体硅工艺静电致动微夹持器的试验研究

　　1　引　言

　　目前对微观条件下的机械系统的运动规律、微小构件的物理特性和力学行为等尚缺乏充分的认识,还没有形成基于一定理论基础之上的微系统设计理论与方法,只能凭经验和试探的方法进行研究,因此微器件检测技术尤为重要,不仅可检验微器件和微机电系统的质量,也为基础理论研究提供了验证的手段。

　　以微夹持器为代表的微操作工具沟通了宏观与微观世界,是进行微操作的主要工具。本项目研制的微夹持器其臂为悬臂梁形式,并构成了微夹持器的主体,同时兼有大的力输出和大的位移输出要求[1],如图1所示。该微夹持器是一种基于体硅工艺的梳状静电致动微夹持器,夹持器由微作部分、限位结构和梳状驱动器等部分组成,为了减小内应力,将微夹持臂设计成S形柔性结构。微夹持器结构具有很大的深宽比:结构厚度60μm;梳齿宽度6μm,深宽比达10:1;梳齿间隙4μm,深宽比达15:1,微夹持器最大尺寸为2 456μm,该夹持器的开合量达12~140μm。采用了夹持臂为导体并接地,固定梳齿加驱动电压的致动方式,静电驱动不会对被夹持物体产生负面影响。该夹持器具有工艺简单、可控性好、夹持范围及夹持力相对较大的特点,适合多种微操作任务。

　　2　微夹持器的测试

　　2.1　试验系统

　　静电致动微夹持器为电—机耦合器件,输入量为电压,输出量为机械位移。所测试的微夹持器采用静电致动开环控制的方式,微夹持器尖端的位移范围仅有几十微米,无法用常规的几何量测工具测量,故采用显微镜-CCD-微机测试方案,微夹持器通过显微镜放大成像于CCD靶面上,由微机进行图像处理和信息采集,如图2所示。用CCD进行图像的量化处理,得到微观信息。微夹持器驱动电压范围设置在0~80 V,同时为了减小电磁干扰,采用了电池供电的方式。

　　试验过程中发现,器件自身产生的寄生电荷和外界环境的静电干扰对微夹持器的影响很大,主要表现为:未施加驱动电压时,微夹持臂处于偏转位置,微夹持器同仪器、工作台、操作者等接触后常常发生吸合/张开至限位结构的现象。这些问题极大的影响到微夹持器特性的测试工作。因此避免静电干扰是保证实验顺利进行的主要任务。通过控制环境湿度,避免带静电物体接触微器件以及其引线,引线接地等方法可以有效的避免外界的静电干扰。微夹持器存放时,将各个电极接地可防止器件自身寄生电荷对器件的影响。

　　2.2　数据处理

　　为得到微夹持器在不同电压下的开合量,需要对采集到的图像进行量化处理。采集到的原始图像如图3所示,对其进行量化处理很困难,原因如下: