基于有限元的單晶片式微夾鉗的設計【文獻綜述】

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1、畢業(yè)論文文獻綜述機械設計制造及其自動化基于有限元的單晶片式微夾鉗的設計1序論20世紀60年代發(fā)展起來的微電子技術和集成電路，已構成人類文明的重要基礎。大規(guī)模集成電路的出現在許多領域引發(fā)了一場微小型化革命。微電子技術的巨大成功使微米/納米技術應運而生，而加工出的微米、納米級別的機械零件需要一種操作尺寸十分細微的微動系統裝配微機械。由此可見微夾持或微操作系統的重要性，而微夾鉗技術是此微系統的關鍵。微夾鉗作為一種典型的微執(zhí)行機構，不僅可稱為微機器人的抓手，而且在微機零件的加工、裝配、生物工程和光學領域均有很好的應用前景。

2、因此，微夾鉗及與其相關的研究已成為國民、內外微機械研究領域的一個前沿課題。其中又以壓電陶瓷晶片作為驅動力最為眾所周知。1.1研究現狀真空吸附是最早使用的微操作方式之一，它采用直徑很細的玻璃管來吸附微小物體,達到攝取微小物體的目的,該方式簡單易行，但是還不能實現對微小物體的自如操作.繼而，NikolasChronis等研制了單細胞操作SU-8微夾鉗[9]；RicardoPerez等人研究設計了硅技術的壓電微機器人力傳感器[10]；PeterC.Y.等人設計了力傳感和顯微操作控制電機[11]；Kim等設計了靜電型微鑷子

3、，采用半導體加工工藝制作而成，最大張開距離為10um，驅動電壓50V；Suzuki設計了熱伸縮型懸臂梁結構的微型鑷子；Haddab等設計制作了壓電懸臂梁式的微型鑷子。國內對微小夾鉗的研究起步較晚，主要是研究了形狀記憶合金和壓電型微夾鉗。綜觀各國在微操作器方面的報道可以看出，國際上研制成功的微操作手主要還是以兩爪的微夾鉗為主，外形尺寸從幾毫米到幾厘米不等，所用的加工工藝主要有3種：精密機械加工技術、半導體加工工藝和最近幾年興起的LIGA加工工藝。近幾年國內對壓電陶瓷微夾鉗研究日益成熟，其中單晶片形式被廣泛應用。上海交

4、通大學建立了一個50mm×50mm的微裝配實驗平臺，利用2mm的電磁型微型電動機，制作了8mm×6mm×5mm的微型機器人小車，為了完成微型機器人對微型零件的操作，需要為微型機器人小車裝置一個可以對徽器件進行操作的微機械手。分析了現有的微型操作器的設計方法，結合他們的微型機器人操作系統，研制了一個雙懸臂梁式壓電微夾持器[1]。華中科技大學甫志剛、黃心漢的機器人壓電陶瓷微操作手的設計中同樣也提到了使用單晶片壓電陶瓷懸臂梁為基本結構的微夾鉗，其夾持距離在20-150um之間。對錐心物塊進行了實際操作實驗，取得良好的效果

5、[2]。武漢理工大學陳國良、黃心漢、王敏的面向微裝配的壓電陶瓷微夾鉗建模與控制[3]。上海交通大學陳海、孟中巖、曹長江、張琛的梯度功能壓電陶瓷微夾鉗的設計和操作原理[4]，胡斌梁、陳國良的壓電陶瓷微夾鉗遲滯環(huán)自適應逆控制研究[6]都對單晶片式的懸臂梁微夾鉗進行過深入的研究并且取得了實際有效的效果。哈爾濱工業(yè)大學陳立國、榮偉彬、孫立寧的面向微操作的組合式微夾持器[5]，華中科技大學蔡建華黃心漢、呂遐東、王敏的一種集成微力檢測的壓電式微夾鉗[7]，華中科技大學曾祥進、黃心漢、王敏的基于Dahl模型的壓電陶瓷微夾鉗控制研

6、究[8]同樣對雙晶片式微夾鉗有深入研究。2正文微夾鉗主按能量供給和驅動方式現如今有基本可分為以下幾種：靜電式微夾鉗、電磁式微夾鉗、形狀記憶合金微夾鉗、液體吸附式微夾鉗、光捕獲微夾鉗和壓電式微夾鉗。其中壓電式微夾鉗由于壓電陶瓷執(zhí)行器具有體積小、剛度大、不發(fā)熱、無噪聲等優(yōu)點，可應用于微操作、微裝配領域，其可以作為微操作機器人的手臂，具有高精確度的特征，因此，電式微夾鉗現已成為最常用和眾所周知的一種形式，壓電陶瓷微位移器是開發(fā)MEMS（微機電子機械系統)的關鍵元件之一。以往的研究中，其結構都相對比較復雜，因此我們希望設計

7、一種結構簡單，功能穩(wěn)定且易于加工的結構且電極引出線方便，有利于推進單晶片微夾鉗的進步。我們采用單晶片型壓電懸臂梁(Unimorph)作為夾持器的驅動器，單晶片型壓電懸臂梁位移太，備工藝簡單。懸臂粱結構如圖l所示。圖1懸臂梁結構通過研究壓電懸臂梁的操作特性，從微夾持器的二懸臂梁結構出發(fā)，即可推知微夾鉗的操作特性。定義3一或z一方向為極化方向。l一和2一方向(x一和y一方向)與3一方向相互垂直。圖中P和分別代表壓電(piezoelectric)層和金屬(meta1)基板層。當給懸臂梁施加一與壓電層極化方向相反的電場時，

8、壓電層由于逆壓電效應而產生應變，壓電層沿長度方向伸長，由于基板層沒有產生伸長應變而限制壓電層的伸長變形，從而壓電層伸長變形帶動雙層懸臂梁產生伸長和彎曲兩種變形。在日益進步的工業(yè)發(fā)展情況下，對加工精度的要求越來越高，必然要求對加工要求精細化，微小化。單晶片式壓電陶瓷微夾鉗作為典型結構形式，不僅結構簡單，加工較其他微夾鉗容易，其可操作性高，應用領域必將十分廣泛。