电热驱动镍微夹钳的设计及制作

为实现微系统产业化开发适用于微型零件操作和装配的微夹钳,采用电热驱动方式、V形梁阵列式电热驱动器为钳体部分提供输入位移,钳体部分应用拓扑优化方法进行设计以实现输入位移放大.金属镍作为制作微夹钳的材料,用紫外光刻微电铸脱模技术工艺制作了电热镍微夹钳.通过正交试验,得到加工SU-8铸模的最优工艺参数,对影响工艺质量的各个因素进行详细讨论并给出解决方法,并加工出了钳体尺寸在毫米量级,最小特征尺寸为10 μm,厚度为30 μm的电热微夹钳.对制作的微夹钳在0～2.5 V直流电压下进行动态测试,夹持端位移最大可达67μm,最大夹持力可达0.8 N,可以满足微机电系统微操作的夹持要求.     

具有三层结构的SU-8胶V形微电热驱动器

为解决SU-8胶微电热驱动器在工作过程中存在平面外运动的问题,提出了一种具有铜-SU-8胶-铜三层对称结构的新型SU-8胶V形微电热驱动器.采用刚度矩阵方法建立了包含被驱动结构刚度的微电热驱动器力学模型,并针对一种柔性微夹钳,利用该模型对微电热驱动器进行了几何参数设计.利用Ansys仿真软件对所设计微驱动器进行了分析,仿真结果验证了所建模型的合理性.提出了一种新的MEMS加工工艺来制作三层结构微电热驱动器,并测试了它的性能.结果表明,实验结果与仿真结果相差不大,在150mV驱动电压下,所设计微驱动器温度仅升高约32.93℃,并对微夹钳产生约2.5 μm的输入位移,使微夹钳产生126μm的钳口距离改变量.微驱动器仅消耗大约30.35 mW的功率,钳口的平面外运动小于500 nm.最后,利用微电热驱动器驱动的微夹钳成功地对一个长1.2 mm,宽135μm,厚50μm的SU-8胶材料微型零件进行了微操作实验,实验证明了微驱动器实际性能基本满足设计要求.     

免装配柔性夹钳的变密度法结构设计

目前柔性夹钳的结构设计大多为中间驱动的单载荷输入形式,而实际应用中对夹钳的使用则更需要两端载荷输入的形式。建立了基于变密度法的柔性夹钳的数学模型,采用变密度法对设计区域进行了结构拓扑优化,根据经验法将拓扑优化结果进行了重构,并对优化过程中的重要参数进行了分析,说明了单元格的种类、数量以及体积分数对拓扑优化的重要性。设计出了一种新型的两端夹持力输入的免装配柔性夹钳,并对设计结果的有效性进行了验证,在此基础上提出了一种新的免装配产品的设计思路     

柔性电热驱动微夹钳的设计与尺寸优化

提出了一种柔性电热驱动微夹钳的设计与尺寸优化方法:首先基于机构的类型综合方法和伪刚体概念选择微夹钳的柔性机构,然后对柔性机构进行单元划分以建立其刚度模型,进而对其几何尺寸进行优化设计。对一种由V形电热驱动器驱动的柔性电热微夹钳进行了设计与尺寸优化。为了验证方法的合理性,利用ANSYS软件对优化结果进行仿真分析并对仿真结果进行了对比。分析表明,优化结果能够满足设计要求,从而证明了设计方法的高效率和可靠性。     

四自由度压电微夹钳的设计

为降低微夹钳前端执行机构的复杂度,探索四自由度压电微夹钳的实现问题。通过在被设计成夹钳形状的两个压电单晶片的非黏结面上制作相互绝缘的驱动电极,且使两个非黏结面上驱动电极相互对齐的方法,设计出了可同时产生夹持方向与垂直于夹持方向位移的四自由度压电微夹钳;采用压电悬臂梁变形理论,推导出了钳指位移同钳指几何参数、驱动电压的关系,进而在对钳指进行尺寸优化的基础上,采用有限元方法分析了其静动态特性;最后,对微夹钳的静动态特性进行了测试,结果表明：当驱动电压为60 V时,左钳指、右钳指在夹持方向上的位移分别为25.7 μm、26.1 μm,左、右钳指在垂直于夹持方向上的位移分别为33.5 μm、32.8 μm,钳指位移具有很好的重复性;微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的固有频率分别为2.35 kHz、0.62 kHz;在15 V的阶跃电压作用下,微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的响应时间均为0.23 s。     

一种微夹钳钳体的结构设计及优化

基于二级圆弧型柔性铰链及杠杆放大原理,设计了一种新型微夹钳钳体,在满足有限放大倍数的同时节约了空间。利用ANSYS Workbench有限元软件对提出的钳体结构参数进行了优化,并对优化模型进行了模态分析,获得了性能优良的钳体结构。     

采用伪刚体法的柔性微夹钳设计

随着MEMS的发展,对于能够实现微夹持、装配的微夹持器的各种研究也逐渐成为被关注对象,但是对于微夹钳的设计方面还缺少系统化的方法.根据电热微夹钳的特性,给出了可转化为微夹钳的刚性机构拓扑条件.借助机构的类型综合方法和伪刚体的概念提出了一种设计柔性微夹钳的新方法.最后通过设计一种放大倍数为20的柔性微夹钳,具体阐述了设计过程,同时也验证了本方法的有效性.     

微夹钳的拓扑优化设计

概述了柔性结构的一种设计方法——拓扑优化法，并以微夹钳为例，对不同负载、不同约束情况下微夹钳结构进行了拓扑优化设计。     

热致动硅微夹钳实验研究

利用集成的多晶硅电热微致动器,在可控电压下实现了对薄膜型硅微夹钳夹持动作的在线操作.电热微致动器所需要的工作电压低、输出力大、响应时间长,适用于硅微夹钳夹持动作的缓冲及精确控制.根据所建电热微致动器理论模型,通过分别测试微致动器在空载和驱动工况下的输出位移大小,提出了一种通过公式换算间接确定硅微夹钳驱动力的方法.实验结果表明,电热致动器驱动的硅微夹钳具有很好的电压可控性,最高工作电压可达25V.硅微夹钳的开合位移依热致动器的规格不同在0.7～4μm之间.     

微夾钳的拓扑优化设计

概述了柔性结构的一种设计方法———拓扑优化法 ,并以微夾钳为例 ,对不同负载、不同约束情况下微夾钳结构进行了拓扑优化设计。