电热驱动US8微夹钳的相关问题研究

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1、博士学位论文电热驱动SU一8微夹钳的相关问题研究StudyOilTheElectrothermalSU一8Microgripper作者姓名：韭然学科、专业：邀扭电工猩学号：!Q鱼Q垒Q垒Q指导教师：凿全垒教援完成日期：至Q!墨生Z且大连理工大学DalianUniversityofTechnology人连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了

2、明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：鱼垫麴呈塑二鱼型鱼叠垫丑醯作者签名：邀丝一日期：—巫年—L月』L日本文得到以下项目的资助：国家高技术研究发展计划项目“新型微夹钳的拓扑优化设计及关键技术研究”(2007AA042335)：国家重点基础研究发展规划项目“微纳结构的功能特性与数学模型”(2011CB302101)：国家重点基础研究发展规划项目“仿生光导航微纳器件的设计与制造”(2011CB302105)。特此感谢!大连理工大学博士学位论文摘要随着MEMS技术的不断发展及对物质在微／纳尺度特性研究的深入，研究和开发适用于复杂MEMS器件微装配及对各种具有微

3、／纳尺度研究对象进行微操作的微夹持系统，能够很好地促进这些领域的发展。作为末端执行部分的微夹持器是微夹持系统与被夹持对象之间的接口，其夹持效果直接决定微夹持系统的性能，因此微夹持器已成为目前的研究热点。对目前微夹持装置的研究现状进行分析可知，电热驱动微夹钳具有结构紧凑、控制容易及输出力较大等优点。而SU一8胶材料具有高热膨胀系数、低热导系数、良好的生物兼容性和较好的工艺性等特点，特别适合制作电热微夹钳。基于以卜^原因，本文以电热驱动SU．8微夹钳为研究对象，对其设计、制作及测试等相关问题进行了深入研究。在设计方面，针对目前设计方法的不足，提出了一种电热驱动微夹钳柔性机构的系统设计方法。首先归纳

4、及推导了明确的用于微夹钳柔性机构拓扑结构设计的选择准则。利用选择准则对用于微夹钳拓扑结构设计的六杆、八杆及十杆对称单自由度刚性机构进行了综合，得到了66种备选机构。为避免在几何优化过程中对设计者经验的依赖，提高优化效率，基于刚度矩阵方法建立微夹钳参数化刚度模型，利用所建模型对微夹钳几何尺寸进行优化。采用该系统设计方法，设计出一种钳口常闭型(A型)及一种钳口常开型(B型)电热驱动SU一8微夹钳，由ANSYS软件仿真结果可知，优化结果满足设计要求，性能优于经验设计，A型及B型微夹钳的放大倍数分别为304和14．8。基于拓扑优化方法及伪刚体模型方法对具有纳米级钳口结构电热驱动微夹钳进行了设计。提出了

5、一种具有三层对称三明治结构的新型SU一8胶v形电热驱动器，考虑了聚合物材料电、热耦合及多材料结构热膨胀分布不均问题，能够有效避免驱动过程中的平面外运动，并具有驱动电压低、工作温度低及结构紧凑等特点。采用整体释放及双面溅射工艺对设计的电热驱动SU一8微夹进行了成功制作，并对影响加工质量关键工艺参数进行了优化。针对所设计具有纳米级钳口结构电热驱动微夹钳的结构特点，提出了一套采用纳米压印工艺与微加工工艺相结合的制作工艺，并对该工艺进行。厂初步探索。搭建了一套微夹钳微操作及性能测试系统，在25V的洁净实验室环境下，对制作出的A型及B型微夹钳进行了钳口位移输出特性及驱动器温度特性测试。由测试结果可知：A

6、型微夹钳需73．6mV的驱动电压(此时输入功率25．61mw，驱动器甲均温升45。c)，可输出107．5岬的钳口距离变化量，其钳N响应时间均约为o．3S。对于B犁微夹钳，施加195mV的驱动电压(此时输入功率为111．1mw，驱动器平均温升为53．7℃)可使钳口闭合，钳口距离变化量为．71．5岬，其钳口响应时间均约为0．23S。在测试过程中，两电热驱动SU．8微夹钳的相关问题研究型微夹钳钳口的平面外位移小于500nm，证明了电热驱动器结构的合理性。A型微夹钳的驱动效率为4，18pm／mW，在己报道的同类微夹钳中最大。同时，A型及B型微夹钳所需驱动电压在同类微夹钳中最低。提出了一种基于SU．8胶

7、压阻式微悬臂梁微力传感器的微夹钳夹持力直接测量方法，并研制了相应的测量装置，实现了对微夹钳夹持力的直接测量。基于该测量装置，对制作出的两种微夹钳进行了夹持力测量及钳口刚度标定。由实验结果可知：A型及B型微夹钳的钳口刚度分别约为2．83N／m及7．22N／m，满足设计要求。该方法所用传感器结构简单，成本低，精度与尺寸满足微夹钳夹持力测量需要。为验证微夹钳的夹持效果，在25。C的洁净实验室环境下，采用