一种静电致动微夹持器 【技术领域】
本发明涉及一种静电致动微夹持器，用于微操作系统、微小机器人以及生物基因工程的微装配、微焊接以及细胞等微小物体的搬迁操作，属于微机电系统(MEMS：Microelectro-mechanical Systems)领域。背景技术
微机电系统(MEMS)是指可批量制作、集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路以及接口、通信和电源等于一体的微系统。MEMS不仅可以降低系统成本，而且还可以完成许多传统的大尺寸机电系统所无法完成的任务，如微观对象灵活操作。微夹持器是MEMS的关键组成部分，是沟通宏观与微观世界的基本工具。在精密仪器、生物医学、航空航天及军事领域都有着广泛的应用前景。微夹持器按照驱动方式划分可分为压电驱动、热驱动、电驱动等类型。
美国专利4,666,198号所设计的压电薄膜驱动微夹持器，为20mm，宽5mm，微夹持臂厚28μm，在外加电压为50V，微夹臂的尖端位移为0.35mm，夹持力可达19mN。此类微夹持器采用两片相同的沿厚度方向极化过的压电陶瓷片粘结在一起形成的夹持臂，或者将其中的一片陶瓷由金属代替。利用两层材料的收缩率不同，形成可以弯曲的层合梁功能元件作为微夹持臂。压电薄膜驱动微夹持器的优点是可以获得较大的微夹持臂偏转，夹持力大，控制方便，可以与IC工艺兼容。缺点是驱动电压较高以及薄膜开裂问题较为严重。
美国专利5,172,950号所设计的内置电热元件微夹持器，采用了双金属层合梁作微夹持臂，电阻型加热元件制作在微夹持臂中的型式。具有体积小、变形大、集成度高、力输出大、加工工艺与微细加工工艺兼容性较好的特点，但是响应速度慢，实用中需要闭环控制，因为易受环境因素的影响，控制困难。
美国专利5,722,989和4,944,717号所设计的电热驱动记忆合金/硅双层薄膜结构作为驱动元件，此类微夹持器采用硅微细加工工艺制备，具有结构简单，位移大、耗电小、响应速度相对较快地特点。但是仍然存在响应速度慢，控制困难的问题。
美国专利5,727,915号所设计的外置电磁源微夹持器，其夹持臂仅制作出电磁线圈，结构相对简单，制作工艺易于与IC工艺兼容。电磁力的大小取决于磁场强度的分布，微夹持器与电磁发生器的相对位置，以及微夹持臂中的电流强度，微夹持器的开合由微夹持器臂线圈中的电流方向决定。该夹持器具有结构简单、动作响应快、便于控制的特点但是存在直流功耗。由于需要外置电磁源，其应用范围受到很大限制。
由以上所述专利可知有的微夹持器存在响应速度慢，有的存在控制困难等缺点。发明内容
本发明的目的是提供一种响应速度快，控制方便，结构简单，夹持力大，夹持范围大，能耗低的微夹持器。
本发明静电致动微夹持器是以静电作为驱动力源，夹持器由驱动电极、柔性结构、动梳齿、定梳齿、限位块、微夹持臂和底板组成，驱动电极、定梳齿、限位块以键合方式固定在底板上，柔性结构为连续的S形结构，一端与驱动电极相连，一端与动梳齿相连，动梳齿的另一端与微夹持臂相连。在驱动电极、柔性结构、动梳齿、定梳齿、限位块和微夹持器的上表面都溅射有金属层，金属层应为易于与铝、金等金属导线压焊的材料如金。本发明静电致动微夹持器响应速度快，夹持力大，控制容易、制造方便。
本发明的工作原理是微夹持器的梳状驱动器的动、定梳齿分别施加不同的驱动电压，动梳齿在静电力驱动下带动微夹持臂摆动实现微夹持器的开合动作。
梳状静电驱动的单一梳齿模型如图3所示，梳齿间距为d，梳齿宽度为b，梳齿的厚度为t，动定梳齿的交叠长度为l，梳齿顶端与对应梳齿根部的间距为a。当动定梳齿间施加电压U时，两梳间x方向的静电力Fx可以表示为：Fx=ϵtU2d---(1)]]>式中：ε为介电常数。
单晶硅具有优良的机械性能，弹性模量达1.69×1011Pa。由于加工能力的限制，不能加工出尺寸很小的利于变形的微梁，如果直接采用直悬臂梁连接梳状驱动器与固定端，会在悬臂梁的固定端根部产生很大的应力，消耗了有限的夹持力，同时靠近固定端的梳齿产生的静电力对夹持臂驱动小，为了增大夹持力输出在设计中采用了图1中所示的S形柔性结构连接固定端与梳状驱动部分，以减小结构刚度，增大夹持力的输出。根据图1的布置方式则可提取夹持臂数学模型如图5所示，将梳状驱动部分简化成均布载荷p为：p=ϵU2d(2b+2d)---(2)]]>
设相邻的量节点为i、j(j＝i+1)，Lij、Iij、E表示i、j点之间梁的长度、惯性距和弹性模量。Xij、Yij表示j点在载荷作用下相对i点的x、y方向的位移，θij表示j点在载荷作用下相对i点的转角(如图5所示)。悬臂粱的最大尺寸为L，柔性单元的x方向长度为l，n个柔性结构串连，则驱动部分的长度Ld＝L-n×l。悬臂梁末端的变形量X、Y、θ，则：式中：
S形柔性结构的尺寸设计时，在保证加工质量的同时尽可能减小截面尺寸，以减小内应力。在夹持臂整体长度L一定的条件下，采用S结构的数量越多，夹持臂的刚度越小，有利于提高微夹持器的疲劳寿命，而驱动部分要相应减小。为了产生所需的夹持力和回复力，应选用合适的柔性单元的数量。
微夹持器的夹持力输出取决于静电驱动力Fd和微夹持臂变形阻力Fs。当微夹持臂在一定的某一驱动电压的作用下，产生夹持动作，微夹持臂随着变形量的增加其变形阻力也随之增加，微夹持臂达到最大位移(取决于限位结构或被夹持物尺寸)时，应变量一定，其因弯曲变形产生的阻力Fs一也定。因此微夹持器输出的夹持力Fg可以表示为：
Fg＝Fd-Fs (4)其中Fd由式(1)得出与输入电压U的平方成正比。附图说明
图1为本发明设计的静电致动微夹持器结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为单梳齿梳状静电驱动器模型；
图4为图3的俯视图；
图5为柔性微夹持臂数学模型；
图6为S形柔性结构数量与位移的关系；
图7为微夹持臂工作状态的电场强度分布；具体实施方式
如图2所示，本发明整体呈平面结构，由驱动电极11、12、13、14、15，柔性结构21、22，动梳齿32、34，定梳齿31、33、35，限位块41、42、43，微夹持臂51、52，底板6，金属键合层7等部分组成。驱动电极12和14分别与柔性结构21和22连接，并作为其固定端，柔性结构为连续的S形结构；驱动电极11、13和15与定梳齿31、33、35连接；柔性结构21和22分别与动梳齿32和34连接；动梳齿32和34分别为微夹持臂51和52的一部分；限位块41、42和43为孤立结构，分布在微夹持臂51和52的两侧；驱动电极(11、12、13、14、15)、定梳齿(31、33、35)、限位结构(41、42、43)通过键合方式与底板6连接，组成微夹持器的整体结构；金属键合层7附着在各个结构的上表面。
微夹持器的结构厚度为60μm；柔性结构宽度6μm，水平段长度12μm，垂直段长度120μm；梳齿长60μm，宽度6μm，深宽比达10∶1；梳齿间隙4μm，深宽比达15∶1，最大结构尺寸为2456μm；夹持臂开合范围为12～140μm。其它参数不变，采用不同数量S形柔性结构的微夹持器，依据式(1)～(3)可得出相同驱动条件下夹持力的输出，见表1。
表1 S形结构数量与夹持力输出(80V)
S结构 最大驱动力 最大开合量时 最大开合量时
数量 /μN 夹持臂所需动力/μN夹持力输出/μN
0 19.3 22.4 -
4 19.1 6.7 12.1
8 18.7 4.0 14.7
18 16.7 2.9 13.8
可见，引入S形结构对增大夹持力输出起到了关键的作用，采用直梁连接理论上梳状驱动器将不能驱动夹持臂到最大位移处，而仅用4个S形柔性结构就使微夹持力迅速增大至12.1μN。
驱动部分在微夹持器的整体尺寸中所占的比例越大，越有利于驱动，但是靠近微夹持臂根部的梳状对驱动贡献小。对整体长度一定的柔性结构和梳状驱动器，由式(1)～(3)可以得出图6所示不同数量S形结构的夹持臂位移特性曲线，可见柔性结构的数量有最佳值可供选择，对于本实施例为25个。但是随着柔性形结构的增多，驱动力响应减小，增加夹持力输出的效果不明显(参见表1)，而工艺难度迅速增加，本实施例中用了4个S形柔性结构。采用了柔性结构的微夹持器工作时的结构应力大大降低，大约是同样尺寸直梁的结构的1/4，增大夹持力输出能力的同时还改善了微夹持器的抗疲劳能力。
本实施例工作时微夹持臂应接地。为估计静电致动带来静电吸附问题，采用有限元方法进行微夹持器工作状态的电场分布仿真计算：首先按照设计的微夹持的几何尺寸建立微夹持器的形状函数，然后按照微夹持器的工作方式设定边界条件，考察梳状驱动器工作电压为100V(本夹持器在80V电压下无击穿现象)时对微夹持操作的影响，最后采用合适的算法、精度求解和结果处理。求得的计算结果如图7所示，微操作部位的场强近似为零，静电驱动不会对微操作造成负面影响。
本实施例采用体硅工艺制作，实现了大深宽比的梳状驱动结构，有效的增大了微夹持力。体硅工艺主要由光刻、键合、电感耦合等离子体蚀刻(ICP)等关键工艺组成，工艺步骤如下：
1)备片，硅片检查和清洗；
2)光刻硅片背面键合图形；
3)氢氧化钾腐蚀，键合台阶高度4μm；
4)硅片玻璃片键合；
5)硅片正面氢氧化钾腐蚀减薄至64μm；
6)划片；
7)结构图形光刻；
8)硅结构ICP蚀刻；
9)结构正面溅射金属Ti/Pt/Au，厚度300/300/2000。