（机械设计及理论专业论文）光致弯曲驱动在微机器人中的应用研究.pdf

摘要 摘要 综述了国内外几种典型的微驱动器和微机械手的工作原理，并比较了各自 的特点，阐述了光致弯曲驱动的优势，研究了光致弯曲驱动曲梁在微机械手中 的应用。 建立了光致弯曲驱动曲梁的平面弯曲模型，引入光致应变、光致轴力和光 致弯矩的概念，求解出了光致弯曲驱动曲梁平面弯曲变形的挠曲线方程和曲率 变化表达式。在特定约束情况下，求解出光致弯曲驱动曲梁在紫外光照后的驱 动力及其变形。 建立复合的光致弯曲驱动曲梁的平面弯曲模型，求解出了复合光致弯曲驱 动曲梁平面弯曲变形的挠曲线方程和曲率变化表达式。在特定约束情况下，求 解出复合的光致弯曲驱动曲梁在紫外光照后的驱动力及其变形。 设计了微机械手的机构，完成了其结构参数的设计，进行了受力分析，对 制作工艺进行了探索。 总而言之，完成了光致弯曲驱动曲梁及复合的光致弯曲驱动曲梁的光一机 模型，为应用光致弯曲驱动曲梁奠定了理论基础。完成了微机械手的设计，为 实物试验提供了理论基础。 关键词：光致弯曲驱动曲梁、光致应变、光致轴力、光致弯矩、微机械手 a b s t r a c t a b s t r a c t d e s i g n sb a s e do nd i f f e r e n td r i v em e c h a n i s m sa n dm i c r om a n i p u l a t o r si nr e c e n t y e a r sa r ed e m o n s t r a t e d ，w h o s ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o m p a r e dw i t h l i g h t - i n d u c e db e n d i n gb e a m s l i g h t i n d u c e db e n d i n gb e a m sa r ea p p l i e dt oam i c r o m a n i p u l a t o rs u c c e s s f u l l y t h ep l a i nb e n d i n gm o d e lo fl i g h t - i n d u c e db e a m si sb u i l t ，i nw h i c h c o n c e p t so f l i g h t - i n d u c e ds t r a i n ，l i g h t - i n d u c e df o r c ea n dl i g h t i n d u c e dt o r q u ea r ei n t r o d u c e d t h e e q u a t i o n o fd e f l e c t i o nc u r v ei sr e s o l v e dt od e m o n s t r a t et h e p l a i nb e n d i n go f l i g h t - i n d u c e db e a m s u n d e rs p e c i f i e dc o n d i t i o n s ，t h ef o r c ea n dd e f l e c t i o ne f f e c t e db y b e a m sw h i c ha r ei n d u c e db yu v l i g h ta r ef i g u r e do u t c o m p o s i t ep l a i nb e n d i n gm o d e lo fl i g h t i n d u c e db e a m si sb u i l t t h ee q u a t i o no f d e f l e c t i o nc u r v ei sr e s o l v e dt od e m o n s t r a t et h ep l a i nb e n d i n go fl i g h t i n d u c e db e a m s u n d e rs p e c i f i e dc o n d i t i o n s ，t h ef o r c ea n dd e f l e c t i o ne f f e c t e db yt h ec o m p o s i t eb e a m w h i c hi si n d u c e db yu v l i g h ta r ef i g u r e do u t t h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so fam i c r om a n i p u l a t o ra r e d e s i g n e d t h ef o r c ea n a l y s i so ft h em i c r om a n i p u l a t o ri s a c c o m p l i s h e d a n dt h e f a b r i c a t i o np r o c e s si ss t u d i e d i naw o r d ，l i g h t m a c h i n em o d e l sb a s e do nl i g h t i n d u c e db e a m so rc o m p o s i t e l i g h t - i n d u c e db e a m sa r ea c h i e v e d ，t h r o u g hw h i c ht h et h e o r yo f a p p l y i n gf o r l i g h t i n d u c e dc u r v ei se s t a b l i s h e d w h a t sm o r e ，d e s i g n so fam i c r om a n i p u l a t o r p r o v i d e at h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u t u r et e s t k e yw o r d s ：l i g h t i n d u c e db e n d i n gb e a m ，l i g h t i n d u c e ds t r a i n ，l i g h t i n d u c e df o r c e ， l i g h t - i n d u c e dt o q u e ，m i c r om a n i p u l a t o r 1 i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的日j 刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：凌嵩哥# 1 郫月，阴 同济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、已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：篇专球尉匆神 1 年3 肌州 第1 章绪论 第1 章绪论 微电子机械系统( m e m sm i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 概念于2 0 世纪8 0 年代末提出【l j 【2 】，1 9 8 7 年由加州大学伯克利分校首次采用“硅工艺”制造出的直 径分别为1 0 0 9 m 和6 0 i ，t m 的微电机，标志着m e m s 的正式诞生川【3 1 ，并立刻引 起了国际学术界、产业界和政府部门的高度重视，影响不断扩大，被认为是面 向2 l 世纪，可以广泛应用的新兴技术，微电子机械系统的国内外发展情况如表 1 1 所示。同时m e m s 的研究迅速渗透到许多研究领域，微机器人成为m e m s 中一个非常活跃的研究前沿，它可以广泛地应用于工业、航天、医疗等领域。 对于目前大多数的研究而言，从材料和工艺的角度，微电子机械系统可简 单的理解为，在半导体衬底( 主要是s i 和g a a s ) 上，利用微加工技术制作出的三 维微结构或微系统【4 】；从组成结构上看，m e m s 系统一般由以下四部分组成，如 图1 1 所示，主要包括微执行器、微传感器、微驱动器和控制系统【4 】【5 1 。 图1 1 微型机器人系统组成 ( 1 ) 微执行技术 微执行器是微型机器人的执行机构，是微型机器人的关键技术，主要技术 包括设计、控制、精度、环境影响等。 ( 2 )检测技术 检测技术是微型机器人的视觉、感官器官，可以检测微型机器人的运动参 数及环境参数，并存储和传递检测到的信号。微传感器应具备拾取信息、传递 信息的功能，同时还须满足尺寸小、分辨率高、稳定性和可靠性好、时问响应 快等特点。 ( 3 )微驱动技术 驱动技术是微机器人的能量供应系统，其方式分为有缆和无缆，无缆是微 机器人发展的未来趋势。其中无缆又可以分为内部供应型和外部供应型两种。 第1 章绪论 内部供应型能量大多是电能。外部供应型能量有：光能驱动，电磁驱动，超声 波驱动，利用d n a ( 脱氧核糖核酸) 的结构特性为微机器人提供动力等。 表1 1 微电子机械系统的国内外发展情况【i 】【2 3 1 1 4 1 国家起始时问丰要研究单位主要研究内容应用范围 美困2 0 世纪 斯坦福大学 微致动器微型惯性器件 麻省理f ：学院 6 0 年代巾期微传感器及其组合 国际商用机器公司 加州福利蒙特新传感器公 微结构微泵 m i m u 司 微传感元件 伯克利传感器与致动器中 扫瞄隧道显微镜 心 圣低压等大型国家实验室 原子力显微镜 德国2 0 世纪慕尼黑夫琅霍费固体工艺l i g a 微细加工工汽车工业 9 0 年代中期研究所艺： 卡尔斯鲁厄核研究中心微微型泵 结构研究所立体微型结构微 法兰克福的巴特勒研究所型机械元件悬臂 达尔姆施塔特大学执行机构 日本2 0 世纪东京大学东北大学名古微致动器诊断和治疗系 9 0 年代中期屋人学日立公司索尼公微型传感器统 司松下公司 微器件微型阀 微犁泵 微机电系统 微细加上技术微 装配技术操作系 统 俄罗斯 俄罗斯应h 3 力学研究所精密微机械惯性生物陕学装置 传感器和显示设备小 硅加速度计型分析仪器 中国2 0 世纪清华人学微型驱动器人员、运载器导 8 0 年代巾期秉庆大学微颦传感器航系统 浙江大学微型机电系统微 2 第1 章绪论 长春光机所装配技术 上海冶金所电子部1 3 所微型惯性组合系 半导体研究所统 北京大学微电子所微型机械制造工 艺 微刭1 】尾 英国萨瑞卫星技术公司微型卫星纳米卫星 韩国三星技术公司 微型机电系统 ( 4 ) 微控制技术 微型机器人的控制是实现自动化的关键，现在大多数微型机器人的控制器 与其余部分相分离，通过在微型机器人中采用视觉伺服等技术，提高控制器的 控制性能和自主能力。 统观四个组成部分，每一部分都不可或缺，微驱动器是m e m s 的驱动部分， 为其核心部件，对微驱动器的研究也日显关键。 1 1 微驱动器 微型机器人的主要用途是代替人类在一些操作中，完成一些运用传统技术 手段难以完成的任务。对一些结构复杂的高精度微型设备进行装配时，微型机 器人携带一种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动 控制下完成特定微操作任务。由于受作业空间的限制，这类微型机器人很难采 用常规的驱动方式和驱动机构，必须采用新颖的驱动方式和相应的驱动器。 广静电电容祭微驻动器 图1 2 微驱动器的分类 3 第1 章绪论 微驱动器最基本的工作原理是将其他能量( 一般是电能) 转换为机械能，按驱 动方式大致可分为二类：其一是运用“场”力致动，如静电力，电磁力等；其 二是运用材料本身的性能变化产生的微小变形来驱动，如压电效应、热膨胀， 形状记忆效应等，目前运用这两种方法都已制成了多种微驱动器，如图1 2 所示。 ( 1 ) 静电电容型微驱动器 典型的静电电容型微驱动器有线性梳状驱动器、旋转梳状微驱动器和平 行板微驱动器等。 静电电容型微驱动器是在两个电极上分别注入电荷，利用电荷间的相互 吸引和排斥，通过控制电荷数量和电负压电性来控制电极间的相对运动。静电 电容型微驱动器的优点在于低能耗和短的响应时间。适宜完成较高频率的驱动。 而且静电电容型微驱动器的结构比较易于实现，所以这方面的应用有很多。但 是由于静电力反比于电容板之间距离的平方，因此一般只有在电极间距离很小 时静电力才比较显著。距离的要求限制了机械结构的位置，造成设计上的不便。 同时在微驱动器中电容板的面积很小，电容驱动电压同标准集成电路的驱动电 压有很大不l i j 4 ，这显然不利- 丁微驱动器与电路的集成。 ( 2 ) 电磁微驱动器 典型的电磁微驱动器有磁阻可变型驱动器与线圈和永磁作用的微驱动器 等。 电磁微驱动器也是一种常见的微驱动器驱动结构。它的设想是通过在微驱 动器的两部分间形成一定的磁场，磁场的排斥和吸引作用使两部分间产生相对 移动。电磁微驱动器有和静电电容型微驱动器同样的弱点。即磁场作用范围有 限，两个移动部分之间必须保持较小的距离，这对整个微驱动器的设计造成了 很多不便。同时，电磁微驱动器经常需要有线圈和磁芯，增加了工艺实现的复 杂性。但由于电磁微驱动器能够提供大的驱动力，其研究也逐渐受到人们的重 视。 ( 3 ) 热微驱动器 典型的热微驱动器有双金属薄膜片微驱动器、电热膨胀梁式微驱动器、形 状记忆合金微驱动器和热气微驱动器等。 热微驱动器是基于热膨胀效应，利j j 物体的热胀冷缩把热能转换为机械能。 利用热力驱动的微驱动器可用于微泵、微阀门、微夹具和其它一些微机构上。 双金属薄膜片微驱动器将两片热膨胀系数不同的金属片粘合在一起，当由初始 4 第1 章绪论 温度加热或冷却时，由于材料的热膨胀系数不同，双金属片就会弯曲，而一旦 热力消失，双金属片则恢复到原来的形状。在双金属薄膜片微驱动器中，可采 用一片金属做热阻片，另一片则可用硅或多晶硅等一般的微结构材料做成【7 1 。电 热膨胀梁式微驱动器，如近几年出现的各种v 型梁电热式微驱动器，是利用微 结构材料电阻的电致热和热胀冷缩原理，通过调整输入的电参数来控制梁的热 膨胀量，从而在梁的输出端得到所需的输出力和输出位移。形状记忆合金( s h a p e m e m o r ya l l o y , s m a ) 微驱动器则是基于形状记忆合金材料( 如：钛镍合金等) 的金 相结构在常温下为马氏体状态，当加热到相变温度后成为奥氏体，而温度再次 下降到相变温度以下时，则又回到马氏体状态。如果在马氏体状态下将其加工 成一定形状，然后将其加热到相变温度以上，则s m a 就会记住此形状，一旦工 作温度达到或超过相变温度时，s m a 将自动变化成原来记忆的形状【8 】。s m a 的 变形量可达到8 ，但缺点是响应时间较长和具有迟滞现象，且难与硅的制作： 艺兼容。由于多数热驱动方式町获得较大的驱动力( 可达几百m n 以上) ，而且还 有驱动电压低、变形大、结构简单等特点，所以在微系统里是较常被考虑使用 的一种致动方式。 ( 4 ) 压电微驱动器 典型的压电微驱动器有压电晶片微驱动器和双压电晶片微驱动器等。 压电微驱动器是利用压电材料的机电藕合特性来实现驱动。压电材料( 如： 石英晶体) 在受到外力作用变形时能够产生电压，利用这种现象可以制作压电传 感器；相反，利用压电材料在电压作用下又能产生形变的现象则可制作微驱动 器。由于压电材料在电压驱动下的变形量十分微小，一般仅有几个n m v ，单个 压电元件的变形量约为总长度的o 1 0 2 ，所以压电微驱动器在微定位机构和 微型夹具等方面的应用中比较成功。在实际应用中，为了得到较大位移，往往 将多个压电微驱动器叠加起来用。与静电微驱动器相比，压电微驱动器只需要 较小的驱动电压，其不足之处在于制作工艺较复杂、位移小。 ( 5 ) 光微驱动器 典型的光微驱动器有光致弯曲驱动曲梁。 光微驱动器是应用光驱动型聚合物的光敏特性，实现光一机之间的能量转 换。光致弯曲驱动曲梁足由光致动双向形状记忆聚合物( s h a p em e m o r yp o l y m e r , s m p ) 制成。 光致形变聚合物1 2 8 - 3 1 通常由含偶氮苯的高分子液晶弹性体构成，在施以紫外线 5 第1 章绪论 光照后会产生收缩、弯曲等机械变形。2 0 0 3 年y uy l 首次利用合成的新型液 晶聚合物材料，实现了通过光能驱动薄膜沿任意方向进行反复地卷曲和复原 3 1 - 3 2 】，这是能够在三维空间运动的光致动双向形状记忆聚合物( s h a p em e m o r y p o l y m e r , s m p ) ，是一种新型功能材料。光能直接驱动具有传递功率大、非接触、 易操控、清洁等优点，与压电、磁致伸缩和s m a 等材料相比，s m p 具有响应速 度快、驱动力大、变形量大等特点，具有很大的应用潜力。由双向s m p 制成的 光致弯曲驱动曲梁可以制成各种微机械系统的驱动元件，在紫外光照射时，形 成并保持沿光照方向的弯曲变形，实现正向机械运动，等效于一个方向上的形 状记忆；在可见光照射时，由回复变形实现反向机械运动，等效于另一个方向 上的形状记忆。由于其具有双向形状记忆使能且变形方向、变形速度均可控， 故具有广阔的应用前景。如：微手爪、蠕动机构等，在紫外光和可见光照射时， 通过弯曲和展平运动实现抓取、行走等机械运动。 表1 2 各种微执行器的性能比较 微执行器 动作范围转动反应速度力矩大小 集成町能性驱动电乐、 种类( 相对变彤)可能性电流、功率 静l 乜犁大优巾高 小n n m 优 5 1 0 0 v j 长电晶片 小( 数1 0 9 m ) 差高1 0 0 k h z大可1 0 1 0 0 v 双压电晶 中 0 5 m m 差 由l k h z 中 可一5 v r 形状电忆大可小中可1 0 m w 合金 热膨胀小差小大优 o 1 l w 舣金属片巾差小中小优l o 3 0 m w ( 热膨胀) 电磁掣 大 优高 大- g n m n lo 1 l a s m p 大优f 两巾町 各种微驱动器的性能比较如表1 2 所示，从中可以看出各种驱动方式，各有 所长，各有所短，没有绝对好的驱动方式，在系统的设计中，运用何种驱动方 式需根据系统的性能指标和工艺条件等因素综合考虑。 由于目前光驱动材料较少，当前对光驱动驱动器的研究不多，光驱动犁s m p 的成功研制将为光驱动开拓一片新的天地。鉴于光微驱动器的上述优点，具有 潜在的应用前景，为了开拓这一类型驱动器的应用，将其作为研究对象。 6 第1 章绪论 1 2 微机器人 微型机器人是涉及众多学科领域向纵深发展的新兴学科。微型机器人的特 征是结构尺寸微小，它能在微空间或狭窄空间中进行精密操作、检测或作业， 有着广泛的应用前景和社会需求【5 1 。随着m e m s 技术的发展，世界各国竞相研 制各种微型机械和系统，微机器人就是其中的典型。各国在对机器人的微型化 研究方面都投入了大量的人力物力，并取得了令人瞩目的成果。 1 2 1 微机器人 微型机器人是微小化机构和微小化电子器件集成的、可编程的、外形和移 动或操作在微米尺度下的机器人【3 】【5 1 。其分类如表1 3 所示。 表1 3 微型机器人分类 分类标准类别 按尺寸分类小型机器人微米机器人纳米机器人 l m m 1 0 m m1l a m 10 0 0 1 a m1 n m 1 0 0 按形式分类仅作业系统a w仅定位系统a p仅移动的作业系仅移动作业系统 微型化微型化统a w 、定位系统微型化、定位系 a p 微型化统微型化、控制 系统c 微型化 按机能分类微犁机器人：外微操作机器人： 彤很小，移动精外形朱必很小， 度不要求很岛 但其操作尺度极 小，精度很高 微型机器人的主要技术有微结构的设计、微加工工艺、微传感器、微驱动 器等。微型机构的研究首先是美国斯坦福大学于1 9 7 0 年开始的，1 9 8 7 年加州大 学伯克利分校制造出的直径1 0 0 1 a m 的微马达之后又研制成微齿轮、曲柄和弹簧 等；美国斯坦福大学已研制出直径2 0 9 m 、长15 0 9 m 的铰链连杆，2 1 0g , mx 1 0 0g m 滑块机构，转子直径2 0 0 1 a m 的静电马达，每分钟2 0 m l 的液压泵等。于此同时， 美国加州大学伯克利分校传感器与驱动器中心实验室，已研制出一台只有红血 球大小的电机以及直径为5 0 , t m 的旋转关节、齿轮驱动的滑块和灵敏的弹簧。美 7 第1 章绪论 国贝尔实验室已研发出一种直径仅为4 0 0g m 的齿轮。在加利福尼亚大学的传感 器和传动机构实验室已研制出一些小到能在张普通邮票上容放6 万件的齿轮 和其他装置。这些成果为微机器人的研制奠定了基础。微机器人的发展概况如 表1 4 所示。 表1 4 微机器人发展概况f 5 】f 9 】f j o 】 研制币位产品名驱动方式应用 美国d w k a n ea l 5 0 10 小型机器人系统 压电驱动微操作系统 美囡麻省理工学院蚊j f 机器人收集情报和窃听 日本n a g o y a 管道微型移动机器人电磁驱动 小尺寸管道检测、生物 医学领域和在人体等 小空间内丁作 日本早稻田大学 微型机器人p z薄层t i n i 合金驱动生物工程、微型机器人 日本东京大学纳米机器人压电元件驱动微装配操作系统 瑞典u p p s a l a 人学微型机器人 切割2 0 0 9 m 硅片、硅 片熔接、制作硅瞥晶 哈尔滨工业大学电敛伸缩陶瓷驱动医学、微器件制造业 广东工学院 压电陶瓷驱动微测量系统 e i 前，在微机器人的应用领域中处于领先地位的有：汽车、医疗和环境； 正在增长的有：通信、机构工程和过程自动化；还在萌芽的有：家用安全、 化学配药和食品加工。 1 2 2 微机械手 微机械手的分类目前还没有统一的标准，一般按照驱动方式、结构、材料 及加工工艺等特征加以划分。由于能量供给和驱动方式是微机械手设计中的难 点，直接决定了机械手的主体结构和夹持性能。因此下面按驱动方式对微机械 手分类说明。 ( 1 ) 静电电容型驱动器微机械手 静电力是由于电荷之间的引力或斥力所致，多数是两个带有电荷的平板间 的库仑力。在微机械手的研究中有几种方式可以产生和使用这种静电力，下面 列举几种： 8 第1 章绪论 ( a ) 由两个平行平板产生静电力。如图1 3 所示，由集静电，电容型驱动器 器、弹性粱和两个机械手于一体的两个多晶硅板展开构成微机械_ t - t “】该机械 手初始张口距离为1 0 p m ，这只微机械手闭合时的延迟时问为5 0 0 p s ，夹持力为 5 0 p n ，施加电压5 0 v - - 1 0 0 v 。 e l e c t r o s t a t i c s t r a i ng a u g e s 图1 3 平板静电微机桃手博 ( b ) 叉指梳状装置产生静电力。图l4 ( 对所示为德国r w i e f z b i c k i 等人设 计的用于夹持血管的静电电容型驱动器微机械手”l 。该微机械手由表面和体加 工技术在s o l 晶片上加工出静电，电容型驱动器式微机械手，采用了梳状静电 电容型驱动器结构，当驱动器在1 8 5 v 电压驱动下，能够产生5 m n 的最大驱动 力尖端产生的屉太位移达到2 22 p m ，图1 4 ( b ) 是其叉指结构图。 k 生 ( a )( b ) 图i4 梳齿静电电窑型驰动器微机械千 ( c ) s d a ( s c r a t c h d r i v ea c t u a t o r ) 产。生静电力。网l5 所示的为由1 6 个s d a 9 恩浔浔璺a胡q _ 冯h ；l 臂卦一 目=|r1“雕胃匝_ 第1 章绪论 单元阵列驱动的多晶硅微机械手，微机械手的总体尺寸为1 2 0 0 p m x 8 0 0 p m 1 0 u m ，分为驱动机构、放大机构和手爪三部分。在7 5 v 电压，s d a 频率为4 5 h z 下对该微机械手进行测试，响应时间为1 4 s 响应速度1 9 6 4 p m s ，放大倍率5 9 。 ，竺要兰竺、，苎查苎竺j ! ! ! ! 墨苎 圈15s d a 微机械手结构图 ( 2 ) 热驱动微机械手 热驱动微机械于是利用热在结构中的不对称分布，使各部分变形不同，从 而使微机械手产生相麻的动作。热能的产生方式般为电流流过结构所产生的 焦耳热。文献1 1 1 所介绍的微机械手使用高聚物s u 8 胶作为基体材料，硅作为牺 牲层，钛和铂作为电极热驱动材料。如图i6 所示，它由两个细臂和一个粗臂构 成，由于缃臂和粗臂在受热时产生的变形不相同从而驱动微机械手运动。这种 微机械手在驱动电压5 v 时会产生5 0 m w 的最大功率。当夹持电压达到i o v 时， 可以使微机械手的灾持端产生1 1 0 u m 的位移。 图l6 热驯动s u 8 微机械下 鬣 第1 章绪论 图i7 所示是一种光热一机效应的微机械手，该微机械手采用光敏玻璃 作为钳体，双金属片作为热一机变换元件，激光二极管作为加热元件，该机械 手的齄大特点是采用了仿生设计思想，微机械手钳口按照昆虫口器形状设计。 图17 双金属驱动的光敏玻璃微机械手 图18 所示为内置热源式微机械手，采片j 了双金属层合粱作微夹持臂电阻 型加热元件制作在微夹持臂中。 蹦】8 内置热源热驸劬微机械于 ( 3 ) 电磁驱动器微机械手 电磁驱动器主要利用电磁线圈通电时产生的电磁力来驱动微机械手。电磁 驱动器的特点在t 。动作响应快，便于控制。与压电晶体驱动式微机械手相比 内置电磁驱动 | 微机械手能获得较大的动作范围。| 冬| i9 所示的微机械手是 第1 章绪论 d e o k - h ok i l n 等人设计的电磁驱动器的微机械手。微机械手体的主要材料 n i _ t i 合金，内部集成了驱动器与微力传感器。此微机械手采用音圈电机( v o i c e c o i lm o t o r ) 作为驱动器，它主要依靠电流流过静磁场时产生的洛仑兹力来驱动微 机械手运动。驱动器在8 v 输入电压下可以产生6 3 0 m n 的力。 v o h m o t o r 罔1 9 电融驱动器微机械手 b e a r i 幛 圈11 0 所示为u 形电磁式微驱动器，不同于传统的铁芯铜线绕制的微驱 动器，是采用微细加工工艺制作。线圈的截面为4 5 m i n x 45 m m ，集成了3 2 0 0 匝线圈虽大功率为55 m w 【j “。 采用微细加工技术制作的微驱动器使传统的铁芯一制线圈式的电磁驱动器 的体积大大减小，但是工艺仍过于复杂，很难利用传统的l c 工艺进行太规模生 产。电碰驱动器元件的大小决定着微机械手的总体积，当微机构的外形尺u 小 于一定范围后，很难把它集成在内。所以目前利用电磁驱动器的微机械只能做 到毫米级。 图i1 0 微纳工艺制作的电磁驱动器 1 2 第1 章绪论 f 4 ) 形状记忆合金( s m a ) 驱动微机械手 形状记忆合盒由于其特殊的相变机理，经过热处理和记忆训练后具有对 原有的形状记忆的能力。形状记忆合金元件都是热驱动元件。形状记忆合金本 身既是功能材料，又是结构材料，便于实现结构的简化和小型化。将形状记忆 合金薄膜和微细加工技术相结合，满足了小型化的要求由于其工艺与i c 工艺 兼容，可以实现批量生产。更值得注意的是形状记忆合金薄膜驱动功率密度达 5 1 0 j m 3 ，比其他驱动原理制造的驱动器要大近两个数量级。用形状记忆台 金薄膜与硅的双层薄膜构造驱动器，完全采用硅微细加t t 艺制备，结构简单， 位移明显、稳定、耗电小、振动频率高，是一种适用于徽泵、微阀等微电子机 械系统的微驱动形式【l ”。 图1 1 1 所示为韩国i n s t i t u t eo f m a c h i n e p a n d m a t e r i a l s 研制的具有s m a 线 和柔性饺链的微机械手【1 ”。柔性铰链a 将s m a 线的线性运动转化为旋转运动， 柔性铰链b 主要提供了夹持端的夹持力。驱动器s m a 线由n i - t i 合金制成t 直 径1 0 0 p r o ，这个微机械手的夹持端最大位移町以达到1 2 0 p m 。 秉性铰链b 一 秉忤坎 酗ii i 具有棠性铰链的s m a 微机械于 | 冬| l1 2 所示为美国能源部的m t p 计划叫 研制的微机械于。该机械f 采用 n i - t i c u a 忆合金硅双层薄膜结构。机械手的长度约1 0 0 0 p m ，输出夹持力达 1 3 m n 。浚机械手上集成了活体检查刀和灼烧屯极，同时机械手i ：的微孔还可作 注射和吸管川。该机械手的参考尺、j _ 为1 0 0 p m x3 8 m x 2 0 p m 。此类微机械手夹 持力可达4 0 m i ”】【删。 第1 章绪电 图11 2 硅s m a 薄膜驱动微机械手 f 5 1 压电驱动微型机械手 压电驱动与记忆合金驱动相似，都为功能材料驱动，根据驱动器的结构类 型同样也町以分为以r 几种形式： 第一种是雎电驱动器为柔性夹持端提供位移。这类微机械手的驱动部分多 用压电块或压电堆提供。女u 罔i1 3 所示大连理工大学制作了南压电陶瓷驱动 的微机械手【2 ”，夹持端的材料为4 5 弓调质钢，利用线切割加1t 岂制作。微机 械手张n 初始尺，j 为o4 5 m m 时当压电陶瓷输入电压为8 0 v 时，张lj 的最大 位移为1 1 01 t m 。 1 机槭手圭* 2 预紧幔 目蚺 4 手括5 狐譬畔t j 自目瓷 圈1 l3 压电驯动微机械于 麟 图i1 4 所示的微机械手中介绍的南洋理工大学制作的微机械手”i 。微机械 手的本体是采用微线放电加工( e d m ) 制成，材料为弹簧钢或者铝。微机械手本体 尺寸为3 6 m i n x3 0 r a m x 3 m m 。驱动采用p z t ( 压电薄膜) 转换器，当施加1 0 0 v 电 第1 章绪论 压的时候，p z t 的位移达到6 0 1 j m ，而微机械手夹持端的晟大位移达到1 7 0 , u m ， 放大倍数接近3 倍。 p z t 转换器 低压电缝， 图11 4 p z t 驱动的微机械手 第二种是微机械手由双压电片组成。华中科技大学研制了种集成微力传 感器的压电微机械手叫，如图l1 5 所示。该微机械手由两个压电双晶片组成的 双悬臂粱驱动其特点是位移大、驱动力小。该微机械手在施加最大电压2 7 v 时，单个压电双品片蛙大偏转位移为07 5 m m 。 嘴鬯 7 - 蹩阕圈日跹日 5 嚣鬻“鬻嚣 a ) 图i1 5 双压电片驱动张目l 槭于 ( 6 ) 电致伸缩离子交换薄膜材料驱动微机械手 图l1 6 所示微机械手是甫经化学处理、机械加工以及也化学处理的离子交 换材料合成的“人工肌肉”( a r t i f i c i a l m u s c l e s ) 制作而成。典型的人工肌肉为02 04 m m 厚，2 5 r a m 宽，2 0 r a m 睦，在2 2 5 v 的电压下尖端偏转量可达1 2 1 5 r a m 。人工肌肉的制备方法详见参考文献1 2 “。该材料具有变形速度快，变形景 大、驱动电压低等优点。 尘恿 第l 章鳍论 图l1 6 电致伸缩材料微机槭手 f 7 1 应用其它工作原理的微操作工具 许多科研单位开发的微操作l 具不再利用传统的机械接触方式进行夹持， 而是利用了其它工作原理。 图1 1 7 所示为s l m i c r o t e s t 公_ 口j 开发的激光夹持系统【2 5 1 利用了透明的球 伴在光强密度不均匀韵场中会被推向高强度区域的效应。该原理可以片j 柬夹持 或移动微物体，但操作对象范围很窄，要求微操作对象透明而且尺寸在0l l i m 到2 0 0 m 之问。该微操作系统主要用于生物医学、表面分析等方向。 兴持器 黏晰披 弋l 参 套遴璧薹： 操作堡| 一 l - 柚。j 吲1 1 7 激光兴持微搛作系统 且旦且 a 准备 ( b ) 骷附 cc 搬运d j 释放 hl1 8 液体粘附机械手的上作原理 1 6 第1 章绪论 图1 1 8 所示为德国夫朗霍费生产技术与自动化研究所研制出一种用于微系 统的粘附夹持方案，它采用酒精作为粘附液【2 6 】。利用低粘度液体对易损元件进 行微操作，元件最多一个边与微夹持器产生机械接触，所有的敏感结构只由液 体触及，可对其起到保护作用。据其公布的数据，在测量提升力的初步实验中， 提升力大于6 m n ，完全能够保证对元件可靠的夹持。实验中，可将边长4 2 m m 表面镀铝的方形硅片夹起。 图1 1 9 吸附针尖结构示意图 表1 3 各种微机械手驱动方式优缺点比较 驱动方式优点缺点 静电驱动效率高、精度高、不发热、相应速度快静电力与距离平方成反比， 因此其行程小、输出力小、 驱动电压高 电磁驱动机构原理柚对简单、可靠性高，能够承载较能量消耗高、线圈丁| 温高、 大电流，变形量也较大 噪声大以及体积大，电磁线 幽微型化很困难，同时磁性 材料牛产困难 形状记忆合金 输出力大、变形量也较大卡h 应速度较慢，形变呈阶跃 性变化 压电效应控制精度高、柑应快、驱动力大、驱动功率位移量较小，需要电绝缘要 低、工作频率宽好，压电块驱动的微机械于 体_ 较大，如果为薄膜驱动 的话，制备薄膜相对网难 热驱动能满足m e m s 中的很多要求，驱动力人 响应频率不高，需要适当的 加热器 电热驱动操作方便，能提供人的输力，驱动电压低，具有复杂的几何结构，并h 易于集成局部单元尺寸过于细小，需 对结构进行特殊没计 光致弯曲驱动 控制简单、町光控性，变形量人，易于制作，光致动s m pi - t 前不多见 易于复合。 1 7 第1 章绪论 考虑到微机械构件薄且脆，为防止夹取引起的变形甚至损坏，夹持力的控 制要求很严。真空吸附技术提供了一种经济、简便的解决方案，但是对零件的 形状要求较严不能适用于所有的零件。图1 1 9 所示为吸附针尖，由中科院上 海光机所研制叨，针尖长度3 0 8 0 m m ，针管外径中l2 中1 5 r a m ，针尖外径 中6 0 m 9 0 i j t m ，内径中6 0 巾3 0 0 m 。针尖处有一与针管中心线成3 0 。4 5 。角 的端而，作为吸附的接触面。使用玻璃材料的优点是加工容易，且不会挡光， 从而为操作带来方便。 综上所述各种驱动方式的微机械手各有其优劣势，总结如表1 3 。从表1 3 可以发现，光致弯曲驱动能满足m e m s 中的很多要求，可光控性、控制方便， 变形大易于加工制作，有其它驱动方式无法比拟的优势。 1 3s m p 常用的s m p 有热致型、化学感应型及光致型，其中光致动型的s m p 是由 材料中光致变色基团所发生的可逆光异构化反应引起的，这种光致感应发生的 町逆形变与化学物质引起的形变不同， 质交换，只要外部供给非接触性的能量 到的s m p 是一种光致动型智能材料。 它不需要与化学物质直接接触或发生物 就能实现其形状的控制。在11 节巾提 ! 鼾酊| 瓯 盈生口翌图生口 图i2 0s m p 受光能驱动后的变形和复原 材料研究者在2 0 0 2 年首次在一类光敏液晶高弹体中发现了高达2 0 的光致 变形行为口目。这一发现为智能材料领域提供了一种全新的可光控的新材料，引 第i 章绪埝 起了极大的关注必”】。当光敏分子含量较高时，光致弯曲现象也被观察到i ”】。 2 0 0 3 年y uy l 首次利用合成的新型液晶聚合物材料，实现了光能驱动薄膜沿 任意方向进行反复地卷曲和复原1 3 t - 3 2 1 ，图i 2 0 所示为光致动型s m p 受到光照后 的沿不同方向的弯曲变形与复原l ”_ 3 2 】。图中的白色箭头为光照的极化方向，s m p 受到极化光照后，沿光照的极化方向弯曲变形，受到可见光后，弯曲变形恢复 原状。 s m p 受光照后的各种变形如图l2 l 所示，对不同厚度的s m p 施以不同方 向的极化光，s m p 会产生不同的弯曲、扭曲变形及伸缩变形。 图12 1s m p 受光照后的各种变形 s m p 的这种形变是光化学相转变引起液晶分子取向度的变化所产生的，液 晶的光化学相转变是完全可逆的，因此s m p 的形变也是可逆的，蓟l 图1 2 2 所示。 s m p 的液晶分子在受到极化光照射后取向度改变，受到可见光照射后恢复到原 来的取向度。光照对s m p 的透射厚度为5 9 m 左右，罔l2 2 所示的s m p 的受光 照而的液晶分子的取向度发生变化，使得材料的长度和厚度改变，光照没有透 射到的部分的液晶分子的取向度没有改变，该部分的长度和厚度不改变，材料 就产生r 弯曲变形。这一光敏形变体系为光机械效应提供弯曲。 s m p 在极化光照射时发生弯曲变形，在可见光照射时，回复原状，是其有 三维光致形变能力的双向形状记忆材料。鉴于光致动掣s m p 的可光控性、非接 触能量供给疗式它被认为是最具潜力的m e m s 致动材料。 第1 章绪论 圃匾 u v iv i s u v lv i s 觞圊 1 4 研究内容和意义 图12 2s m p 弯曲原_ 电 研究的内容主要如f ： ( 1 ) 建口光致弯曲驱动曲粱的力学模型： ( 2 ) 建立复合的光致弯曲驱动曲粱的力学模型： ( 3 ) 设计微机械于的机构和机构参数： ( 4 )探讨微机槭手的加工工艺。 将建立两个力学模型，为光致弯曲驱动曲粱和微机械手的应片j 奠定理论基 础，而日将力学模型应用r 微机械手的结构设中。光致弯曲驱动曲粱、复合 的光致弯曲驰动曲粱和微机械手的蛮际应用谁常广泛，可阱应用在医疗领域、 核丁业领域，f i 动化领域、汽车工业领域等。使得这些微机器人具有可光控性、 控制方便、动作准确度商和能祚纠窄m 域伯i k 等优点。 本课题受到国家8 6 3 计划智能材料j j 计与先进制蔷技术专题资助项h “光 g 动 i ：! 聚合物微执行器”( 2 0 0 7 a a 0 3 2 1 0 5 ) 的资助。 第2 章光致弯曲驱动曲梁的力学特性 第2 章光致弯曲驱动曲梁的力学特性 图2 1 光致弯曲驱动曲梁的力学模型 2 1 光致弯曲驱动曲梁的力学模型 设一光致弯曲驱动曲梁有一纵向对称面，该梁接受紫外线均匀照射后，产 生对称于纵向对称面的均布力与力矩，引起弯曲变形。变形后的曲梁仍处于纵 向对称面，故称为平面弯曲。图2 1 是光致弯曲驱动曲梁中截出的一部分，s 轴 为光致驱动曲梁的轴线，y 轴为横截面的对称轴，z 轴通过横截面形心并垂直于 s 轴和y 轴，曲梁的半径为r ，在横截面的任意点上，拉伸应力和剪切应力分量 分别为吒和r 。 2 1 1 挠曲线求解 笋固 图2 2 光致弯曲驱动曲梁半嘶弯曲的变形 2 l 第2 章光致弯曲驱动曲梁的力学特性 模型的平面弯曲变形由沿s 和y 方向的位移u 和v 以及横截面绕z 轴的转角_ d v 来 表示。这些位移和转角将引起曲梁纵向纤维长度的变形。由于曲梁微段内各纵 向纤维的原长度不相等，则若轴线长度为d s ，坐标为y 的a b 纤维的长度为 d s y = ( 尺一y ) 妄 旺， 即 呜= ( - 一责卜 旺2 ， 则 出1 石= 忑 泣3 r 从图a 知，当截面形心沿s 轴的位移为u 时，a b 纤维的a 端沿s 方向的位移 为u y l ， 甜y l r y ur ( 2 4 ) 即a 端的位移为 = 甜y ) 则u 引起的位移为 q = 舡韵壶 r d 厶 出 从图b 知，a b 纤维的a 端囚截面转角_ d v 引起的位移为 2 2 ( 2 。5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第2 章光致弯曲驱动曲粱的力学特性 引起的相应的应变为 曲率的变化引起的应变 即 d v “y 2 一y 五 岛= 一y d s 2 y d v1 2 - _ 。- r l v 毛一一r 冱1 y r ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ，一 ， 哕 6 ，一一一 r r 2 ( 1 一上)、 r 7 ( 2 1 1 ) 将( 2 7 ) ( 2 9 ) ( 2 1 1 ) 叠加，得到纤维的总厦变为 气y ) = q + e 2 + 乞 省略各纵向纤维间的应力盯。对应变占的影响，f h 虎克定律知 o s , - - - - e e e 其中，乞为弹性应变。 总应变为弹性应变和光致应变的叠加，即 气y ) = 乞+ e m 其中，气为光致应变。 则 s e = s i y l 一m 那么， c r = e ( 气y ，- e , 。) 2 3 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 第2 章光致弯曲驱动曲梁的力学特性 即 q = e 加睁毒) 壶吨旺 f = g c r f l a 【kg y a , d a ( 2 1 8 ) ( 考一素) l 眵鼽墨 ( 争r ) l y d a e 睁鼽萋r 1 9 ) ，、 ( 2 l d a = a ，l 删= o ( 2 2 0 )