文献综述 单晶片.doc

宁波大学科技学院本科毕业设计(论文)文 献 综 述题 目单晶片式压电微夹钳的设计指导教师崔玉国学院科技学院专业机械设计制造及其自动化班级07机械（2）学生姓名叶明波学号074173849开题日期2010.11.21微夹钳( microg ripper ) 是微机械技术的重要研究内容之一， 是一种典型的微执行机构， 它在微机械零件的加工、装配、生物工程和光学等领域均有广泛的应用前景, 近年来发展迅速. 日本和德国在这方面的研究起步较早1。它是20 世纪90 年代以来，随着微机电系统( MEMS) 技术的发展而备受重视的微操作器之一 。真空吸附是最早使用的微操作方式之一，它采用直径很细的玻璃管来吸附微小物体, 达到摄取微小物体的目的, 该方式简单易行， 但是还不能实现对微小物体的自如操作. 继而, Kohl 等 研制了形状记忆合金微夹钳, 其外形尺寸为2 mm3.9 mm0.1 mm，最大位移180 m；Kim 等设计了静电型微镊子, 采用半导体加工工艺制作而成, 最大张开距离为10 m, 驱动电压50 V；Suzuki设计了热伸缩型悬臂梁结构的微型镊子; Haddab 等设计制作了压电悬臂梁式的微型镊子. 国内对微小夹钳的研究起步较晚, 主要是研究了形状记忆合金和压电型微夹钳。综观各国在微操作器方面的报道可以看出，国际上研制成功的微操作手主要还是以两爪的微夹钳为主, 外形尺寸从几mm 到几cm 不等， 所用的加工工艺主要有3 种：精密机械加工技术、半导体加工工艺和最近几年兴起的LIGA 加工工艺2。微夹钳的功能主要用于抓取或夹持细物体和微型构件。轻、小、薄、软是一般微细物体和微型构件的显著特征。夹持力大小的控制，使被加持物的粘着等问题3。微夹钳在微机械零件加工、微装配和生物工程等领域都有较为广泛的应用。由于其在各领域中的重要作用，近年来，国内外学者对微夹持器进行了深入的研究，研制了压电驱动微夹持器、静电力微夹持器、电磁驱动微夹持器、电致伸缩微夹持器、电热式微夹持器和形状记忆合金微夹持器等 4。静电驱动微夹钳的主要优点是可与IC工艺兼容，体积可以做得很小，但夹持力很有限。 热驱动微夹钳可以得到较大的夹持力，但这类夹钳响应时间较长，不利于快速操作与装配。SMA微夹钳响应速度也较慢，且形变呈阶跃性变化。电磁驱动微夹钳的夹持力与体积始终是一对不可调和的矛盾。压电驱动微夹钳具有响应速度快、分辨率高、控制精度高、驱动力大等优点，因此成为微夹钳最常见的驱动方式之一。由于压电陶瓷具有结构紧凑、分辨率高、响应快、无摩擦等优点， 故由压电元器件驱动的微夹钳比较普遍5。压电陶瓷还具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领。压电陶瓷存在着迟滞、蠕变和位移非线性等不足, 使得位移系统的建模和控制困难6。减小迟滞的方法主要有：采用电流源代替电压源, 实现电荷控制 ：压电陶瓷元件采用位移闭环控制 ；采用基于前馈非线性迟滞模型的开环控制。方法 从数学角度逼近压电陶瓷的迟滞特性曲线, 通过建立压电陶瓷的电压-位移数学模型实现高精度的开环控制。通常采用的模型有Preisach模型、通用化的Maxw ell 模型和多项式近似模型等7。由于压电陶瓷具有快速响应特性和亚微米级的位移精度(取决于电源的噪声水平)，根据被操作器件的尺寸和夹持臂刚度，通过调节驱动电压可以控制夹持力到合适的水平，从而提高操作的可控性和可靠性，以利于快速准确地完成对微器件的拾取与释放操作8。微夹钳所实现的通常是微米甚至纳米级的位移， 压电式微夹钳可应用于微机械零件的装配及生物工程领域的细胞操作。 因此， 它的设计应该满足结构紧凑、机构简单、传动准确、动作灵敏度高、控制方便等要求。微夹钳的工作原理是基于压电体的逆压电效应。考虑到压电效应所产生的变形量很小， 因此,要实现大速比的运动还需要采用杠杆机构作为机械增幅机构, 构成如图1所示的夹钳结构，它既是传动系, 又是夹持机构。采用柔性铰链作为连接机构， 可以实现绕轴作复杂运动的有限角位移， 特点是无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高。在转角不大的情况下，采用柔性铰链做支撑，可以取代传统的铰链机构。通过柔性铰链的应用，非常有利的解决了微小物体在被夹持中意外的运动和接触引起的振动9。1 压电陶瓷; 2 柔性铰链; 3 微夹钳钳臂;4 机座; 5 夹片图1微夹钳结构示意图微夹钳以弯曲型双晶片压电陶瓷悬臂为手指，采用对称的两指结构。因此对徽夹钳位移、力特性的研究可从单个压电陶瓷悬臂模型着手。当在压电陶瓷片厚度方向施加外电场时，压电陶瓷将沿厚度方向极化，一片压电陶瓷伸长，而另一片收缩，从而发生弯曲形变。如图2所示，3(Z轴)为极化方向，1(X轴)为悬臂的长度方向，2(Y轴)为悬臂的宽度方向【10】。图2 压电陶瓷悬臂采用单晶片型压电悬臂梁( U nimorph) 作为微夹持器的驱动器, 单晶片型压电悬臂梁位移大,制备工艺简单。悬臂梁结构如图3 所示。通过研究压电悬臂梁的操作特性, 从微夹持器的二悬臂梁结构出发, 即可推知微夹钳的操作性。定义3- 或z - 方向为极化方向。1 - 和2- 方向( x - 和y - 方向) 与3- 方向相互垂直。图中p 和m 分别代表压电( piezoelectric) 层和金属( metal) 基板层。当给悬臂梁施加一与压电层极化方向相反的电场时，压电层由于逆压电效应而产生应变， 压电层沿长度方向伸长, 由于基板层没有产生伸长应变而限制压电层的伸长变形， 从而压电层伸长变形带动双层悬臂梁产生伸长和弯曲两种变形。两种变形的复合即为悬臂梁的顶端位移, 可表示为: (1) 其中L , h 为悬臂梁的长度和厚度, d 31 为压电陶瓷材料的横向压电常数, E 3 为施加在z 轴方向的电场。为位移影响因子: (2)这里, A = Em / Ep , B = hm/ hp 。Em, Ep 分别为悬臂梁金属层和压电层的杨氏模量; hm , hp 分别为两层的厚度。如果想使悬臂梁不产生弯曲, 必须有一力Ftop作用于端部。根据悬臂梁理论, 可以计算出悬臂梁的端部当力为: （3）w 为悬臂梁的宽度。该当力即是微夹持器的夹持力。由上分析可知: 微夹持器的张开距离和夹持力取决于应用在悬臂梁上的电场强度、压电悬臂梁尺寸和压电材料的性能。对于压电材料来说,提高横向压电常数能够增大微夹持器的张开距离和夹持力11。五、主要参考文献 1 梁大伟, 李凌全，曾威, 刘冲, 滕弘飞. 微夹钳传动分析J. 大连理工大学学报,2003, 43(4): 466-4692 陈海,孟中岩 ,曹长江 , 张琛. 梯度功能压电陶瓷微夹钳的设计和操作原理J. 上海交通大学学报, 2002, 36(5): 620-6233 张培玉, 武国英, 郝一龙, 李志军. 微夹钳研究的进展与展望J. 光学精密工程，2000, 8(3): 292-2964 叶鑫，张之敬，孙媛，王强. 集成微力检测与反馈的双晶片微夹持器J. 兵 工 学 报，2009, 30(9): 1242-12475 蔡建华, 黄心汉, 吕遐东, 王敏. 一种集成微力检测的压电式微夹钳J. 机器人 ROBOT，2006, 28(1): 59-646 曾祥进, 黄心汉 ,王 敏. 基于Dahl 模型的压电陶瓷微夹钳控制研究J. 中国机械工程，2008,19(7):766-7997 胡斌梁, 陈国良. 压电陶瓷微夹钳迟滞环自适应逆控制研究J. 中国机械工程，2006， 17(8): 798-8018 吴建华，褚家如. 一种压电驱动微操作器及其释放位置精度分析J. 光学精密工程， 2005, 13(3) :283-2909 Mohd Nashrul Mohd Zubir , Bijan Shirinzadeh , Yanling Tian . A new design of piezoelectric driven compliant-based microgripperfor mi