內嵌鎳絲雙菱型結構加熱式驅動su－8基體微鉗的製作方法

2023-05-13 15:29:21 2

專利名稱：內嵌鎳絲雙菱型結構加熱式驅動su－8基體微鉗的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微機電技術領域的裝置，特別是一種內嵌鎳絲雙菱型結構加熱式驅動SU-8基體微鉗。
背景技術：
隨著微機電技術的發展，微加工、微裝配過程中，微零件的拾取、操作和搬運都離不開微夾持技術。微夾持器作為一種重要的通用微操作工具，其研究得到世界各國學者的普遍關注，大量新型微夾持器不斷出現，它們在動作原理、驅動方式、機構等方面各有特色。驅動方式主要有靜電驅動、熱驅動、表面張力和壓電效應驅動等。其中，熱驅動方式又可分為雙金屬熱致動、熱膨脹致動、熱氣動等。考慮到微夾持器的力學和運動學要求，製造工藝和製造材料也複雜多樣，如利用電激勵的多晶矽微鑷子，利用LIGA技術製造的毫米量級微鑷子，基於體矽微加工工藝的靜電驅動的微夾持器等。
經對現有技術的文獻檢索發現，已有兩種形式的微夾持器，其一是基於體矽工藝的靜電驅動的微夾持器，李玉和、李勇等人在中國專利《基於體矽工藝的微夾持器設計》(申請(專利)號02153484.5)上提出一種靜電致動微夾持器，其特徵在於以靜電作為驅動力源，夾持器由驅動電極、柔性結構、動梳齒、定梳齒、限位塊、微夾持臂和底板組成；其二，李德選等人在期刊《機械設計》(2004年12月第21卷第12期)發表的《一種適用於微操作的驅動技術》，提出一種基於壓電效應驅動的微夾持器，各種金屬材料的壓電陶瓷驅動的微尺寸夾鉗和微尺度操作夾鉗的設計相繼出現。但是採用熱驅動方式有其自身優勢，除了可以提供較大的驅動力，而且還具有驅動電壓低、變形大、結構簡單、易於集成製造等優點。

發明內容
本發明針對現有技術的不同驅動方式與選擇材料不同，提供一種內嵌鎳絲雙菱型結構加熱式驅動SU-8基體微鉗。本發明結構簡單、可靠性高，選用材料SU-8膠是一種負性、環氧樹脂型、近紫外線光刻膠，具有良好的力學性能、抗化學腐鈾性和熱穩定性，適於制超厚、高深寬比的MEMS微結構。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括SU-8主體外框架、內層上菱形SU-8腔體、雙菱型鎳絲、內層下菱形SU-8腔體、SU-8主體與基底連接座。
所述SU-8主體外框架包括帶鋸齒狀結構的梯形右鉗體、右上柔性凹槽結構、雙菱形外框、左上柔性凹槽結構、帶鋸齒狀結構的梯形左鉗體、左下柔性凹槽結構、主體支撐座、右下柔性凹槽結構，連接關係為帶鋸齒狀結構的梯形右鉗體、右上柔性凹槽結構、雙菱形外框、左上柔性凹槽結構、帶鋸齒狀結構的梯形左鉗體、左下柔性凹槽結構、主體支撐座、右下柔性凹槽結構依次按逆時針次序相連，構成SU-8主體外框架，SU-8主體外框架通過SU-8主體與基底連接座黏附在基底上；SU-8主體與基底連接座通過主體支撐座與SU-8主體外框架相連，內層上菱形SU-8腔體、內層下菱形SU-8腔體通過雙菱型鎳絲與SU-8主體外框架相連。
所述雙菱型鎳絲包括雙菱型鎳絲上卡座、上菱型鎳絲腔體、雙菱型鎳絲上下連接體、下菱型鎳絲腔體、雙菱型鎳絲下卡座，連接關係為雙菱型鎳絲上卡座、上菱型鎳絲腔體、雙菱型鎳絲上下連接體、下菱型鎳絲腔體、雙菱型鎳絲下卡座依次按逆時針次序相連，構成雙菱形鎳絲。雙菱形鎳絲通過雙菱型鎳絲上卡座、雙菱型鎳絲下卡座內嵌在SU-8主體外框架的雙菱形外框。
所述內層上菱形SU-8腔體包括內層上菱形SU-8腔體右卡槽、內層上菱形SU-8主體結構，連接關係為內層上菱形SU-8腔體通過內層上菱形SU-8腔體右卡槽內嵌在上菱形鎳絲腔體。
所述內層下菱形SU-8腔體包括內層下菱形SU-8主體結構、內層下菱形SU-8腔體左卡槽，連接關係為內層下菱形SU-8腔體通過內層下菱形SU-8腔體左卡槽內嵌在下菱型鎳絲腔體。
本發明上述結構採用的材料分別是雙菱形鎳絲採用的材料為鎳；其他各組成部分採用的材料均為SU-8光致抗蝕劑。
本發明使用時，驅動信號從適配電源發出，通過電源線分別加載在雙菱形鎳絲上卡座、雙菱形鎳絲下卡座，加熱雙菱形鎳絲，從而加熱嵌套雙菱形鎳絲的SU-8雙菱形外框和內層上菱形SU-8腔體、內層下菱形SU-8腔體，SU-8膠受熱膨脹，通過左上柔性凹槽結構和右上柔性凹槽結構，帶動帶鋸齒狀結構的梯形左鉗體和帶鋸齒狀結構的梯形右鉗體的沒有鋸齒結構的末端向外擴張，由於固結在主體支撐座上的左下柔性凹槽結構、右下柔性凹槽結構提供了轉動支點，帶動帶鋸齒狀結構的梯形左鉗體和帶鋸齒狀結構的梯形右鉗體的鋸齒端向內收縮，夾起物體。移動至目標地，斷開電源，SU-8膠體自然冷卻，帶動帶鋸齒狀結構的梯形左鉗體和帶鋸齒狀結構的梯形右鉗體的末端向內回縮、鋸齒前端向外伸張，放開物體，實現夾持功能。
本發明中的四個柔性凹槽結構，可以有效緩釋結構在舒張和回縮過程中的應力作用。SU-8主體外框架、內層上菱形SU-8腔體、內層下菱形SU-8腔體、雙菱形鎳絲，採用微細加工(光刻、濺射、電鑄等)工藝實現。SU-8主體與基底連接座和SU-8主體外框架的懸空結構的實現採用的是AZ系列光刻膠的犧牲層技術。夾持功能的實現是通過通電雙菱形鎳絲，從而使以雙菱形鎳絲為中間層的類似三明治結構的雙菱形外框和內層上菱形SU-8腔體、內層下菱形SU-8腔體的SU-8膠體熱脹冷縮，夾緊或鬆開待移動的目標物體。
在本發明中，微鉗的製備工藝，採用MEMS微加工工藝，犧牲層工藝製備SU-8膠主體外框架，雙菱形鎳絲採用UV-LIGA的微電鑄鎳工藝實現。
本發明的目的是提供一種結構新穎、熱驅動以及操作方法簡單，一種具有冷卻後自動復位的可重複操作的微執行器。
本發明中，「結構新穎」是指熱驅動結構採用的是雙菱形外框和內層上菱形SU-8腔體、內層下菱形SU-8腔體內嵌雙菱形鎳絲的類三明治結構。
本發明中，「熱驅動」是指驅動方式採用的是熱膨脹式，加熱鎳絲，從而使內外層雙菱形SU-8膠體受熱，膨脹，推動兩側鉗角後端向外伸張、鉗角鋸齒前端向裡收縮夾持物體。
本發明中，「冷卻後自動復位」是指待夾持物體移動至目標地後，斷開驅動電源，內外層雙菱形SU-8膠體自然冷卻，鬆開物體，恢復初始狀態。
本發明的優點是提供了基於SU-8膠為主體的結構新穎、操作簡單的熱驅動的具有冷卻後自動復位的可重複操作的功能的微鉗。本發明提供的熱驅動，具有簡單易實現的特點，提供的基於SU-8膠體的鉗體結構，具有良好的力學性能、抗化學腐蝕性和熱穩定性，滿足靈活抓取目標物體的夾持器的力學和運動學要求，滿足穩定和安全的抓取力要求，可用於微機電領域中對微米或亞微米尺度的對象進行姿態位置改變、或進行某些微加工操作。


圖1為本發明結構示意2為本發明SU-8主體外框架示意3為本發明雙菱型鎳絲示意4為本發明內層上菱形SU-8腔體示意5為本發明內層下菱形SU-8腔體示意6為本發明SU-8主體與基底連接座示意圖具體實施方式
如圖1、圖2、圖6所示，本實施例包括SU-8主體外框架1、內層上菱形SU-8腔體2、雙菱型鎳絲3、內層下菱形SU-8腔體4、SU-8主體與基底連接座5。
所述SU-8主體外框架1包括帶鋸齒狀結構的梯形右鉗體6、右上柔性凹槽結構7、雙菱形外框8、左上柔性凹槽結構9、帶鋸齒狀結構的梯形左鉗體10、左下柔性凹槽結構11、主體支撐座12、右下柔性凹槽結構13，連接關係為帶鋸齒狀結構的梯形右鉗體6、右上柔性凹槽結構7、雙菱形外框8、左上柔性凹槽結構9、帶鋸齒狀結構的梯形左鉗體10、左下柔性凹槽結構11、主體支撐座12、右下柔性凹槽結構13依次按逆時針次序相連，構成SU-8主體外框架1。SU-8主體外框架1通過SU-8主體與基底連接座5黏附在基底上。SU-8主體與基底連接座5通過主體支撐座12與SU-8主體外框架1相連，內層上菱形SU-8腔體2、內層下菱形SU-8腔體4通過雙菱型鎳絲3與SU-8主體外框架1相連。
如圖3所示，所述雙菱型鎳絲3包括雙菱型鎳絲上卡座14、上菱型鎳絲腔體15、雙菱型鎳絲上下連接體16、下菱型鎳絲腔體17、雙菱型鎳絲下卡座18，連接關係為雙菱型鎳絲上卡座14、上菱型鎳絲腔體15、雙菱型鎳絲上下連接體16、下菱型鎳絲腔體17、雙菱型鎳絲下卡座18依次按逆時針次序相連，構成雙菱形鎳絲3，雙菱形鎳絲3通過雙菱型鎳絲上卡座14、雙菱型鎳絲下卡座18內嵌在SU-8主體外框架1的雙菱形外框8。
如圖4所示，所述內層上菱形SU-8腔體2包括內層上菱形SU-8腔體右卡槽19、內層上菱形SU-8主體結構20，連接關係為內層上菱形SU-8腔體2通過內層上菱形SU-8腔體右卡槽19內嵌在上菱形鎳絲腔體15。
如圖5所示，所述內層下菱形SU-8腔體4包括內層下菱形SU-8主體結構21、內層下菱形SU-8腔體左卡槽22，連接關係為內層下菱形SU-8腔體4通過內層下菱形SU-8腔體左卡槽22內嵌在下菱型鎳絲腔體17。
本實施例中，熱驅動結構採用的是雙菱形外框8和內層上菱形SU-8腔體2、內層下菱形SU-8腔體4、內嵌雙菱形鎳絲3的類三明治結構。
本實施例中，微鉗的上述結構採用的材料分別是雙菱形鎳絲3採用的材料為鎳；其他各組成部分採用的材料均為SU-8光致抗蝕劑。
驅動信號從適配電源發出，通過電源線分別加載在雙菱形鎳絲上卡座14、雙菱形鎳絲下卡座18，加熱雙菱形鎳絲3，從而加熱嵌套雙菱形鎳絲的SU-8雙菱形外框8和內層上菱形SU-8腔體2、內層下菱形SU-8腔體4，SU-8膠受熱膨脹，通過左上柔性凹槽結構9和右上柔性凹槽結構7，帶動帶鋸齒狀結構的梯形左鉗體10和帶鋸齒狀結構的梯形右鉗體6的沒有鋸齒結構的末端向外擴張，由於固結在主體支撐座12上的左下柔性凹槽結構11、右下柔性凹槽結構13提供了轉動支點，帶動帶鋸齒狀結構的梯形左鉗體10和帶鋸齒狀結構的梯形右鉗體6的鋸齒端向內收縮，夾起物體。移動至目標地，斷開電源，SU-8膠體自然冷卻，帶動帶鋸齒狀結構的梯形左鉗體10和帶鋸齒狀結構的梯形右鉗體6的末端向內回縮、鋸齒前端向外伸張，放開物體，實現夾持功能。
本實施例中的四個柔性凹槽結構，可以有效緩釋結構在舒張和回縮過程中的應力作用。SU-8主體外框架1、內層上菱形SU-8腔體2、內層下菱形SU-8腔體4、雙菱形鎳絲3，採用微細加工光刻、濺射、電鑄等工藝實現。SU-8主體與基底連接座5和SU-8主體外框架1的懸空結構的實現採用的是AZ系列光刻膠的犧牲層技術。夾持功能的實現是通過通電雙菱形鎳絲3，從而使以雙菱形鎳絲3為中間層的類似三明治結構的雙菱形外框8和內層上菱形SU-8腔體2、內層下菱形SU-8腔體4的SU-8膠體熱脹冷縮，夾緊或鬆開待移動的目標物體。
在本實施例中，微鉗的製備工藝，採用MEMS微加工工藝，犧牲層工藝製備SU-8膠主體外框架1，雙菱形鎳絲3採用UV-LIGA的微電鑄鎳工藝實現。
權利要求
1.一種內嵌鎳絲雙菱型結構加熱式驅動SU-8基體微鉗，包括SU-8主體外框架(1)、內層上菱形SU-8腔體(2)、雙菱型鎳絲(3)、內層下菱形SU-8腔體(4)、SU-8主體與基底連接座(5)，其特徵在於所述SU-8主體外框架(1)由帶鋸齒狀結構的梯形右鉗體(6)、右上柔性凹槽結構(7)、雙菱形外框(8)、左上柔性凹槽結構(9)、帶鋸齒狀結構的梯形左鉗體(10)、左下柔性凹槽結構(11)、主體支撐座(12)、右下柔性凹槽結構(13)依次按逆時針次序相連構成，SU-8主體外框架(1)通過SU-8主體與基底連接座(5)黏附在基底上，SU-8主體與基底連接座(5)通過主體支撐座(12)與SU-8主體外框架(1)相連，內層上菱形SU-8腔體(2)、內層下菱形SU-8腔體(4)通過雙菱型鎳絲(3)與SU-8主體外框架(1)相連；所述雙菱型鎳絲(3)由雙菱型鎳絲上卡座(14)、上菱型鎳絲腔體(15)、雙菱型鎳絲上下連接體(16)、下菱型鎳絲腔體(17)、雙菱型鎳絲下卡座(18)依次按逆時針次序相連構成，雙菱形鎳絲(3)通過雙菱型鎳絲上卡座(14)、雙菱型鎳絲下卡座(18)內嵌在SU-8主體外框架(1)的雙菱形外框(8)；所述內層上菱形SU-8腔體(2)包括內層上菱形SU-8腔體右卡槽(19)、內層上菱形SU-8主體結構(20)，連接關係為內層上菱形SU-8腔體(2)通過內層上菱形SU-8腔體右卡槽(19)內嵌在上菱形鎳絲腔體(15)；所述內層下菱形SU-8腔體(4)包括內層下菱形SU-8主體結構(21)、內層下菱形SU-8腔體左卡槽(22)，連接關係為內層下菱形SU-8腔體(4)通過內層下菱形SU-8腔體左卡槽(22)內嵌在下菱型鎳絲腔體(17)。
2.根據權利要求1所述的內嵌鎳絲雙菱型結構加熱式驅動SU-8基體微鉗，其特徵是所述雙菱形鎳絲(3)，其材料為鎳。
3.根據權利要求1所述的內嵌鎳絲雙菱型結構加熱式驅動SU-8基體微鉗，其特徵是所述SU-8主體外框架(1)、內層上菱形SU-8腔體(2)、內層下菱形SU-8腔體(4)、SU-8主體與基底連接座(5)，這些部件的材料均為SU-8光致抗蝕劑。
4.根據權利要求1所述的內嵌鎳絲雙菱型結構加熱式驅動SU-8基體微鉗，其特徵是所述雙菱形外框(8)和內層上菱形SU-8腔體(2)、內層下菱形SU-8腔體(4)、內嵌雙菱形鎳絲(3)構成類三明治結構的熱驅動結構。
全文摘要
一種微機電技術領域的內嵌鎳絲雙菱型結構加熱式驅動SU－8基體微鉗。本發明包括SU－8主體外框架、內層上菱形SU－8腔體、雙菱型鎳絲、內層下菱形SU－8腔體、SU－8主體與基底連接座。SU－8主體外框架由帶鋸齒狀結構的梯形右鉗體、右上柔性凹槽結構、雙菱形外框、左上柔性凹槽結構、帶鋸齒狀結構的梯形左鉗體、左下柔性凹槽結構、主體支撐座、右下柔性凹槽結構依次按逆時針次序相連構成；雙菱型鎳絲由雙菱型鎳絲上卡座、上菱型鎳絲腔體、雙菱型鎳絲上下連接體、下菱型鎳絲腔體、雙菱型鎳絲下卡座依次按逆時針次序相連構成。本發明具有結構新穎、安全可靠、熱驅動以及操作方法簡單的優點，具有冷卻後自動復位的可重複操作的功能。
文檔編號B25J15/00GK1931529SQ200610116620
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月28日 優先權日2006年9月28日
發明者張衛平, 張忠榕, 陳文元 申請人:上海交通大學