基于双微悬臂梁结构的微型镊子.pdf

本发明公开了一种基于双微悬臂梁结构的微型镊子，包括基底、两个固定在该基底上的微悬臂梁。所述的微悬臂梁上设置有作为驱动载体的压电薄膜，所述基底设置有引出电极；所述电压控制模块产生外部电压，经引出导线传送到引出电极上，再经过导线的传输到达压电薄膜，控制所述压电薄膜及其微悬臂梁的变形、控制由两个微悬臂梁构成的微型镊子的开闭和夹持力。本发明以成熟的硅微加工技术为基础，根据压电材料的逆压电效应，来实现微小尺寸物体的夹持动作，工艺较为简单，兼容性好，操作方便，可立即投入实际应用，集成度高等突出优点，可广泛应用于微纳领域中。

1.  一种基于双微悬臂梁结构的微型镊子，包括基底、两个固定在该基底上的微悬臂梁，其特征是，所述的微悬臂梁上设置有作为驱动载体的压电薄膜，所述基底设置有引出电极；所述电压控制模块产生外部电压，经引出导线传送到引出电极上，再经过导线的传输到达压电薄膜，控制所述压电薄膜及其微悬臂梁的变形、控制由两个微悬臂梁构成的微型镊子的开闭和夹持力。

基于双微悬臂梁结构的微型镊子
技术领域
本发明属于微机械装置，尤其是基于双微悬臂梁结构的微型镊子。可作为微型机械手应用在微观领域的机械夹持，特别是微光机电系统(MOEMS)的元件集成中。
背景技术
在研究微观世界时，特别是在微纳级器件的应用于中，宏观世界中常用的夹持机构已无法满足对微型器件操件(如夹持)的要求，需要研制微型夹持机构。
镊子作为一种夹持工具，无论是生活、生产，还是科学研究中，都发挥了十分重要的作用。但随着科学技术逐步向微观世界的深入发展，日常使用的镊子以无法满足尺寸小于毫米以下，特别是微纳尺寸物体夹持和操作的要求，这种微型镊子的缺乏在一定程度上阻碍了微纳科学的研究。于是，适用于微观操作的微型镊子成为研究的重要方向。在人们对微观世界认识更为深入的情况下，基于不同原理研制的各种新型微观镊子陆续出现，如碳纳米管镊子，它的工作端是一对由电控制的碳纳米管，两个碳纳米管上的电压发生变化时，两者之间生成的电场驱动碳纳米管发生靠近或远离的动作，实现镊子的夹持功能。这种镊子将成为微细工程的得力工具；如用来拨弄生物细胞、制造纳米机械、进行显微外科手术，也可以从大量缠住的导线上取下20纳米线宽的半导体导线等等。基于DNA(脱氧核糖核酸)生物技术的镊子也是科学家研究的另一方向，它利用的是DNA双螺旋结构。
此外，精密机械加工也是微型镊子研究的重要分支，日本的科学家们采用精密加工工艺已制造出尺寸在微米量级的小型镊子。也有不少学者根据金属的属性，在记忆合金的基础上发展微型镊子。虽然这些新型的镊子有着广阔的应用前景，但它们却都有着各自的局限性，可以归纳如下：(一)技术前沿，仍属于研究阶段，无法很快应用。碳纳米管镊子和DNA镊子便是这种情况，它们采用的原理十分前沿，而且人们到目前为止还没有完全理解或掌握，只能停止于实验室研究阶段甚至是推理阶段。(二)操作范围较小。碳纳米管镊子和DNA镊子属于纳米量级的操作工具，适用于生物细胞和纳米级机械，对于再大一些的尺寸，如亚微米或微米量级，便超出使用范围。精密机械镊子和记忆合金镊子则更接近宏观世界，它们的操作范围在亚毫米到微米之间，对于微米以下的尺寸操作困难。(三)制造工艺复杂。上面提到的四种技术，其制造工艺都十分复杂，不利于批量生产。(四)兼容性差。由于四种镊子采用的技术和材料各不相同，甚至十分特殊，它们与目前常用材料的相互兼容能力并不理想，因而不能实现很好的集成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单、操作方便、兼容性好的基于双微悬臂梁结构的微型镊子，可立即投入实际应用。
本发明的基于双微悬臂梁结构的微型镊子，包括基底、两个固定在该基底上的微悬臂梁，其特征是，所述的微悬臂梁上设置有作为驱动载体的压电薄膜，所述基底设置有引出电极；所述电压控制模块产生外部电压，经引出导线传送到引出电极上，再经过导线的传输到达压电薄膜，控制所述压电薄膜及其微悬臂梁的变形、控制由两个微悬臂梁构成的微型镊子的开闭和夹持力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(一)以目前十分成熟的硅微加工技术为基础，根据压电材料的逆压电效应，来实现微小尺寸物体的夹持动作，工艺较为简单，操作方便，可立即投入实际应用；(二)由于采用硅微加工技术，使得制造相对简便，规模化生产的可能性高，其成品率有保障，产品具有较好的质量保证；(三)以硅为材料也使得这种镊子兼容性很好，特别是与硅加工产品的兼容性最好，这也保证了它能够集成到现有的产品结构中，如片上系统(SoC)、微机电系统(MEMS)、全微分析系统等，从而大大扩展了应用的范围；(四)镊子具有结构简单，控制方便，精度高，操作范围大，集成度高等突出优点，可广泛应用于微纳领域中。
附图说明
图1是本发明的基于双微悬臂梁结构的微型镊子结构示意图；
图2是本发明的功能模块示意图。
附图标记：
1基底        2微悬臂梁    3压电薄膜        4引出电极
5引出导线    6导线        7微型镊子整体    8执行模块
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细描述。
图1所示，本发明的基于双微悬臂梁结构的微型镊子，包括基底1、两个固定在该基底上的微悬臂梁2。微悬臂梁2上设置有作为驱动载体的压电薄膜3。基底1设置有引出电极4。电压控制模块产生外部电压，经引出导线5传送到引出电极4上，再经过导线6的传输到达压电薄膜3，控制所述压电薄膜3及其微悬臂梁的变形、控制由两个微悬臂梁构成的微型镊子的开闭和夹持力。
再经过导线地传输到达压电薄膜，控制所述压电薄膜及其微悬臂梁的变形、控制由两个微悬臂梁构成的微型镊子的开闭和夹持力。
图2为本发明的功能模块及外部设备示意图。本发明的基于双微悬臂梁结构的微型镊子制造方法，首先在基底上加工出一对微悬臂梁来；然后再在两悬臂梁上分别制备压电薄膜；最后使用导线将压电薄膜与引出电极相连。需要说明的是，根据的具体加工工艺，图中所示的引出电极还可以布置在基底的同一侧，如上部或下部；而压电薄膜3也可以制备在微悬臂梁2的另外一侧。
当在单个微悬臂梁上制备压电薄膜时，若通过外部给压电薄膜施加电压，则压电薄膜因逆压电效应产生变形，就可以带动与之相连的微悬臂梁产生弯曲形变。基于双微悬臂粱的微型镊子的基木工作原理如下：当在两根平行的微悬臂粱上分别制备了压电薄膜后，可通过控制压电薄膜的电压使两个微悬臂梁分别产生弯曲形变。通过适当控制电压的频率和幅值，两个微悬臂梁将产生足够的弯曲，使得两个微悬臂梁的悬臂端按照某个频率进行微型镊子的开启和闭合动作，从而实现夹持动作。这里，输出电压的频率控制着镊子的开闭频率，而幅值则控制着镊子的夹持力。
基于双微悬臂梁结构的微型镊子，由于采用硅微加工技术，使得制造相对简便，规模化生产的可能性高，其成品率有保障，产品具有较好的质量保证。此外，以硅为材料也使得这种镊子兼容性很好，特别是与硅加工产品的兼容性最好，这也保证了它能够集成到现有的产品结构中，如片上系统(SoC)、微机电系统(MEMS)等，从而大大扩展了应用的范围。同时，根据硅微加工工艺，还可以在微悬臂梁的活动端制备更为微小的结构，去实现纳米量级的操纵。
由于采用压电薄膜作为驱动载体，这也使得该镊子拥有了压电材料的多种优点，如响应快，无磨损，控制简单，精度高，承载能力大等。这些特点使得镊子在保证操作精度(可达到几个纳米的精度，也称为操作分辨力)的同时，也扩大了操作行程，可在亚微米到亚毫米之间变动。操作者可以通过改变施加电压，准确实现镊子的各种动作，甚至可用作微型机器人的机械手或者医疗手术中的微型手术刀的执行机构中。
该装置除了可用于微型机器人的机械手和实现微型器件的夹持操作外，还可以应用于各种微流体阀的流量控制中、以及其它微结构的微运动、微行走中，具有结构简单、操控方便、有潜在应用和推广价值等特点。
总结上述分析，基于双微悬臂梁结构的微型镊子具有结构简单，制造简便，控制方便，精度高，操作范围大，兼容性好，集成度高等突出优点，可广泛应用于微纳领域中，如微光机电系统，片上系统，微型机器人操作手，微型手术刀，微控制阀，以及微小物体的微运动中。