微夹钳技术发展现状及应用研究.docx

1997 年 8 月O P T IC S A N D PR EC IS ION EN G IN E ER IN GA ugu st, 1997微夹钳技术发展现状及应用研究3李路明任延同王立鼎邵培革(中国科学院长春光学精密机械研究所, 长春 130025)摘要 微夹钳是最典型的微执行器, 它可以充当机器人手爪, 配合各种多自由度驱动装置成为微机器人。微夹钳单元技术与微装配、微操作、微焊接、微封装等系统技术 紧密地联系在一起。由于它的重要性和广泛的应用, 近年来已成为微机械领域研究的热点。 本文首先介绍了微小领域中物体夹持的物理背景, 阐述了粘附力的规律和解决方法; 详细介绍了已有的微夹钳的研究进展状况, 结合作者的科研工作, 阐述了有代表性 的几种微夹钳的工作原理及工艺制作方法; 指出了微夹钳的发展和功能优化方向, 以期 对微夹钳的研究工作起到一定借鉴作用。关键词: 微夹钳; 粘附力; 现状1引言微机械技术是二十一世纪最具诱人前景的高技术领域之一。通过发展智能化、有传感器和执行机构的价格低廉的微型机械系统, 微机械技术将成为下一世纪最重要的产业之一, 革命性 地变革人类的生活。 近二十年来, 随着微电子技术的高速发展, 微型的智能技术和传感技术得到较快的发展, 而与之相对应的微型执行器技术, 发展相对缓慢, 成为限制微机械系统发展的瓶颈。 这一状态引起了人们的关注, 国内外科技人员在微执行器领域投入了巨大的精力, 展开 了广泛的研究工作并取得了令人瞩目的进展。 但是, 在进一步小型化、集成化 ( 与 IC 工艺兼 容) , 提高操作性能, 与微智能和传感元件相匹配方面还面临困难, 发展水平不尽人意。微执行机构的典型之一是微夹钳, 它在微机械零件加工、微机械装配和生物工程等方面都 有较好的应用前景, 近来发展十分迅速。 目前, 科技人员已经研制出静电力驱动、电磁力驱动、功能材料驱动的种类众多的微小尺度操作和微小尺寸的夹钳, 其中一些已研究成功, 体现出现时和潜在的应用价值。多种微型制造技术的发展, 特别是半导体微细加工技术和 L IGA 加工技术, 成为微机械支撑技术。 硅平面工艺是首选的。 半导体微细加工技术已成为微工程通用的工艺之一。 欧美和 日本等科学技术发达国家, 曾先后研制过硅材料的静电力驱动和金属材料的压电陶瓷驱动的微尺寸夹钳和微尺度操作夹钳。静电力驱动夹钳的典型是以硅为材料, 采用叉指式结构, 与 IC工艺兼容, 可实现小型化和集成化。但是, 由于静电场的特性, 难以实现大的力和位移输出。压 电材料驱动的夹钳, 由于压电体的位移输出小, 用来作驱动源往往须加位移放大装置。 也有学者利用电磁力驱动夹钳, 但由于电磁线圈结构较复杂, 难以用 IC 加工。 近年来, 国内科技人员 在国家自然科学基金委、中科院和国家科委的支持下, 对微夹钳等执行机构进行了研究。 长春光机所对静电力驱动的硅微夹钳、压电陶瓷驱动的具有放大机构的金属材料微尺寸夹钳和微 尺度操作夹钳进行了研究; 上海大学对压电陶瓷驱动和电磁力驱动的微夹钳进行了研究。这些工作对微机械理论研究和工程应用都有推动作用。2微夹钳的粘附物理现象微夹钳的主要功能是用来夹持和操作微小物体。当被夹持物尺寸小到一定程度, 在空气环境中, 范德华力、表面张力和静电力就会成为粘附力, 在夹钳爪表面和被夹持物之间起很大的 作用。 在进行实际的操作和夹持过程中, 无法忽略这些粘附力。 这些力的平衡、变化与环境的 湿度、温度、表面材料性质和相对运动情况有关。微夹持操作和宏观夹持操作有很大的不同。由 图 1 可以看出这种差别。研究这些粘附力及其微观物理现象, 找到有效的消除粘附的方法,对提高微夹钳的夹持操作性能有很大帮助。 被夹持物的尺寸缩小到 100 Λm 左右时,粘附力主要是表面力, 即范德华力、表面张力和静电力。 当空气干燥, 被夹持物与钳爪表面接触面积小, 无微液滴生成时, 表面张力会大幅减小。以 S iO 2 球与 S i 平面作粘附实验, 比较 几种粘附力与重力随球径变化的尺寸效应, 见 图 2。可见当球径小于 100 Λm 时, 几种粘附力 的大小关系为1) g ra sp2) op en3) sep a ra tea) m an ip u la t io n in m ac ro w o r ldF tne s F v dw F el(1)式中, F tens 为表面张力, F v dw 为范德华力, F el 为静 电力。当空气相对湿度大于 60? , 主要的粘 附力是接触表面间液面的毛细收缩张力; 当相1) g ra sp2) op en3) adh e reb ) m an ip u la t io n in m ic ro w o r ld