用光纖纜提供動力和控制的最小侵擾的管內微型機械系統的製作方法

2023-06-02 02:17:56

專利名稱：用光纖纜提供動力和控制的最小侵擾的管內微型機械系統的製作方法
根據美國能源部和加利福尼亞大學關於Lawtence Livermor國家試驗室的經營的第W-7405-ENG-48號合同，美國政府具有本發明的權利。
本發明涉及遠程傳感器，驅動器，特別是微型機電抓爪，它適於以導管為基礎的插入療法或非醫用的遠程微裝配等要求。這些要求的共同點在於很小的進口和很小的深埋於身體或組裝體內的室區。
遠程地精確地操縱小物件的微驅動器在廣泛的應用中引起很大的興趣。設計和開發這種微抓爪裝置的努力在技術上很有用。而這類技術應用於一般的微製造中也為微工程努力奠定基礎。這些努力包括機器人，微技術，精細工程，國防，能源，生物醫學研究，醫學應用，比如以導管為基礎的插入療法，及微機械系統的遠程裝配或使用。
當血管的某一部分變弱時，它會腫脹形成動脈瘤。血管最後會壞掉破裂這是中風的一個主要原因。傳統上動脈瘤靠手術治療。醫生要先割開要修復的區域，然後才試著用夾掉的辦法外科手術修復動脈瘤。然而許多動脈瘤長在關鍵部位，比如腦中，手術既困難又危險，或是根本不可行。過去二十年裡，一些先行的醫生利用神經放射學技術來醫治腦動脈瘤。長(一至兩米)而細(250至500微米)的導管從腹股溝的動脈上推到腦伸向動脈瘤。現存的基於導管的插入設備依靠簡單的通常是單一的驅動方式。這些技術，包括氣囊血管成形術(balloon angioplasty)，在大血管如心腦的處理上已經成熟。為將這種醫療方法推廣到如腦中的小血管，基於導管的工具的微型化是個關鍵。在最近的方法裡，鉑絲卷被用來充填動脈瘤，因為它可以充填不規則形狀，充填在血管裡以後又能抗電蝕作用。絲卷或是通過導管被引導線推入動脈瘤，或是通過電溶解引導線和治療裝置的焊點釋放出來，神經病學治療裝置的直徑大約250微米。雖然絲卷的填入會引起電血栓，釋放絲卷所需時間卻很長(4分到1小時)，一個普通大小的動脈瘤要用幾個絲捲來充填。材料的溶解在何等程度上影響身體還不清楚，電解焊需要在腦中引入一個較長時間的電流，這有時並不可靠。這些困難為就醫的患者提出了潛在的威脅生命的問題。
這樣就需要一種微型機械，它能進入250微米直徑的區域並可使醫生釋放絲卷或是別的治療物，在一旦放錯了時間或位置時又能收回。本發明滿足了此項要求，它提供了一個微機械釋放機制，因而對醫生而言，這是個安全可靠的替代方法，並且該微型機械可以進入腦血管，一個250微米直徑的區域。這個微機電結構可用現成的矽集成電路技術或精細微加工術，或兼用兩者來製造。本發明在需要遠程驅動微抓爪的不同領域有應用，它特別是可用於基於導管的插入療法。
本發明的目的是提供一種機電微型抓爪。
本發明進一步的目的是使微型抓爪有大的夾力，相對剛性結構的機體和功能設定的靈活性。
本發明進一步的目的是提供一種機電微機械，它裝在導管的一端並可從另一端操縱從而擴展和改進基於導管的插入療法的應用。
本發明的另一目的是提供一個可在大小為250微米直徑，如腦血管的區域內操作的微型抓爪。
本發明的另外一個目的是提供一個能用來為遠程加熱和反饋控制併入加熱器和應力傳感器的微型抓爪。
本發明的另外一個目的是提供一個能用來作為植物神經組織採樣器或作為處理微小組份用的末端。
本發明的另外一個目的是提供一個微型抓爪，它具有使用替代驅動機制，液壓或熱雙態機制的潛力。
本發明的另外一個目的是提供一個大夾力(40mN)的微型抓爪，它的驅動力是形狀記憶合金薄膜產生的，產生的應力可使微型抓爪的每一邊的彎曲大到約55微米，合起來就是一個約110微米的夾動作。
簡言之，本發明的一個實施例是一個醫用微機械系統。這個系統以導管為基本形式建立起來，導管有個插入體內並在其中操作的遠端和一個為使用者控制體內遠端操作而設的近端。一束光纖纜置於導管中，它有一個靠近導管遠端的遠端和一個為耦合外部雷射能量而設的近端。一個微型抓爪連在導管的遠端上用來抓放體內的物件。一個雷射機械能轉換器連在當中來接收光纖遠端的雷射和機械地驅動微型抓爪。
收入並成為專利公開一部分的附圖，演示本發明的實施例，和文字說明一起用來闡釋本發明的原理。


圖1A和1B是用氣囊驅動的微型抓爪一個實施例的截面圖，分別顯示合攏和開啟的位置。
圖2是圖1A，1B所示實施例的分解圖，氣囊被省略。
圖3A和3B代表另一個微型抓爪的實施例，它使用了一個鑷子似的薄膜驅動器。
圖4A和4B是顯示另一個微型抓爪實施例的截面圖，它應用了形狀記憶合金(SMA)線掣子。
圖5是圖4A，4B中實施例的分解圖，SMA線被省略。
圖6是採用SMA雙盤繞的本發明的實施例。
圖7是本發明的一個優選實施例，矽微型抓爪。
圖8是顯示低共熔連接過程的截面圖。
圖9A，9B和9C顯示電阻性加熱器及圖7中微型抓爪的電輸入。
圖10，10A和10B顯示圖8A中加熱器的實施例，圖10A和10B是放得更大了的截面。
圖11，11A和11B顯示圖9A中另一個加熱器的實施便，圖11A和11B是放得更大了的截面。
圖12顯示圖7中微型抓爪的力反饋控制系統。
圖13顯示依本發明製造的提供液壓的SMA膜驅動的微驅動器，其中液體出自一個微囊。
本發明是一個機電抓/放微型機械這裡稱做微型抓爪或微型夾。微型抓爪有大的夾力，相對剛性結構的機體和功能設定上的靈活性，以便能用來作為，例如植物神經組織採樣器或處理微小組份用的末端，或作為一種在血管腫脹部分，即動脈瘤裡釋放鉑絲卷或其它材料的機械，本發明的微型爪對擴展和改進基於導管的插入療法的應用特別有用，它可用於直徑為250微米的區域，如腦中的小血管。微型抓爪可帶有裝了加熱器或應力傳感器的外表面來進行遠程加熱和反饋控制。一個微型抓爪的實施例是矽結構的，帶有SMA薄膜，引發的應力使邊形變，能產生一個約110微米的抓動作。微型抓爪可以用精細微加工生產或用製造集成電路的技術生產。
抓/放機械或微型抓爪要達到的主要目標如下1)其截面要能裝入小如250μm的區域(開或合)；2)要在少於10秒的時間內把材料釋放到血管中；3)溫度範圍應在0℃到37℃之間；4)若用電能的話，電流要小於10mA；5)100％的可靠。
用傳統的矽塊微加工技術，可以生產如圖1A，1B和2所示的機械夾或微型抓爪，它帶有一個伸臂結構，比如長約800μm構造的總高度是250μm。一個聚矽酮微氣囊可以用來機械地彎曲伸臂去夾前端的外來物品，如圖1A和1B。微氣囊有很好的特性並可承受大到10atm的壓力。這種微氣囊在人腦血管中試驗過。如圖1A，1B和2，大致標在10的氣囊驅動微抓爪包括一對頜板，一對爪臂或稱爪組件11，12，其上有一組開槽的伸臂13，14，一個推墊15，16，及爪頭17，18。在某些應用裡可省略推墊。頜板或爪組件11，12在19處粘在一起，或用其它方法固定在一起。一個像氣囊20的可膨脹裝置放在爪組件11和12中間並接上傳送管或導管21，它沿氣囊通道22(見圖2)伸出，通過導管供應驅動液或氣來驅動(膨脹)氣囊20。推墊15，16是氣囊的著力點23(見圖2)；全部脹起時，氣囊的端頭會伸入推墊間，如圖1A所示。
如圖1A所示，當氣囊20在非驅動(沒膨脹)位置時，爪頭15，16也在非驅動位置。當氣囊20驅動膨脹時，爪組件11，12的外端在開槽伸臂13，14處自外彎曲使爪頭17，18分開，其中的材料24便可以出來，如圖1B。
爪組件11，12可由矽、鋁、鎳或其它合用的金屬，聚四氟乙稀或其它合用的聚合物及陶瓷製成，長度在0.8mm到1.5mm，寬度和合起來的高度最好小於250μm。氣囊20可以是個聚矽酮微氣囊，它可承受10個大氣壓，壓力由管21提供，它可由聚四氟乙烯或其它穩定的塑料製成，其直徑在80到400μm之間。氣囊20可以被其它膨脹裝置代替。粘合處可以由選擇的低共熔接合，舉例來說。推墊15，16的厚度舉例為20到40μm，爪頭17，18厚90到150μm長度是50到150μm。開槽的伸臂13，14可有3到10個，寬5到100μm，長50到500μm的槽。伸臂的槽可以是直的也可以沿長度方向漸細。製做爪組件的材料11，12在相關的液體和化學品中必須是穩定的。
圖3A和3B的實施例用到一對SMA薄膜起動折葉來依照膜所處溫度開合爪臂或爪組件。圖3A，3B中的SMA薄膜也可以用夾在聚醯亞氨層中的加熱器代替，它膨脹並彎曲夾或爪的伸臂。
如圖3A，3B，一般以標碼30代表的微抓爪由一對，比如矽片做的，爪臂或爪組件31，32組成，每一臂上有一個截面減薄的區域33，34和一對向內方安放的爪頭35，36(圖中只畫出一個)它們持住材料或部件37，如一個小鉑盒的幹(stem)(見圖3A)。薄膜38，39安在爪組件31，32上靠近減薄區33，34的地方，膜38，39由SMA或上述的聚醯亞氨構成。爪組件31，32也設有推墊40，41。在加熱器(未畫)加熱薄膜時，膜膨脹致使爪組件31，32在區域33，34處向外彎曲，爪頭35，36分開(見圖3B)，材料37移走。
舉例來講，爪臂或爪組件31，32可由矽或合適的金屬，聚合物或陶瓷製成，其寬度和整個合起的高度最好不超過250μm，其組件31，32的厚度在20到100μm之間，減薄區的厚度在5到15μm，爪頭35，36從組件31，32向內伸出的距離在20到50μm之間。例如，推墊40，41，的厚度在20到40μm，深(或稱高)度在30到100μm。若薄膜38，39由SMA構成的話，其組成可以是Ni-Ti，Ni-Ti-Cu或其它低溫SMA，厚度為2到5μm，若由聚醯亞氨構成，舉例來講，它有二個厚在3到10μm長300到500μm的層和一個夾在層間的Ti-Au加熱器。SMA膜38，39的加熱，舉例來講，由集成多晶矽加熱器或由圖9，10所描繪的SMA電阻直接加熱器或通過光纖的雷射加熱來完成。形狀記憶合金為人熟知，1991年10月29號，為J.D.Busch等人所發的文獻U.S.Patent No.5061914即為例證。
圖1A-1B，3A-3B的實施例也可用來取回材料或部件，如用來治療動脈瘤的鉑絲卷。這個實施例優於以前的微抓爪，它導電(見C.J.Kimetal，「Silion-Processecl Oueihanging Mierogripper」，Journal ofMicroelectromechanical Systems，Vol.1 No.1 pp.31-36，March 1992)可用來操作生物細胞或微型組裝部件。
圖4A-4B和5的實施例是個微抓爪，一個一般的開釋機械(圖4B)，其中SMA線用作閂來合上微抓爪(圖4A)，驅動時打開機械。如圖一般用標碼50代表的本實施例包括一對抓臂或爪組件51，52，大致和圖1A-1B中實施例的爪組件構造相同，同時還設有連鉤53，54，推墊55，56，和幾對爪頭57，58(每臂只畫出一個)。一個壓力薄膜59，60裝在爪組件51，52的口61，62處。連鉤53，54上有開口63，64(見圖5)，通過開口一個SMA絲65伸出(見圖4A)將爪組件51，52及壓力薄膜59，60合攏。在SMA線65動作時，線從連鉤53，54的開口63，64中抽出，如箭頭66所指(見圖4B)，壓力薄膜59，60膨脹引起爪組件51，52向外彎曲。在合位置(見圖4A)爪頭57，58把材料或部件67夾在中間，動作時或是說打開閂(連鉤53，54和SMA線65)時，爪頭57，58向外運動讓材料67移開。和圖1A-1B的實施例一樣，爪組件51，52在標碼68指示處粘在一起。
舉例來講，爪組件51，52，推墊55，56和爪頭57，58可以像上述圖1A-1B實施例那樣構造成形。連鉤53，54由矽，金屬，聚合物或陶瓷組成然後再用微加工方法固定，它高80到200μm，寬200到500μm，開口63，64有一個80到380μm的截面，寬180到480μm，它也可以不做成方形。SMA線65可由Ni-Ti-Cu，Ni-Ti或Ni-Ti-Hf構成，它具有和連鉤53，54開口63，64相應的截面和構形。壓力薄膜59，60可以由矽，摻雜多晶矽或聚合物構成，其厚度為3到8μm，截面是250×250或250×400μm。
圖6表示有兩個SMA微線圈的微抓爪，一個線圈抓住鉑絲卷的幹，舉例說明，另一個把鉑絲卷向外推以確保釋放，微線圈固定在引線的一端上，基於導管的插入療法就是這樣用的。如圖6，兩個SMA線圈170，171固定在引線172的一端。比線圈171截面和直徑更大的線圈170包圍著線圈171和鉑絲卷173的幹，舉例說明，並持或抓住幹173。線圈171在引線172的端頭174和幹173的端頭175之間伸展。在一般情況下線圈170持住幹173不動，動作時線圈171膨脹將幹173推出線圈170。
舉例來講，大線圈170可以由直徑50到70μm的SMA線來製成，圈數為10到15圈，其組成是Ni-Ti，Ni-Ti-Cu或Ni-Ti-Hf。小線圈171可以由直徑30到50μm的SMA線來制，圈數為5-10圈，其組成是Ni-Ti，Ni-Ti-Cu或Ni-Ti-Hf。微線圈170和171可以用粘或焊等方法固定在引線172上。
圖7中的優選實施例用了矽結構和SMA薄膜的組合併設有一個線套來輸入信號。這個實施例給出一個微抓爪它可以在低溫下(＜100℃)被局域驅動，有大的抓力(10到40mN)，相對剛性的體結構和功能設計上的靈活性。這個微抓爪還能鎖住抓目標物。微爪的驅動力由，舉例來講，Ni-Ti-Cu形狀記憶合金薄膜產生，導出的應力可使微抓爪的每一邊彎曲55μm，整個形成一個110μm的抓動作。這開動作相應一個20mN的爪頭開力。此外微抓爪可以在液態環境下工作。開頜，推墊和空通道是由精細的鋸加工結合矽塊的機加工而成。而塊的預加工過的矽片被精確定向並選擇粘接，這要用到Au-Si低共熔方法它涉及在片上對準一塊掩模，透過掩模向準備粘接部分的蒸發，後面結合圖8將做詳細描述。圖7中的微抓爪尺寸是1mm×200μm×380μm，有一對厚12.5μm的矽伸臂，5μm厚的Ni-Ti-Cu SMA薄膜置於伸臂或抓臂的外側為微抓爪提供驅動力。SMA薄膜能產生高達500MPa的驅動應力，其轉變溫度介於30℃到70℃，這低於所有已知的熱雙態微抓爪的工作溫度。為實驗驗證，微抓爪被外熱驅動並準備錄像帶來演示開合動作。
現在來看圖7中所示的一個特殊實施例，一般以標碼70代表的微抓爪有一對矽伸臂，抓臂或爪組件71，72，每一組件71和72上有一個30μm寬的推墊分別標以73和74，還有一對形如60×110×100μm3的抓頜或爪頭75，76。爪組件71，72在交接面77處以Au-Si低共熔法粘接在一起，外表面或外側還有一塊SMA薄膜78，79。伸臂或爪組件71，72在粘接面77處有一個寬110μm的中空通道，它和導管的一端有聯繫，比如，微抓爪就安在導管上。微抓爪70安在大致標為81處的線套上，以輸入信號。
前面已定下了爪組件71，72，SMA薄膜78，79，低共熔粘接77的構成及微抓爪70的尺寸。舉例來講，推墊73，74厚為20到40μm，高為80到100μm；爪頭75，76高80到100μm，端截面70×150μm；中空通道80寬100到250μm高50到180μm。
圖1A-1B，3A-3B，4A-4B，和7，特別是7中微抓爪實施例的生產給予設計者一些依目標樣品構造爪頜的靈活性，它可用來作植物神經組織採樣器或作為處理微部件的導管尖端。微抓爪的外表面，特別是如圖7的，可以用來裝加熱器或應力傳感器以實行遠程加熱或可能的反饋控制，如後面圖9-12所描述的那樣。圖7實施例的中空通道有潛力接線或注射治療藥物。另一個重要優點是有對同一微抓爪結構使用不同驅動機制的可能，或用液壓式或用簡單的熱雙態式。為不同用途的許多實際微抓爪有創意的設計可以在此基礎上構想。生產過程可以高度自動化，微抓爪的批量生產可以降低製做成本。
圖7微抓爪的應用包括在製造過程中安裝小零件，最小侵擾的快速植物神經組織取樣，基於導管的管內療法，在極限條件下遠程處理小物件(高/低壓，有害液體等)。
圖7實施例的微製做可歸為塊的微機加工，精細較準，蝕刻和Ni-Ti-Cu SMA薄膜的沉積。如前所述，特別的如圖7型實施例的微抓爪尺寸是1000×200×380μm3。每一矽伸臂(72和73)厚125μm，5μm的Ni-Ti-Cu SMA薄膜(78和79)沉積在伸臂的外表面上以提供驅動力。推墊(73-74)寬30μm而爪頜(75-76)的尺寸是60×110×100μm3。中空通道80寬110μm高175μm。爪頜，推墊和中空通道是結合精細鋸加工，矽塊機加工方法成形的，可以批量生產。微抓爪和外引子及小端效應器(例如圖9)的連接需要組裝不能批量生產。然而現在正在努力開發組裝技術。
微抓爪的伸臂或爪臂(71-72)在兩塊矽片上製造。此過程從兩塊100μm厚(110)的P型矽片開始，它是從一個200到380μm總寬的矽片磨拋而成。通常為在矽片上做圖案和蝕刻用的罩膜是厚1000的氮化矽。
為準確的定出(111)平面相對於片表面關係，一般偏離2-3度，需作一個檢驗花樣。校準目標印在每一矽片上，用這個晶面認別花樣來確保下一步校準到正確的晶面。必須定出兩類校準目標，一種是為進行前後校正，另一種蝕刻在片上以為精確針機械校正(為低共熔連接用)提供孔。每片後都畫有格線(2μm深)。片的正面，畫出鋸切道引線以完成鋸加工形成矽伸臂(71-72)和推墊(73-74)。這些圖案用蝕刻矽表面1μm的線畫出。重又使用氮化矽罩膜後，既為爪頜(75-76)和中空通道(80)進行機加工。然後把矽片放到44％的KOH中腐蝕，得到深85μm的垂直壁。揭去氮化矽罩膜後，就可以開始精細鋸加工，如使用Kulicke Soffa公司的780-型精細鋸，其定位精度高達2.5μm。之所以選擇精細鋸加工是為了避免矽腐蝕的各向異性局限，若不做精心的角補償，並犧牲已形成的面各向異性使垂直壁腐蝕溝相互不能成90°角。既然兩個鋸口各自是200μm和400μm，鋸片選成200μm厚。寬鋸口(400μm)由相鄰的兩鋸切出。事先給鋸定好為推墊(73-74)留出30μm的寬度。為仔細控制切割深度有必要從片底為準來指標深度。另外最理想的是用粗表面來修磨鋸片以獲得垂直的邊。用矽片製成的矽伸臂或爪臂對現在可以粘接了。
圖7中伸臂或爪臂的粘接，舉例來講，是用Au-Si低共熔粘接法，它可在低溫(＜400℃)下選擇的粘接區內進行。如上所述，矽的細微結構如圖7的爪臂可以在兩個矽片上用微型機加工得出，然後用低共熔法粘接起來，這使設計者可設計出最小縫隙的微結構，它可以用作容量傳感器/驅動器及密封的微流動系統。
利用Au-Si低共熔粘接，如圖7所示的兩塊加工過的矽片組成的微結構，可像圖8所示那樣製做。在每個矽片做的伸臂上，用標碼83大略指示的，面積為500×500μm(舉例)的Ti/Au墊由在84處箭頭指示的電子束蒸汽通過影罩85，86沉積成形，如圖8所示。Ti層87是粘連層也是Au層88擴散的阻擋層。墊83的厚度，舉例來講，Ti(層87)500A，Au(層88)1μm。退火溫度在370℃到390℃之間，高於共熔點的363℃以保證接觸面液化。有必要在此溫度下保持五分鐘。影罩85-86目前是用在(100)矽片上腐蝕窗口製成。用校準影罩在矽片上位置的方法，只有鍍上Ti/Au的區域能粘接在一起。相配的矽片要有完全潔淨的粘接表面。然後片在低真空(一般10-4Torr)中壓在一起並在380℃下保持三分鐘(舉例)。Ti/Au低共熔粘接墊83的超聲圖像，透過一對兩英寸厚的矽片，顯示高度均勻的固體鍵形成了。Au-Si鍵的強度在拉伸強度試驗中進行了測量，九個低共熔鍵墊在拉應力5.5GPa下被拉開。在生產過程中加工鍵周圍區域時，低共熔鍵區完好無損。
在粘接過程中，用了精確直徑針的機械校準，以便控制過程和防止脆弱的伸臂顫動。粘好的伸臂對(71-72)現在可以拿去沉積SMA薄膜了(78-79)。
由Ni-Ti-Cu組成的SMA薄膜是用混合直流磁控管濺射沉積法製成的。混合濺射方法的細節見於1995年6月1日入檔的申請文獻No.08/458,051，題目是「Multiple Source Deposition of Shape-Memory AUoyThin Films」。在此濺射方法裡，三個獨立的靶用來濺射合金以便於獨立的控制能量從而主動地決定合金的成份。薄膜在505℃沉積，使其能在原地退火消除殘餘應力。開始SMA膜在圖7中伸臂(71-72)外側或外表面依次沉積，舉例來講，這樣有一面就要在505℃溫度下退兩次火，但最好在伸臂粘接前做SMA薄膜沉積以減小膜內的熱應力。下面給出生產如圖7所示的微驅動器的簡要的過程順序a)做出晶面檢測標記，校正目標和校正孔。
b)做出鋸切口引線。
c)做出沿(111)面方向的矽腐蝕道。
d)用KOH對矽腐蝕道進行各向異性的腐蝕。
e)把影罩在片上校準，做Ti/Au膜的沉積。
f)機械的針校準和380℃和10-4Torr下的低共熔粘接(3分鐘)g)在兩側的Ni-Ti-Cu薄膜磁控管濺射沉積且原地退火，溫度為505℃。
h)切出單個的微抓爪。
圖7中的微抓爪是由直流磁控管濺射的Ni-Ti-Cu SMA膜驅動的。形狀記憶驅動基於晶體的相變，其低溫相(馬氏體)通過雙晶易於來回變形，它的高溫相(奧氏體)有著剛性的構形。Ni42Ti50Cu8合金正好在體溫(37)上相變，使得它能在可植入的醫療裝置發揮作用，它又較Ni-Ti二元系有較窄的滯後，提高了效率，改善了反應時間。另外銅的加入使相變溫度對膜的組份的敏感度下降。
在微抓爪的應用中，驅動力是通過記憶膜中殘餘張應力的恢復達成的，數據可通過測量物體的彎曲對溫的函數來得到。在500℃沉積的膜當沉積後冷卻時產生了熱張力。當冷到低於馬氏體相變開始的溫度時，膜中的熱應力被與雙晶有關的形變鬆懈掉。把膜加熱可恢復熱張力。於是矽微抓爪伸臂的行為像個偏心眼的彈簧，加熱時形狀記憶膜收縮打開微抓爪，冷卻時記憶膜伸張微抓爪返回到中性位置。具有大到500MPa恢復力的膜已經沉積出，但用於圖7中伸臂的膜，舉例來講，有375MPa的恢復力。Ni-Ti-Cu膜產生的張力的測試是由Tencor FLX-2320雷射系統完成的，它測量膜在矽基片上引起的彎曲，再換算成張力。
為估計Ni-Ti-Cu SMA膜產生的夾力，一個在端頭有打開力的等價模型提了出來。用一個雙金屬應力杆，Ni-Ti-Cu膜的應力和爪頭偏移的關係可以求出。對一個5μm厚的膜算得的偏移是53μm。實驗結果顯示充分驅動時爪頭張開55μm。用等價模型，需用20mN的力可使微抓爪偏移55μm。於是有一個40mN(每伸臂20mN)加在全開的微抓爪上。
圖7中微抓爪的加熱用的是製做在薄膜上的集成電路電阻加熱片，在圖10和11中有詳細描述。加熱片放在微抓爪伸臂上並加上電流，熱量從加熱器傳到矽抓爪伸臂上使Ni-Ti-Cu膜產生相變。於是實現了SMA膜的遠程主動加熱。
圖7中的微抓爪還被裝上了反饋控制用的應力傳感器。如後面對照圖12的描述。
圖9，9A和9B顯示圖7中微抓爪在導管上的安裝。和圖7類似的組件給予相應的參考碼。微抓爪70通過SMA膜電阻加熱器和線套81電連接。加熱器在伸臂71上標碼90大致指示的位置其上的接觸片91，92通過導線93，94連在粘在聚醯亞胺組件99上的導電膜97，98(如銅)上的接觸片95，96上，組件99是大致標在100的電輸入帶100的一個部分。如導線93′，94′所示，同樣的電阻加熱器和電連接布置設在微抓爪70的伸臂72和線套81上聚醯亞胺組件的導電膜之間。聚醯亞胺組件99，99′及相連的銅膜連在條100的絕緣導線101/102和101′/102′上，處於導管103中(見圖9A)。聚醯亞胺組件99和99′包括突出端部分104和104′，如箭頭105所示，伸進微抓爪70的中空通道80。線套81′被一個熱縮管106(見圖9B)固定在微抓爪70上。
圖9中裝在微抓爪70伸臂71、72上的電阻加熱器可以顯示於圖10，10A和10B的類型也可以是示於圖11、11A和11B的類型，它們都有壓力電阻反饋能力。
在圖10的實施例中，電阻加熱器90包括接觸片91、92，如圖9中那樣，電阻線107和片91電連接，電阻線108和片92電連接。圖10A是放大了的圖10的截面，它包括矽梁(伸臂71)，電阻加熱器90的SMA電阻線107，108，線間是氧化層109和110，上面是多晶矽層111和112，再往上是SMA薄膜78的截面，氧化層或保護層113覆蓋其上。圖10B是個放大的圖10實施例的側視截面。
圖11，11A和11B中的電阻加熱器和圖10中的實施例大致相同，使用類似的參照碼。圖11中電阻加熱器90包括接觸片91和92，電阻線107連在片91上，電阻線108連在片92上，有如圖10中的實施例。圖11A是放大了的圖11的截面，它包括一個矽梁(伸臂)71，氧化層114。兩個多晶矽層115和116，其上沉積了氧化層117和118，SMA薄膜層78和一個氧化層或保護層113。圖11B是放大了的圖11實施例的側視截面。
圖12顯示圖7實施例中微抓爪的一個力反饋控制系統，類似的組件採用相應的參照碼。在伸臂71上沉積一層感應膜120，把它通過應變應力轉換器121，如前所述，連在指定力指示器122上，它的輸出直接通過信號處理器(放大器)123到達驅動膜(SMA膜78)。雖沒畫出，下面的伸臂72也有相同的設置。
可以修改圖7的實施例以提供一種液壓/輸液系統，如圖13所示。這裡微驅動器70′的伸臂125和126各裝有SMA薄膜127和128。伸臂125和126被一個有開口的斷面連在一起(未畫出)。微囊BO置於伸臂125和126端頭131和132之間，另一端133和134設有爪頭或頜135和136。驅動時，如箭頭所示，伸臂的端131/132向內移動，端133和134向外移動，微囊130中的液體受到壓迫，如箭頭137所示，於是輸送出液體137到使用地點。
可見本發明提供了一個機電微機械系統(無論是矽基底集成電路還是精細微機械的)，它會，舉例來講，擴展和改進基於導管的插入修整腦中動脈動脈瘤療法的應用或其它臨床插入療法的應用。本發明的微抓爪，除醫用外，還有非醫學用途，如微裝配，遠程地精細操縱小物件，它具有在250μm直徑小區域內操作的能力，如在小血管中。
在前面個別的實施例，材料，參數等被定下來以說明本發明，這不意味著限制。在內行眼裡修改是自然的，本發明只限於所附權利要求書所要求的範圍。
權利要求
1.一種微機械系統，它包括一個導管，它有插入身體並在其中操作的遠端和一個為使用者提供在所述身體中控制所述遠端的所述操作的近端；一條裝在導管內的光纖纜，它有一個靠近導管所述遠端的遠端和一個從外部耦合雷射能量的近端；一個連在導管上所述遠端的微抓爪，用來在所述身體內抓放物件；一個雷射機械能轉換器，它被連接以便從光纖纜所述遠端接收雷射，並被連接以便機械驅動所述微抓爪。
2.如權利要求1所述的微機械系統，其特徵在於它還包括一個電子傳感器，它被連接以便從光纖的所述遠端接收電能並被連接以便提供微抓爪所處具體物理環境的信號信息，通過光纖纜與外部使用者交流。
3.如權利要求2所述的微機械系統，其特徵在於所述傳感器至少探測下述各項中的一項縫隙距離、pH、化學、位置、加速度、壓力、溫度、周圍的光、周圍的聲和錄像畫面。
4.如權利要求1所述的微機械系統，其特徵在於它還包括一個接在光纖纜所述遠端的機械傳感器，接通用來提供微抓爪所處具體物理環境的光信號信息，通過光纖纜與外部使用者交流。
5.如權利要求4所述的微機械系統，其特徵在於所述傳感器至少探測下述各項中的一項縫隙距離、pH、化學、位置、加速度、壓力、溫度、周圍的光、周圍的聲和錄像畫面。
6.如權利要求1所述的微機械系統，其特徵在於所述雷射機械能轉換器包括一個光電池，它響應光纖纜接到的雷射產生電能，它還包括一個電機械馬達，機械地相連以驅動微抓爪。
7.如權利要求1所述的微機械系統，其特徵在於所述雷射機械能轉換器包括一個機械相連的熱敏光熱材料，它被機械連接以便響應光纖纜在所述近端接收並傳到所述遠端的雷射來驅動微抓爪。
8.如權利要求1所述的微機械系統，其特徵在於所述雷射機械能轉換器包括一個電容器，它被電連接以便響應光纖纜在所述近端接收並傳到所述遠端的雷射向電機械馬達放電，電機械馬達機械相連以驅動微抓爪。
全文摘要
一個用於醫療過程的微機械系統以導管(103)基本形式建立起來,導管有個插入體內並在其中操作的遠端和一個為使用者控制體內遠端操作而設的近端。一束光纖置於導管中,它有一個靠近導管遠端的遠端和一個為耦合外部雷射能量而設的近端。連接一個微型抓爪(70)連在導管的遠端上用來抓放體內的物件。一個雷射機械能轉化器以便接收光纖纜遠端的雷射和機械地驅動微抓爪。
文檔編號B81B3/00GK1248897SQ98802838
公開日2000年3月29日 申請日期1998年3月2日 優先權日1997年3月6日
發明者約瑟夫·P·菲奇, 卡爾拉·哈根斯, 羅伯特·E·克拉夫, 丹尼斯·L·馬修斯, 亞伯拉罕·P·李, 彼得·A·克魯列維奇, 威廉·J·貝尼特, 路易斯·B·達席爾瓦, 彼得·M·塞利爾斯 申請人:加利福尼亞大學董事會