柔性电热镍微夹钳结构设计及加工测试研究

    0　引　言

    微夹钳在MEMS(micro electro-mechanicalsystem)的微操作、微装配领域担当重要角色.尽管现在已经有多种微夹钳被制造出来,但对微夹钳设计方法还缺乏系统的研究.现在的多数微夹钳是采用静电、压电、形状记忆合金等驱动方式使夹持端运动并夹持物体;同时由于驱动位移一般都很小,为满足工作要求必须有放大机构使夹持端位移放大,放大方式多采用杠杆放大原理.

    作为MEMS器件的微夹钳具备MEMS产品的特性,如:加工制作要简单,免于装配等,同时要能够实现对输入位移的放大.因此柔性机构^[1]的结构形式对MEMS产品设计比较适用,特别是全柔性机构已扩展到MEMS应用领域的各个方面.柔性机构是指在设计中采用大变形柔性元素,而非全部采用刚性元件的一类机构,能够通过构件的弹性变形输出全部或部分运动或力.全柔性机构一般分为两种:一种是具有集中柔度的全柔性机构(lumped compliance compliant mechanism,简称LCCM),其特征是用柔性运动副代替了全部传统运动副;另一种是具有分布柔度的全柔性机构(distributed compliance compliantmechanism,简称DCCM),其特征是整个机构中并无任何铰链的存在,这种柔性相对均衡地分布在整个机构之中.无论哪种全柔性机构都具有如下优点:(1)可单片设计以简化结构、免于装配;(2)无间隙和摩擦,可实现高精度运动;(3)免于润滑、避免污染;(4)无磨损,提高寿命.

    柔性机构所具有的优点能够满足MEMS器件的性能要求,可以借鉴柔性机构的设计方法对微夹钳进行设计. Mankame等^[2]用拓扑优化方法对柔性机构进行设计; Midha等^[3]对柔性结构的伪刚体模型进行了详细的介绍.而对微夹钳的设计以前多是利用经验式的杠杆放大原理,如Selius等^[4]设计的压电驱动的玻璃微夹钳;随着拓扑优化方法在柔性机构设计上的应用,现在也有很多学者用拓扑优化方法对微夹钳进行设计^[5、6].

    本文主要工作是把用于柔性机构设计的伪刚体法应用到设计柔性微夹钳机构的位移放大部分,采用电热驱动器对其驱动并使二者成为有机整体;然后对电热微夹钳进行一系列的仿真验算;最后用UV-LIGA工艺加工制作微夹钳,并进行性能测试.

    1　伪刚体法

    柔性机构的运动大都是通过将弯曲变形限制在某一范围内的柔性“关节”来实现的,它模仿了常规铰链的功能.当用扭转弹簧及直线拉压弹簧来模拟柔性时,柔性机构便可以看成是一个刚性连杆机构^[7].根据这个思路,利用伪刚体的概念,并用广义运动学方法来研究柔性机构.伪刚体模型用来简化柔性机构的设计和分析,提供了柔性梁非线性扭曲的建模方法,使柔性机构和刚性机构的理论得到统一. Howell等^[8]提出一种模型,柔性部分在长度上要比邻近的刚性部分小得多.这样,可以先按给定的(或已知的)拓扑结构进行设计,再把该拓扑结构变成一个伪刚体模型.伪刚体法设计柔性机构的一般步骤:首先,根据用户要求确定一个相应的刚性机构;再将其转化为伪刚体机构,用伪刚体机构中的弹性构件模拟刚性机构中的运动副,而其中的刚性构件将代表柔性机构中刚性较好的部分,通过分析伪刚体机构来验证设计要求和约束条件是否满足,如果不满足,则必须改进伪刚体机构,并且重新进行分析;然后再将其转化为柔性机构;最后检验该机构是否满足设计要求.这种设计思路可以充分利用成熟的刚性运动学的知识,而且弹性部分的尺寸与刚性部分的尺寸相比越小,这种模拟越精确.