《微夹钳技术发展现状及应用研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微夹钳技术发展现状及应用研究（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1997 年 8 月 O P T IC S A N D PR EC IS ION EN G IN E ER IN G A 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
2、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
3、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 ) ,
4、 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
5、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
6、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
7、 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 m 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
8、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 m 时, 几种粘附力 的大小关系为1) g ra sp 2) op en 3) 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
9、 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 sp 2) op en 3) adh e reb ) m an ip u la t io n in m ic ro w o r ldF ig. 1 D iffe rence o f m an ip u la t io n对 湿 度 较 低 时, 主 要 粘 附 力 是 接 触 面 吸 附 的 水 分 子 中 氢 键 合 力 ; 当 接 触 表 面 经 200 热 处 理或氢处理后, 表面力会大为降低 , 此时主要的粘附力是范德华力 。减小范德华力的途径有二条 : (1
10、) 在钳爪上加表面涂层 , 改善表面性质 。 (2) 增加钳爪表面 粗糙度 。 两种方法相比较 , 增加表面粗糙度的方法对范德华力影响更显著 。 设理想状态的球 、 平面之间的范德华力为 F v dw , 而实际的范德华力为Z( ) 2 F v dw (2)=F v dw b Z + b 2式中, Z 球和平面之间的实际间隙 ;b 平面的表面精糙度 ;当 Z = 014 nm , b = 011 m 时, F v dw b 约为 F v dw 的 1 1600。 可 见, 增 加 钳 爪 表 面 粗 糙 度 可 显 著 降低范德华力 。静电力的产生是正 、 负电荷的相互作用 , 是 静电场对电
11、荷的作用 。 静电荷产生途径有三种 :(1) 外加电压产生 ;(2) 自放电产生 ;(3) 辐射电离产生 。 这 三 种 产 生 途 径 相 应 地 对 应 着 三 种 消 除 方 法, 即(1) 外加电压消除 ; (2) 自放电消除 ;(3) 辐射消除 。其中, 以自放电方法消除电荷最简单 , 也适合于 微夹钳操作 。 在钳爪表面制做大量密布尖锐突起呈四棱锥体状, 使锥体尖端电荷集聚 , 电场升F vdw : V ande r W aa ls fo rce- - - F ten s: su rface ten sio n fo rce - F el: e lec t ro sta t ic
12、fo rce be tw eench a rged to dy and unch a rged bo dy F e: e lec t ro sta t ic fo rce be tw een th ech a rged bo d ie s- -F g: g rav ita t io na l fo rceF ig. 2 Com p a r isio n o f g rav ita t io na l fo rce and adh e sive fo rce s高, 可通过自放电来排泄静电 。 表 1 给出了各种可控制因素对降低粘附力的作用 。Table 1 The ef f ec t of s
13、evera l fac tor s on reduc t ion of adhen s ive f orceN o te:“”m ean th e reduc t io n o n th is k ind o f adh en sive fo rce.3 微 夹 钳 的 设 计 原 理 及 应 用 发 展 研 究311 微夹钳的现有种类目前, 国内外已列入科研计划并且正在研究的微夹钳有十多种 。 其中, 绝大多数都已取得adh en siveco n t ro llab le fo rce fac to r sF v dw F tens F elro ugh ne ssre la t ive
14、h um id ity th e rm a l t rea tm en t h yd ro p ho b ict rea tm en t 阶段性研究成果, 有几种微夹钳已显示了实际的应用前景 。 从原理 、 设计到材料 、 工艺 、 种类和形式非常繁多, 根据划分微夹钳的标准不同, 对微夹钳也就有不同的分类方法 。 表 2 依据不同 的分类标准列出了相应的微夹钳 。Table 2 D if f eren t sor t in g m e thod f or m icrogr ipperstanda rd o f so r t ing co n ten t s o f m ic ro g r i
15、pp e rm ic ro size g r ipp e r, m ic rom an ip u la t io n g r ipp e rco n st ruc tu reb io n ic st ruc tu re c rab g r ipp e re lec t ro sta t ic fo rce, e lec t rom agne t ic fo rce, m ech an ica l fo rce sing le c ry sta l S i, A u , N i, st ra in le ss stee l, p e rm a llo yL IGA. IC. deep e tch
16、 ing, la se r cu t t ing, w ire cu t t ing, EDMSM A. P ZT. N af io n. b im e ta l f ilm , b id irec t io na l d r iv ing P ZTd r iv ing fo rcem a te r ia lfab r ica t io nfunc t io na l m a te r ia l312 微夹钳的原理和研究进展微夹钳由于其自身在微观领域的重要操作作用, 近年来已成为国内外研究的热点 。 伴随着 该单元技术, 微装配 、 微操作 、 微焊接 、 微封装等系统技术也得以发展 。 目前, 以压电元件驱动的微夹钳受压电元件尺寸的限制 , 难以做得很小 。 压电元件的逆压电效应产生的变形量很小, 通 常为几 十几微米 , 不能满足微尺度操作的要求 。 现在采用机械增幅
