微夹钳技术发展现状及应用研究-光学精密工程.PDF

第5 卷　第4 期 光学　精密工程 Vol. 5,No. 4 1997 年8 月 OPTICS AND PRECISION ENGINEERIN G August, 1997 * 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 1300 5) 　　微夹钳是最典型的微执行器, 它可以充当机器人手 , 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。 : 微夹钳;粘附力; 现状 1 　　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。 收稿日期: 1997 年5 月5 日 * 　国家科委攀登计划资助项目 4 期 李路明　等:　微夹钳技术发展现状及应用研究　　　　　　　　　　　　　　 9 　　多种微型制造技术的发展, 特别是半导体微细加工技术和LIGA 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 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 Lm