具有力感知功能的四臂式MEMS微夹持器研制

　　1　引　言

　　随着微机电系统(MEMS)的迅速发展,对微组装技术的需求日益迫切。新型材料的深入研究和微细加工技术的发展,是保证微器件特性的重要因素,也是微机械器件质量优劣的关键[1]。90年代中期,随着深反应离子刻蚀(Deep ReactiveIon Etching,DRIE)技术的出现,体硅加工技术[2]的发展获得长足的进步,已广泛应用于微传感器[3]、微夹持器[4]以及其他微结构[5]的加工。自Kim等在1989年研制基于表面硅工艺的静电致动微夹持器以来[6],以微夹持器为代表的微操作工具的研制受到国内外广泛的重视。微操作工具是实现微型零件装配的关键部件,是实现宏观与微观联接的重要组成部分。由于微操作的对象具有轻、薄、脆、软的特征,对夹持方式、夹持力的大小提出了十分苛刻的要求和限制。一方面要求操作力大小必须得到精确控制以免造成操作对象的变形或损坏,另一方面操作对象形状特征也对作业工具的夹持方式提出了要求,如对象可接触位置的选择性、可接触面积的大小等,都对操作工具的设计提出很高的要求。因此,结构紧凑、体积小并具有传感功能的微操作工具将有助于微操作机器人系统的集成[7]。

　　作者采用体硅工艺成功地研制了基于低成本单晶硅,并集成了微力检测的新型MEMS微夹持器。四臂式的末端结构结合S型柔性梁结构,使得夹持器的夹持范围得到了拓展。通过侧面压阻工艺将压阻力传感器集成在夹持器的末端,形成夹持过程中的力反馈。并通过硅玻璃键合实现夹持臂的静电隔离,有效地实现了微操作工具的集成化和小型化。

　　2　结构设计

　　2.1　微夹持器整体结构

　　微夹持器的的整体结构如图1所示。整个微夹持器主要由以下5个部分组成:压阻梁、S型折叠梁、柔性双端固支梁、侧向平动梳齿静电驱动器和玻璃基体。静电驱动器采用侧向平动驱动方式,驱动器的直线运动通过S型柔性梁转化为夹持器末端的转动,从而实现夹持,如图2所示。

　　夹持臂2和3为活动臂,1和4为固定臂。压阻传感器集成在臂1和4的末端,用于检测夹持力。4个夹持臂形成了3组夹持钳,这3组夹持钳的初始间隔如图2(b)。当施加驱动电压时,夹持钳1和3同时闭合,并且可以检测夹持力。当取消驱动电压后,夹持钳2闭合,夹持钳1和3张开。活动臂的末端转动位移设计为25μm,3组夹持钳的张合量连续互补,形成30~130μm的夹持器总张合量。工作过程中可以根据操作对象的尺寸大小,选择相对应的夹持钳进行操作。

　　由于活动臂的整体刚度比较小,而固定臂的尺寸和位置相对可以灵活选取,在传感器集成加工方面工艺简单,因此只在固定臂上集成了力传感器。将活动臂形成的夹持钳2的张合量设计为最大,可以操作一些尺寸较大,对夹持力没有严格要求的对象。