基于柔性铰链的热驱动微夹钳的实验和仿真分析

　　微机电系统( MEMS) 是一个新兴的多学科交叉的学科领域, 涉及精密机械、微电子材料科学、微细加工、系统与控制等技术和物理、化学、力学、生物学等基础学科[ 1] . 尽管最理想的微机械系统是采用整体结构, 但是由于各组件基于不同加工工艺因而缺乏兼容性, 又由于微加工技术的限制, 往往此目标不能实现.因此, 要完成微机械系统的整体制作, 必须进行其构件的组装装配, 而器件集成和装配技术必将直接影响整个系统的可靠性和功能. 微执行器直接面对其应用对象, 其机械性能对整个微机械系统有着关键影响.所以研制和开发不同原理、结构的微夹持器, 已成为近年来国内外微机械领域研究的热点.

　　微执行器需要满足定位精度高、稳定性好、响应速度快和控制方便的要求. 柔性铰链以其特殊的性能广泛应用于操作执行器的设计应用中. 在一些需要小位移、小转角的应用中, 柔性机构有很多刚性机构所不具备的优点, 主要可归纳为以下几点[ 2-3] : ①柔性机构中, 构件之间可以没有传统运动副, 甚至可以将整个柔性机构做成单片, 大大减少了构件数目,从而也就减少了装配; ② 柔性构件之间没有连接,无间隙, 可提高机构的运动精度; ③ 无摩擦磨损, 可提高机构的寿命; ④ 振动和噪音小, 无需润滑, 可减少污染; ⑤ 易于小型化和大批量生产; ⑥ 可存储能量, 自身具有回程反力; ⑦ 易于和其它非机械动力相匹配.

　　本文研究的对象是基于柔性铰链的热驱动微夹钳, 其结构如图1 所示, 其中与微夹钳相连的电热微致动器单元为一悬在硅基片上且两端由锚点固定在基底上的V 字型梁, 微夹钳则通过柔性铰链连接在固定的锚点上.

　　1 微夹钳的加工工艺和驱动力的确定

　　1. 1 微夹钳的加工流程

　　目前, 常用的制作微机械器件的技术主要有三种. 第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段, 即利用大机器制造小机器, 再利用小机器制造微机器的方法; 第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工, 形成硅基MEMS 器件; 第三种是以德国为代表的LIGA 技术. 本文研究中所用的试样制造材料选用了N 型轻掺杂单晶硅, 通过体硅制造工艺加工而成, 由此流片得到的电热硅微致动器梁的电阻值适合于低于5 V的驱动电压, 该电压可与集成电路供电电压相兼容,其基本工艺过程如图2 所示. 首先在单晶硅硅晶片表面上经过光刻、刻蚀后形成微机构的基本形状( 图2( a) ) , 再对玻璃基地光刻、溅射导电金属, 剥离形成金属连线和金属电极( 如图2( b) ) , 然后将硅片和玻璃在一定温度、压力和电压下进行键合( 如图2( c) ) , 最后经过对硅片减薄、刻蚀和释放后得到设计的微机构. 由于此加工工艺的限制, 我们取微结构最小尺寸为3 um, 厚度为75 um, 属于中深宽比的微机构.