專利名稱：一種靜電致動微夾持器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜電致動微夾持器，用于微操作系統(tǒng)、微小機器人以及生物基因工程的微裝配、微焊接以及細胞等微小物體的搬遷操作，屬于微機電系統(tǒng)(MEMSMicroelectro-mechanical Systems)領(lǐng)域。
美國專利4,666,198號所設(shè)計的壓電薄膜驅(qū)動微夾持器，為20mm，寬5mm，微夾持臂厚28μm，在外加電壓為50V，微夾臂的尖端位移為0.35mm，夾持力可達19mN。此類微夾持器采用兩片相同的沿厚度方向極化過的壓電陶瓷片粘結(jié)在一起形成的夾持臂，或者將其中的一片陶瓷由金屬代替。利用兩層材料的收縮率不同，形成可以彎曲的層合梁功能元件作為微夾持臂。壓電薄膜驅(qū)動微夾持器的優(yōu)點是可以獲得較大的微夾持臂偏轉(zhuǎn)，夾持力大，控制方便，可以與IC工藝兼容。缺點是驅(qū)動電壓較高以及薄膜開裂問題較為嚴重。
美國專利5,172,950號所設(shè)計的內(nèi)置電熱元件微夾持器，采用了雙金屬層合梁作微夾持臂，電阻型加熱元件制作在微夾持臂中的型式。具有體積小、變形大、集成度高、力輸出大、加工工藝與微細加工工藝兼容性較好的特點，但是響應(yīng)速度慢，實用中需要閉環(huán)控制，因為易受環(huán)境因素的影響，控制困難。
美國專利5,722,989和4,944,717號所設(shè)計的電熱驅(qū)動記憶合金/硅雙層薄膜結(jié)構(gòu)作為驅(qū)動元件，此類微夾持器采用硅微細加工工藝制備，具有結(jié)構(gòu)簡單，位移大、耗電小、響應(yīng)速度相對較快的特點。但是仍然存在響應(yīng)速度慢，控制困難的問題。
美國專利5,727,915號所設(shè)計的外置電磁源微夾持器，其夾持臂僅制作出電磁線圈，結(jié)構(gòu)相對簡單，制作工藝易于與IC工藝兼容。電磁力的大小取決于磁場強度的分布，微夾持器與電磁發(fā)生器的相對位置，以及微夾持臂中的電流強度，微夾持器的開合由微夾持器臂線圈中的電流方向決定。該夾持器具有結(jié)構(gòu)簡單、動作響應(yīng)快、便于控制的特點但是存在直流功耗。由于需要外置電磁源，其應(yīng)用范圍受到很大限制。
由以上所述專利可知有的微夾持器存在響應(yīng)速度慢，有的存在控制困難等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種響應(yīng)速度快，控制方便，結(jié)構(gòu)簡單，夾持力大，夾持范圍大，能耗低的微夾持器。
本發(fā)明靜電致動微夾持器是以靜電作為驅(qū)動力源，夾持器由驅(qū)動電極、柔性結(jié)構(gòu)、動梳齒、定梳齒、限位塊、微夾持臂和底板組成，驅(qū)動電極、定梳齒、限位塊以鍵合方式固定在底板上，柔性結(jié)構(gòu)為連續(xù)的S形結(jié)構(gòu)，一端與驅(qū)動電極相連，一端與動梳齒相連，動梳齒的另一端與微夾持臂相連。在驅(qū)動電極、柔性結(jié)構(gòu)、動梳齒、定梳齒、限位塊和微夾持器的上表面都濺射有金屬層，金屬層應(yīng)為易于與鋁、金等金屬導(dǎo)線壓焊的材料如金。本發(fā)明靜電致動微夾持器響應(yīng)速度快，夾持力大，控制容易、制造方便。
本發(fā)明的工作原理是微夾持器的梳狀驅(qū)動器的動、定梳齒分別施加不同的驅(qū)動電壓，動梳齒在靜電力驅(qū)動下帶動微夾持臂擺動實現(xiàn)微夾持器的開合動作。
梳狀靜電驅(qū)動的單一梳齒模型如圖3所示，梳齒間距為d，梳齒寬度為b，梳齒的厚度為t，動定梳齒的交疊長度為l，梳齒頂端與對應(yīng)梳齒根部的間距為a。當(dāng)動定梳齒間施加電壓U時，兩梳間x方向的靜電力Fx可以表示為Fx=ϵtU2d---(1)]]>式中ε為介電常數(shù)。
單晶硅具有優(yōu)良的機械性能，彈性模量達1.69×1011Pa。由于加工能力的限制，不能加工出尺寸很小的利于變形的微梁，如果直接采用直懸臂梁連接梳狀驅(qū)動器與固定端，會在懸臂梁的固定端根部產(chǎn)生很大的應(yīng)力，消耗了有限的夾持力，同時靠近固定端的梳齒產(chǎn)生的靜電力對夾持臂驅(qū)動小，為了增大夾持力輸出在設(shè)計中采用了

圖1中所示的S形柔性結(jié)構(gòu)連接固定端與梳狀驅(qū)動部分，以減小結(jié)構(gòu)剛度，增大夾持力的輸出。根據(jù)圖1的布置方式則可提取夾持臂數(shù)學(xué)模型如圖5所示，將梳狀驅(qū)動部分簡化成均布載荷p為p=ϵU2d(2b+2d)---(2)]]>設(shè)相鄰的量節(jié)點為i、j(j＝i+1)，Lij、Iij、E表示i、j點之間梁的長度、慣性距和彈性模量。Xij、Yij表示j點在載荷作用下相對i點的x、y方向的位移，θij表示j點在載荷作用下相對i點的轉(zhuǎn)角(如圖5所示)。懸臂粱的最大尺寸為L，柔性單元的x方向長度為l，n個柔性結(jié)構(gòu)串連，則驅(qū)動部分的長度Ld＝L-n×l。懸臂梁末端的變形量X、Y、θ，則 式中 S形柔性結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計時，在保證加工質(zhì)量的同時盡可能減小截面尺寸，以減小內(nèi)應(yīng)力。在夾持臂整體長度L一定的條件下，采用S結(jié)構(gòu)的數(shù)量越多，夾持臂的剛度越小，有利于提高微夾持器的疲勞壽命，而驅(qū)動部分要相應(yīng)減小。為了產(chǎn)生所需的夾持力和回復(fù)力，應(yīng)選用合適的柔性單元的數(shù)量。
微夾持器的夾持力輸出取決于靜電驅(qū)動力Fd和微夾持臂變形阻力Fs。當(dāng)微夾持臂在一定的某一驅(qū)動電壓的作用下，產(chǎn)生夾持動作，微夾持臂隨著變形量的增加其變形阻力也隨之增加，微夾持臂達到最大位移(取決于限位結(jié)構(gòu)或被夾持物尺寸)時，應(yīng)變量一定，其因彎曲變形產(chǎn)生的阻力Fs一也定。因此微夾持器輸出的夾持力Fg可以表示為Fg＝Fd-Fs(4)其中Fd由式(1)得出與輸入電壓U的平方成正比。
微夾持器的結(jié)構(gòu)厚度為60μm；柔性結(jié)構(gòu)寬度6μm，水平段長度12μm，垂直段長度120μm；梳齒長60μm，寬度6μm，深寬比達10∶1；梳齒間隙4μm，深寬比達15∶1，最大結(jié)構(gòu)尺寸為2456μm；夾持臂開合范圍為12～140μm。其它參數(shù)不變，采用不同數(shù)量S形柔性結(jié)構(gòu)的微夾持器，依據(jù)式(1)～(3)可得出相同驅(qū)動條件下夾持力的輸出，見表1。
表1 S形結(jié)構(gòu)數(shù)量與夾持力輸出(80V)S結(jié)構(gòu) 最大驅(qū)動力最大開合量時最大開合量時數(shù)量/μN 夾持臂所需動力/μN夾持力輸出/μN0 19.3 22.4 -4 19.1 6.712.18 18.7 4.014.718 16.7 2.913.8可見，引入S形結(jié)構(gòu)對增大夾持力輸出起到了關(guān)鍵的作用，采用直梁連接理論上梳狀驅(qū)動器將不能驅(qū)動夾持臂到最大位移處，而僅用4個S形柔性結(jié)構(gòu)就使微夾持力迅速增大至12.1μN。
驅(qū)動部分在微夾持器的整體尺寸中所占的比例越大，越有利于驅(qū)動，但是靠近微夾持臂根部的梳狀對驅(qū)動貢獻小。對整體長度一定的柔性結(jié)構(gòu)和梳狀驅(qū)動器，由式(1)～(3)可以得出圖6所示不同數(shù)量S形結(jié)構(gòu)的夾持臂位移特性曲線，可見柔性結(jié)構(gòu)的數(shù)量有最佳值可供選擇，對于本實施例為25個。但是隨著柔性形結(jié)構(gòu)的增多，驅(qū)動力響應(yīng)減小，增加夾持力輸出的效果不明顯(參見表1)，而工藝難度迅速增加，本實施例中用了4個S形柔性結(jié)構(gòu)。采用了柔性結(jié)構(gòu)的微夾持器工作時的結(jié)構(gòu)應(yīng)力大大降低，大約是同樣尺寸直梁的結(jié)構(gòu)的1/4，增大夾持力輸出能力的同時還改善了微夾持器的抗疲勞能力。
本實施例工作時微夾持臂應(yīng)接地。為估計靜電致動帶來靜電吸附問題，采用有限元方法進行微夾持器工作狀態(tài)的電場分布仿真計算首先按照設(shè)計的微夾持的幾何尺寸建立微夾持器的形狀函數(shù)，然后按照微夾持器的工作方式設(shè)定邊界條件，考察梳狀驅(qū)動器工作電壓為100V(本夾持器在80V電壓下無擊穿現(xiàn)象)時對微夾持操作的影響，最后采用合適的算法、精度求解和結(jié)果處理。求得的計算結(jié)果如圖7所示，微操作部位的場強近似為零，靜電驅(qū)動不會對微操作造成負面影響。
本實施例采用體硅工藝制作，實現(xiàn)了大深寬比的梳狀驅(qū)動結(jié)構(gòu)，有效的增大了微夾持力。體硅工藝主要由光刻、鍵合、電感耦合等離子體蝕刻(ICP)等關(guān)鍵工藝組成，工藝步驟如下1)備片，硅片檢查和清洗；2)光刻硅片背面鍵合圖形；3)氫氧化鉀腐蝕，鍵合臺階高度4μm；4)硅片玻璃片鍵合；
5)硅片正面氫氧化鉀腐蝕減薄至64μm；6)劃片；7)結(jié)構(gòu)圖形光刻；8)硅結(jié)構(gòu)ICP蝕刻；9)結(jié)構(gòu)正面濺射金屬Ti/Pt/Au，厚度300/300/2000。
權(quán)利要求
1.一種靜電致動微夾持器，其特征在于以靜電作為驅(qū)動力源，夾持器由驅(qū)動電極、柔性結(jié)構(gòu)、動梳齒、定梳齒、限位塊、微夾持臂和底板組成，驅(qū)動電極、定梳齒、限位塊以鍵合方式固定在底板上，柔性結(jié)構(gòu)為連續(xù)的S形結(jié)構(gòu)，一端與驅(qū)動電極相連，一端與動梳齒相連，動梳齒的另一端與微夾持臂相連，在驅(qū)動電極、柔性結(jié)構(gòu)、動梳齒、定梳齒、限位塊和微夾持器的上表面都濺射有金屬層，金屬層為易于與鋁、金等金屬導(dǎo)線壓焊的材料如金。
全文摘要
一種靜電致動微夾持器，屬于微機電系統(tǒng)(MEMS－Micro－electro mechanical Systems)領(lǐng)域。本微夾持器是以靜電作為驅(qū)動力源，夾持器由驅(qū)動電極、柔性結(jié)構(gòu)、動梳齒、定梳齒、限位塊、微夾持臂和底板組成，驅(qū)動電極、定梳齒、限位塊以鍵合方式固定在底板上，柔性結(jié)構(gòu)為連續(xù)的S形結(jié)構(gòu)，一端與驅(qū)動電極相連，一端與動梳齒相連，動梳齒的另一端與微夾持臂相連。在驅(qū)動電極、柔性結(jié)構(gòu)、動梳齒、定梳齒、限位塊和微夾持器的上表面都濺射有金屬層，金屬層應(yīng)為易于與鋁、金等金屬導(dǎo)線壓焊的材料如金。本發(fā)明靜電致動微夾持器響應(yīng)速度快，夾持力大，控制容易、制造方便。
文檔編號B81B3/00GK1410346SQ0215348
公開日2003年4月16日 申請日期2002年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月29日
發(fā)明者李玉和, 李勇, 李慶祥, 訾艷陽 申請人:清華大學(xué)