静电梳齿驱动微夹钳的设计与制造

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1、南开大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：德侣辉立。D了年占月2E1第一章绪论第一节什么是MEMS1．1．1MEMS的定义、特点MEMS是Micro．Electro．MechanicalSystem(微电子机械系统)的简称。

2、中文习惯称之为微机电系统。欧洲则更强调系统的概念，概括称之为微系统【l】-【21。MEMS技术是在集成电路工艺的基础上，由机械、电子、物理、化学、光学、生物、材料等多学科交叉、融合而产生、发展起来的一个新兴的技术领域。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。如图1．1所示【3】，(1)MEMS不仅能够利用传感器单元对外部环境的声、光、电、热、磁、力、化学等各种信息进行感知获取；(2)还可以可利用信息处理单元对感知的信息进行采集、信号处理；(3)能够将感知的信息通

3、过通信、接口单元发送出去，或者控制执行器单元进行相应的动作，从而产生位移、旋转等控制量。图1．1MEMS的系统组成第一章绪论MEMS具有以下主要特点：(1)体积小，重量轻，材料省，能耗低；(2)由于采用光刻、LIGA、DRIE等新工艺，易于批量生产，成本低；(3)系统集成度、智能化水平高；(4)整体惯性小，固有频率高，响应快，易于信号实时处理；(5)可以适应狭小、高温、放射等恶劣环境，完成宏观机械难于完成的任务。1．1．2MEMS的应用MEMS几乎可以应用到任何需要机械器件的小型化电子系统中。MEMS应用的不仅适用于新兴的IT

4、、通信、消费类电子等3C产品，也适用汽车、军事、生物、医疗、化学等传统的领域。目前MEMS传感器产品最为丰富。如J玉力传感器、．生物传感器、气体传感器，温度、磁场、光敏等传感器及流量计、加速度计、微陀螺等，很多MEMS传感器已经产品化，成为了最基本的电子元器件【4】。光学MEMS也是一支极具活力的研究领域，其产品包括开关(switch)、交错连结器(cross．COllnect)、光可调衰减器(variableopticalattenuator)、可调变波长激光器(tunablelas们和可调式滤波器(tunablefilte

5、r)现已应用到投影显示器的微数字转镜器件阵列、在全光通讯网络中得到广泛应用光交换机。微机械射频器件(RF．MEMS)是当前国际上研究的又一热点，包括微型电感、可调电容、微波导、微传输线、微型天线、谐振器、滤波器、移相器等。使用MEMS技术可以实现各个通讯部件的微型化和集成化，可以提高信号的处理速度和缩小整个个人移动系统的体积。由于移动通信的巨大市场潜力，RF．MEMS器件具有无限商机。生物芯片(Biochip)技术是最近十年内发展起来的，结合生物技术和微细加工技术的一门新技术。利用MEMS工艺技术用硅片制作出了功能完备、价格低

6、廉、携带方便的生物芯片，它往往集样品处理、检测、分析及结果输出为一体，成为一个微型的片上生物实验室，具有如体液成分分析、DNA成分分析等诸多功能。2第一章绪论第二节MEMS微夹钳研究现状随着微操作平台系统在生物、医学等领域的广泛应用，对夹持、搬运、切割、装配等微纳操作自动化要求越来越高。随着MEMS设计与工艺的日趋成熟，制造基于MEMS工艺的微纳操作末端执行器诸如微夹钳、定量注射装置、微纳米定位平台等MEMS器件成为可能。微夹钳在微机械零件加工，微机械装配和生物工程等方面也有较好的应用前景。近年来，可应用于微装配、微操作，完成

7、微小目标的夹持、搬运和组装等的微夹钳已成为MEMS领域的研究热点。目前国内外已研制和开发出了基于不同原理和结构的、种类众多的微夹钳。欧美和日本等国家的科研人员曾先后研制出了基于硅材料的静电力驱动和基于金属材料的压电陶瓷驱动的微夹钳。也有学者利用电磁力驱动微夹钳。近年来，国内科技人员对微夹钳等执行机构也进行了广泛的研究。长春光机所对静电力驱动的硅微夹钳，压电陶瓷驱动的微夹钳进行了研究，上海大学对压电陶瓷驱动和电磁力驱动的微夹钳进行了研究。微夹钳按照夹持手段、方式，大体上可分为两类。一类是吸附式微夹钳，这类微夹钳利用真空、液体、静

8、电等所产生的附着力来抓取微型零件。目前已研制开发出如真空吸附式、静电吸附式、液体吸附式等吸附式微夹钳【5】。另一类是机械式微夹钳，这类微型夹钳一般具有两个或多个夹持末端，通过夹钳末端的运动产生夹持力实现夹持。根据驱动方式，机械式微夹钳又可以分为静电驱动微夹钳【6】．【81、压