專利名稱：基于雙微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機械裝置，尤其是基于雙微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子。可作為微型機械手應(yīng)用在微觀領(lǐng)域的機械夾持，特別是微光機電系統(tǒng)(MOEMS)的元件集成中。
背景技術(shù)：
在研究微觀世界時，特別是在微納級器件的應(yīng)用于中，宏觀世界中常用的夾持機構(gòu)已無法滿足對微型器件操件(如夾持)的要求，需要研制微型夾持機構(gòu)。
鑷子作為一種夾持工具，無論是生活、生產(chǎn)，還是科學(xué)研究中，都發(fā)揮了十分重要的作用。但隨著科學(xué)技術(shù)逐步向微觀世界的深入發(fā)展，日常使用的鑷子以無法滿足尺寸小于毫米以下，特別是微納尺寸物體夾持和操作的要求，這種微型鑷子的缺乏在一定程度上阻礙了微納科學(xué)的研究。于是，適用于微觀操作的微型鑷子成為研究的重要方向。在人們對微觀世界認識更為深入的情況下，基于不同原理研制的各種新型微觀鑷子陸續(xù)出現(xiàn)，如碳納米管鑷子，它的工作端是一對由電控制的碳納米管，兩個碳納米管上的電壓發(fā)生變化時，兩者之間生成的電場驅(qū)動碳納米管發(fā)生靠近或遠離的動作，實現(xiàn)鑷子的夾持功能。這種鑷子將成為微細工程的得力工具；如用來撥弄生物細胞、制造納米機械、進行顯微外科手術(shù)，也可以從大量纏住的導(dǎo)線上取下20納米線寬的半導(dǎo)體導(dǎo)線等等?；贒NA(脫氧核糖核酸)生物技術(shù)的鑷子也是科學(xué)家研究的另一方向，它利用的是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。
此外，精密機械加工也是微型鑷子研究的重要分支，日本的科學(xué)家們采用精密加工工藝已制造出尺寸在微米量級的小型鑷子。也有不少學(xué)者根據(jù)金屬的屬性，在記憶合金的基礎(chǔ)上發(fā)展微型鑷子。雖然這些新型的鑷子有著廣闊的應(yīng)用前景，但它們卻都有著各自的局限性，可以歸納如下(一)技術(shù)前沿，仍屬于研究階段，無法很快應(yīng)用。碳納米管鑷子和DNA鑷子便是這種情況，它們采用的原理十分前沿，而且人們到目前為止還沒有完全理解或掌握，只能停止于實驗室研究階段甚至是推理階段。(二)操作范圍較小。碳納米管鑷子和DNA鑷子屬于納米量級的操作工具，適用于生物細胞和納米級機械，對于再大一些的尺寸，如亞微米或微米量級，便超出使用范圍。精密機械鑷子和記憶合金鑷子則更接近宏觀世界，它們的操作范圍在亞毫米到微米之間，對于微米以下的尺寸操作困難。(三)制造工藝復(fù)雜。上面提到的四種技術(shù)，其制造工藝都十分復(fù)雜，不利于批量生產(chǎn)。(四)兼容性差。由于四種鑷子采用的技術(shù)和材料各不相同，甚至十分特殊，它們與目前常用材料的相互兼容能力并不理想，因而不能實現(xiàn)很好的集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、兼容性好的基于雙微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子，可立即投入實際應(yīng)用。
本發(fā)明的基于雙微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子，包括基底、兩個固定在該基底上的微懸臂梁，其特征是，所述的微懸臂梁上設(shè)置有作為驅(qū)動載體的壓電薄膜，所述基底設(shè)置有引出電極；所述電壓控制模塊產(chǎn)生外部電壓，經(jīng)引出導(dǎo)線傳送到引出電極上，再經(jīng)過導(dǎo)線的傳輸?shù)竭_壓電薄膜，控制所述壓電薄膜及其微懸臂梁的變形、控制由兩個微懸臂梁構(gòu)成的微型鑷子的開閉和夾持力。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果(一)以目前十分成熟的硅微加工技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)壓電材料的逆壓電效應(yīng)，來實現(xiàn)微小尺寸物體的夾持動作，工藝較為簡單，操作方便，可立即投入實際應(yīng)用；(二)由于采用硅微加工技術(shù)，使得制造相對簡便，規(guī)?；a(chǎn)的可能性高，其成品率有保障，產(chǎn)品具有較好的質(zhì)量保證；(三)以硅為材料也使得這種鑷子兼容性很好，特別是與硅加工產(chǎn)品的兼容性最好，這也保證了它能夠集成到現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，如片上系統(tǒng)(SoC)、微機電系統(tǒng)(MEMS)、全微分析系統(tǒng)等，從而大大擴展了應(yīng)用的范圍；(四)鑷子具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，精度高，操作范圍大，集成度高等突出優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于微納領(lǐng)域中。


圖1是本發(fā)明的基于雙微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的功能模塊示意圖。
附圖標(biāo)記1基底2微懸臂梁3壓電薄膜4引出電極5引出導(dǎo)線6導(dǎo)線7微型鑷子整體8執(zhí)行模塊
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細描述。
圖1所示，本發(fā)明的基于雙微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子，包括基底1、兩個固定在該基底上的微懸臂梁2。微懸臂梁2上設(shè)置有作為驅(qū)動載體的壓電薄膜3?；?設(shè)置有引出電極4。電壓控制模塊產(chǎn)生外部電壓，經(jīng)引出導(dǎo)線5傳送到引出電極4上，再經(jīng)過導(dǎo)線6的傳輸?shù)竭_壓電薄膜3，控制所述壓電薄膜3及其微懸臂梁的變形、控制由兩個微懸臂梁構(gòu)成的微型鑷子的開閉和夾持力。
再經(jīng)過導(dǎo)線的傳輸?shù)竭_壓電薄膜，控制所述壓電薄膜及其微懸臂梁的變形、控制由兩個微懸臂梁構(gòu)成的微型鑷子的開閉和夾持力。
圖2為本發(fā)明的功能模塊及外部設(shè)備示意圖。本發(fā)明的基于雙微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子制造方法，首先在基底上加工出一對微懸臂梁來；然后再在兩懸臂梁上分別制備壓電薄膜；最后使用導(dǎo)線將壓電薄膜與引出電極相連。需要說明的是，根據(jù)的具體加工工藝，圖中所示的引出電極還可以布置在基底的同一側(cè)，如上部或下部；而壓電薄膜3也可以制備在微懸臂梁2的另外一側(cè)。
當(dāng)在單個微懸臂梁上制備壓電薄膜時，若通過外部給壓電薄膜施加電壓，則壓電薄膜因逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生變形，就可以帶動與之相連的微懸臂梁產(chǎn)生彎曲形變?；陔p微懸臂粱的微型鑷子的基木工作原理如下當(dāng)在兩根平行的微懸臂粱上分別制備了壓電薄膜后，可通過控制壓電薄膜的電壓使兩個微懸臂梁分別產(chǎn)生彎曲形變。通過適當(dāng)控制電壓的頻率和幅值，兩個微懸臂梁將產(chǎn)生足夠的彎曲，使得兩個微懸臂梁的懸臂端按照某個頻率進行微型鑷子的開啟和閉合動作，從而實現(xiàn)夾持動作。這里，輸出電壓的頻率控制著鑷子的開閉頻率，而幅值則控制著鑷子的夾持力。
基于雙微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子，由于采用硅微加工技術(shù)，使得制造相對簡便，規(guī)?；a(chǎn)的可能性高，其成品率有保障，產(chǎn)品具有較好的質(zhì)量保證。此外，以硅為材料也使得這種鑷子兼容性很好，特別是與硅加工產(chǎn)品的兼容性最好，這也保證了它能夠集成到現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，如片上系統(tǒng)(SoC)、微機電系統(tǒng)(MEMS)等，從而大大擴展了應(yīng)用的范圍。同時，根據(jù)硅微加工工藝，還可以在微懸臂梁的活動端制備更為微小的結(jié)構(gòu)，去實現(xiàn)納米量級的操縱。
由于采用壓電薄膜作為驅(qū)動載體，這也使得該鑷子擁有了壓電材料的多種優(yōu)點，如響應(yīng)快，無磨損，控制簡單，精度高，承載能力大等。這些特點使得鑷子在保證操作精度(可達到幾個納米的精度，也稱為操作分辨力)的同時，也擴大了操作行程，可在亞微米到亞毫米之間變動。操作者可以通過改變施加電壓，準(zhǔn)確實現(xiàn)鑷子的各種動作，甚至可用作微型機器人的機械手或者醫(yī)療手術(shù)中的微型手術(shù)刀的執(zhí)行機構(gòu)中。
該裝置除了可用于微型機器人的機械手和實現(xiàn)微型器件的夾持操作外，還可以應(yīng)用于各種微流體閥的流量控制中、以及其它微結(jié)構(gòu)的微運動、微行走中，具有結(jié)構(gòu)簡單、操控方便、有潛在應(yīng)用和推廣價值等特點。
總結(jié)上述分析，基于雙微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子具有結(jié)構(gòu)簡單，制造簡便，控制方便，精度高，操作范圍大，兼容性好，集成度高等突出優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于微納領(lǐng)域中，如微光機電系統(tǒng)，片上系統(tǒng)，微型機器人操作手，微型手術(shù)刀，微控制閥，以及微小物體的微運動中。
權(quán)利要求
1.一種基于雙微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子，包括基底、兩個固定在該基底上的微懸臂梁，其特征是，所述的微懸臂梁上設(shè)置有作為驅(qū)動載體的壓電薄膜，所述基底設(shè)置有引出電極；所述電壓控制模塊產(chǎn)生外部電壓，經(jīng)引出導(dǎo)線傳送到引出電極上，再經(jīng)過導(dǎo)線的傳輸?shù)竭_壓電薄膜，控制所述壓電薄膜及其微懸臂梁的變形、控制由兩個微懸臂梁構(gòu)成的微型鑷子的開閉和夾持力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙微懸臂梁結(jié)構(gòu)的微型鑷子，包括基底、兩個固定在該基底上的微懸臂梁。所述的微懸臂梁上設(shè)置有作為驅(qū)動載體的壓電薄膜，所述基底設(shè)置有引出電極；所述電壓控制模塊產(chǎn)生外部電壓，經(jīng)引出導(dǎo)線傳送到引出電極上，再經(jīng)過導(dǎo)線的傳輸?shù)竭_壓電薄膜，控制所述壓電薄膜及其微懸臂梁的變形、控制由兩個微懸臂梁構(gòu)成的微型鑷子的開閉和夾持力。本發(fā)明以成熟的硅微加工技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)壓電材料的逆壓電效應(yīng)，來實現(xiàn)微小尺寸物體的夾持動作，工藝較為簡單，兼容性好，操作方便，可立即投入實際應(yīng)用，集成度高等突出優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于微納領(lǐng)域中。
文檔編號B25J7/00GK1616195SQ200410093830
公開日2005年5月18日 申請日期2004年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月3日
發(fā)明者李艷寧, 胡春光, 唐潔, 趙倩云, 王忠順, 宋麗薇, 肖松山, 傅星, 胡小唐 申請人:天津大學(xué)