量为100µm～150µm,另一种为150µm～200µm。针对100～200µm的小球进行了微操作实验,实验结果证明静电梳齿驱动结合真空吸附能够使夹取操作更加稳定,基于闭环控制的正压气流能有效克服小球与夹爪之间的粘附力,实现了可靠的释放操作。