專利名稱：一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗及制作工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域中的微執(zhí)行器，特別涉及一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾 鉗及其制作工藝方法。
背景技術(shù)：
隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)于生物體微小組織及細(xì)胞的研究已成為熱點(diǎn)。研究 和開發(fā)適用于生物微操作，能夠方便加持微小組織及細(xì)胞的微夾鉗，是促進(jìn)生物技術(shù)發(fā)展 的重要因素，因此成為近年來(lái)微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前微夾鉗的驅(qū)動(dòng)方式主要有靜電式、電磁式、液壓式和電熱式等。與其他驅(qū)動(dòng) 方式相比，電熱驅(qū)動(dòng)具有驅(qū)動(dòng)力及位移較大、驅(qū)動(dòng)電壓低和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適用于生物微 操作過(guò)程。微夾鉗的鉗體部分主要由剛性機(jī)構(gòu)或柔性機(jī)構(gòu)構(gòu)成。具有剛性機(jī)構(gòu)的微夾鉗由 于加工及裝配技術(shù)的限制，其體積較大，難于實(shí)現(xiàn)微小化。而具有柔性機(jī)構(gòu)的微夾鉗一般為 單片結(jié)構(gòu)，可以采用半導(dǎo)體加工技術(shù)進(jìn)行整體制作，無(wú)需裝配，可實(shí)現(xiàn)微小化。并且柔性機(jī) 構(gòu)一般采用柔性鉸鏈鉸接，具有無(wú)摩擦及間隙，無(wú)需潤(rùn)滑和運(yùn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)。生物體微操作要求電熱微夾鉗的生物兼容性要高，夾持溫度要低。SU-8膠 是一種負(fù)性光刻膠，由于其生物兼容性高，熱膨脹系數(shù)大，非常適合作為用于操作生物 體的微夾鉗的材料。目前SU-8膠電熱微夾鉗主要為和Λ形梁陣列驅(qū)動(dòng)式。冷熱臂 驅(qū)動(dòng)式 SU-8 膠電熱微夾鉗見文獻(xiàn) Nikolas Chronis, Luke P. Lee. Electrothermally Activated SU-8 Microgripper for Single CellManipulation in Solution. JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICALSYSTEMS, VOL. 14，NO. 4，AUGUST 2005。由于冷熱臂驅(qū)動(dòng)式微 夾鉗熱源距離夾持端較近，其夾持溫度較高。Λ形梁陣列驅(qū)動(dòng)式SU-8膠電熱微夾鉗見文 獻(xiàn) Karthik S. Colinjivadi, Jeong-Bong Lee, Rockford Draper. Viable cellhandling with high aspect ratio polymer chopstick gripper mounted on a nanoprecision manipulator. Microsyst Technol (2008) 14 :1627-16330 A 形梁陣列驅(qū)動(dòng)式微夾鉗驅(qū)動(dòng)器 與夾持端較遠(yuǎn)，夾持端溫度較低，但由于金屬層和SU-8結(jié)構(gòu)層分布不對(duì)稱，施加電壓之后 鉗體具有法向彎曲，影響操作進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用一種類似三明治的金屬 層——SU-8層——金屬層的三層對(duì)稱結(jié)構(gòu)，夾持過(guò)程中不會(huì)發(fā)生法向彎曲。本發(fā)明中的微 夾鉗中的柔性機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)新穎，運(yùn)動(dòng)放大倍數(shù)大，能夠夾持的物體尺寸范圍大。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，其特征是，微夾鉗是具有驅(qū) 動(dòng)部分和鉗體柔性機(jī)構(gòu)兩部分的一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，由SU-8膠結(jié)構(gòu)層1和位于驅(qū)動(dòng)部分上、下 表面的上、下電極金屬層2、2’組成，并且左右結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱；驅(qū)動(dòng)部分中，驅(qū)動(dòng)位移桿4和 A形梁陣列3連接，并固定在固定桿5上，左、右電極6、6’固接在固定桿5上；鉗體柔性機(jī) 構(gòu)部分為10桿柔性機(jī)構(gòu)，其中左、右鉗臂搖桿16、16’的上端為左、右夾持端17、17’，中下部通過(guò)左、右第5柔性鉸鏈15、15’與左、右第2搖桿11、11’的上部鉸接；左、右鉗臂搖桿 16,16'的下部通過(guò)左、右第6柔性鉸鏈14、14’與左、右第3搖桿13、13’的上部鉸接；左、 右第2搖桿11、11’的中下部通過(guò)左、右第3柔性鉸鏈10、10’與固定桿5的上部鉸接；左、 右第2搖桿11、11’的下部通過(guò)左、右第2柔性鉸鏈9、9’與左、右第1搖桿8、8’的中部鉸 接；左、右第3搖桿13、13’的下部通過(guò)左、右第4柔性鉸鏈12、12’與左、右第1搖桿8、8’ 的上部鉸接；左、右第1搖桿8、8’的下部通過(guò)左、右第1柔性鉸鏈7、7’與驅(qū)動(dòng)位移桿4的 上部鉸接?！N柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，其采用的制作工藝方法特征是，用硅片作為基底，通過(guò) 氧化、涂膠、曝光、顯影、腐蝕、濺射金屬制作工藝制成，具體制作工藝方法包括以下步驟(1)氧化用硅片18作為基底，對(duì)其進(jìn)行清洗、單面氧化，在其表面生成一層氧化 層19 ；(2)涂膠在氧化層19上旋涂一層SU-8膠層20，控制甩膠機(jī)的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，使膠
厚達(dá)到一定厚度；(3)曝光將掩模板21放置在SU-8膠層20上并對(duì)準(zhǔn)，采用紫外線曝光工藝，實(shí)現(xiàn) 掩模板21上微夾鉗圖形向SU-8膠層20的轉(zhuǎn)移；(4)顯影使用SU-8膠顯影液對(duì)SU-8膠層20進(jìn)行顯影，得到微夾鉗SU_8膠結(jié)構(gòu) 層1 ；(5)腐蝕使用HF酸緩沖液來(lái)腐蝕氧化層19，將微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層1與硅片18 分離；(6)正面濺射金屬將微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層1放置于平板22上，將模具23放置 在微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層1上并對(duì)準(zhǔn)，然后濺射一定厚度的上電極金屬層2 ；(7)反面濺射金屬將微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層1翻過(guò)來(lái)放置于平板22上，將模具23 放置在微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層1上并對(duì)準(zhǔn)，然后濺射厚度與上電極金屬層2 —致的下電極金 屬層2’ ；將微夾鉗與平板22及模具23分離，得到SU-8膠的微夾鉗。一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，其特征是，Λ形梁陣列3中梁的數(shù)目為1-10個(gè)；正反 面濺射的金屬為銅、鈦、鉬、金、銀、鋁或鉻。本發(fā)明的效果和益處是該柔性電熱微夾鉗采用SU-8膠為材料，生物兼容性好，夾 持溫度低，非常適合作為用于操作生物體。采用Λ形梁陣列作為驅(qū)動(dòng)器，夾持端溫度較低。 采用三層對(duì)稱結(jié)構(gòu)，夾持過(guò)程中不會(huì)發(fā)生法向彎曲。微夾鉗中的柔性機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)新穎，運(yùn)動(dòng)放 大倍數(shù)大，能夠夾持的物體尺寸范圍大。并且，本發(fā)明為整體結(jié)構(gòu)，無(wú)需裝配，制作簡(jiǎn)單，有 助于實(shí)現(xiàn)生物微操作技術(shù)的實(shí)用化。


圖1是柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗三維結(jié)構(gòu)圖。其中1-SU_8膠結(jié)構(gòu)層；2、2’_上、下電 極金屬層。圖2是柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗的單面結(jié)構(gòu)示意圖。其中3-Λ形梁陣列；4-驅(qū)動(dòng)位 移桿；5-固定桿；6、6’ -左、右電極；7、7’ -左、右第1柔性鉸鏈；8、8’ -左、右第1搖桿；9、 9’-左、右第2柔性鉸鏈；10、10’_左、右第3柔性鉸鏈；11、11’_左、右第2搖桿；12、12’_左、 右第4柔性鉸鏈；13、13’ -左、右第3搖桿；14、14’ -左、右第6柔性鉸鏈；15、15’ -左、右第5柔性鉸鏈；16、16’ -左、右鉗臂搖桿；17、17’ -左、右夾持端。圖3是氧化工藝示意圖，圖4是涂膠工藝示意圖，圖5是曝光工藝示意圖，圖6是 顯影工藝示意圖，圖7是腐蝕工藝示意圖，圖8是濺射金屬I工藝示意圖，圖9是濺射金屬 II工藝示意圖，圖10是微夾鉗與平板及模具分離工藝示意圖。圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖 8、圖9、圖10是柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗工藝示意圖。上述圖中l(wèi)-SU-8膠結(jié)構(gòu)層；2、2’ -上、 下電極金屬層，18-硅片，19-氧化層，20-SU-8膠，21-掩膜板，22-平板，23-模具。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明的工作原理如附圖1所示，微夾鉗采用一種類似三明治的上電極金屬層 2——SU-8膠結(jié)構(gòu)層1——下電極金屬層2’的三層對(duì)稱結(jié)構(gòu)。如附圖2所示，在左、右電極 6、6’上施加合適的電壓后，上、下電極金屬層2、2’中有電流通過(guò)，產(chǎn)生焦耳熱，并傳遞到由 4個(gè)Λ形梁組成的Λ形梁陣列3，使Λ型梁膨脹伸長(zhǎng)，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)位移桿4，使其產(chǎn)生向上的 力和運(yùn)動(dòng)。此力和運(yùn)動(dòng)通過(guò)左、右第1柔性鉸鏈7、7’推動(dòng)左、右第1搖桿8、8’向上運(yùn)動(dòng)。 左、右第1搖桿8、8’通過(guò)左、右第2柔性鉸鏈9、9’使左第2搖桿11產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右第 2搖桿11’產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。左、右第1搖桿8、8’通過(guò)左、右第4柔性鉸鏈12、12’推動(dòng)左、 右第3搖桿13、13’向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)左第3搖桿13產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右第3搖桿13’產(chǎn)生順 時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。左第2搖桿11、左第3搖桿13分別通過(guò)左第5柔性鉸鏈15、左第6柔性鉸鏈14 推動(dòng)左鉗臂搖桿16逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)向左運(yùn)動(dòng)。右第2搖桿11’、右第3搖桿13’分別通過(guò) 右第5柔性鉸鏈15’、右第6柔性鉸鏈14’推動(dòng)右鉗臂搖桿16’順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)向右運(yùn)動(dòng)。 左、右夾持端17、17’在左、右鉗臂搖桿16、16’的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生夾持張開運(yùn)動(dòng)。通過(guò)改變施 加在左、右電極6、6’上的電壓的大小，可以對(duì)左、右夾持端17、17’的間距大小進(jìn)行控制。本發(fā)明的制作方法如附圖3所示，取一片硅片18作為基底，對(duì)其進(jìn)行清洗及熱氧 化，使光潔的硅表面生成一層致密的氧化層19。如附圖4所示，將氧化后的硅片放在90°C 預(yù)熱板上預(yù)熱40分鐘后，旋涂適量SU-8膠20，控制甩膠機(jī)的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，使膠厚達(dá)到40微 米左右。然后進(jìn)行前烘，使光刻膠在一定程度上固化。如附圖5所示，以掩膜板21為掩膜 采用紫外線曝光工藝，將掩膜板21上的微夾鉗圖形轉(zhuǎn)移到SU-8膠20上。如附圖6所示， 對(duì)曝光后的硅片進(jìn)行后烘，然后使用SU-8膠顯影液顯影，得到微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層1。如 附圖7所示，將硅片放入氫氟酸緩沖液中，利用氫氟酸腐蝕氧化層19，將微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu) 層1與硅片I8分離。如附圖8所示，將微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層1放置于平板22上，將模具 23放置在微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層1上并對(duì)準(zhǔn)，然后濺射400納米厚的銅，形成上電極金屬層 2。如附圖9所示，將微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層1翻過(guò)來(lái)放置于平板22上，將模具23放置在微 夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層1上并對(duì)準(zhǔn)，然后濺射與上電極金屬層2 —樣的下電極金屬層2’。如附 圖10所示，將微夾鉗與平板22及模具23分離，得到SU-8膠的微夾鉗，由于微夾鉗電極對(duì) 稱分布于微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層1上下表面上，這樣的微夾鉗結(jié)構(gòu)在施加電壓之后鉗體沒有 法向彎曲。此發(fā)明以SU-8膠為微夾鉗材料，利用了 SU-8膠具有高的熱膨脹系數(shù)和高生物 兼容性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)構(gòu)上采用三層對(duì)稱結(jié)構(gòu)及一種結(jié)構(gòu)新穎的柔性放大機(jī)構(gòu)，使得電熱 驅(qū)動(dòng)微夾鉗鉗口位移量大，同時(shí)微夾鉗溫度低，生物兼容性好，非常適合作為用于操作生物體。并且本發(fā)明制作工藝簡(jiǎn)單，為整體結(jié)構(gòu)，無(wú)需裝配，有助于實(shí)現(xiàn)生物微操作技術(shù)的實(shí)用 化。
權(quán)利要求
1.一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，其特征是，微夾鉗是具有驅(qū)動(dòng)部分和鉗體柔性機(jī)構(gòu)兩部 分的一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，由SU-8膠結(jié)構(gòu)層(1)和位于驅(qū)動(dòng)部分上、下表面的上、下電極金屬層 (2、2’ )組成，并且左右結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱；驅(qū)動(dòng)部分中，驅(qū)動(dòng)位移桿(4)和Λ形梁陣列(3)連 接，并固定在固定桿( 上，左、右電極(6、6’)固接在固定桿( 上；鉗體柔性機(jī)構(gòu)部分為 10桿柔性機(jī)構(gòu)，其中左、右鉗臂搖桿(16、16’)的上端為左、右夾持端(17、17’)，中下部通 過(guò)左、右第5柔性鉸鏈(15、15’)與左、右第2搖桿(11、11’)的上部鉸接；左、右鉗臂搖桿 (16、16’)的下部通過(guò)左、右第6柔性鉸鏈(14、14’)與左、右第3搖桿(13、13’)的上部鉸 接；左、右第2搖桿(11、11’)的中下部通過(guò)左、右第3柔性鉸鏈(10、10’)與固定桿(5)的 上部鉸接；左、右第2搖桿(11、11’ )的下部通過(guò)左、右第2柔性鉸鏈(9、9’ )與左、右第1 搖桿(8、8’ )的中部鉸接；左、右第3搖桿(13、13’ )的下部通過(guò)左、右第4柔性鉸鏈(12、 12’ )與左、右第1搖桿(8、8’ )的上部鉸接；左、右第1搖桿(8、8’ )的下部通過(guò)左、右第1 柔性鉸鏈(7、7’ )與驅(qū)動(dòng)位移桿的上部鉸接。
2.如權(quán)利要求1中所述的一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，其采用的制作工藝方法特征是， 用硅片作為基底，通過(guò)氧化、涂膠、曝光、顯影、腐蝕、濺射金屬制作工藝制成，具體制作工藝 方法包括以下步驟(1)氧化用硅片(18)作為基底，對(duì)其進(jìn)行清洗、單面氧化，在其表面生成一層氧化層 (19)；(2)涂膠在氧化層(19)上旋涂一層SU-8膠層(20)，控制甩膠機(jī)的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，使膠厚達(dá)到一定厚度；(3)曝光將掩模板放置在SU-8膠層00)上并對(duì)準(zhǔn)，采用紫外線曝光工藝，實(shí)現(xiàn) 掩模板上微夾鉗圖形向SU-8膠層OO)的轉(zhuǎn)移；(4)顯影使用SU-8膠顯影液對(duì)SU-8膠層OO)進(jìn)行顯影，得到微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層⑴；(5)腐蝕使用HF酸緩沖液來(lái)腐蝕氧化層(19)，將微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層(1)與硅片 (18)分離；(6)正面濺射金屬將微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層(1)放置于平板02)上，將模具03)放 置在微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層(1)上并對(duì)準(zhǔn)，然后濺射一定厚度的上電極金屬層O)；(7)反面濺射金屬將微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層(1)翻過(guò)來(lái)放置于平板02)上，將模具 (23)放置在微夾鉗SU-8膠結(jié)構(gòu)層(1)上并對(duì)準(zhǔn)，然后濺射厚度與上電極金屬層( 一致的 下電極金屬層(2’ )；將微夾鉗與平板0 及模具分離，得到SU-8膠的微夾鉗。
3.如權(quán)利要求1或2中所述的一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗，其特征是，Λ形梁陣列(3) 中梁的數(shù)目為1-10個(gè)；正反面濺射的金屬為銅、鈦、鉬、金、銀、鋁或鉻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗及制作工藝方法，屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域中的微執(zhí)行器，特別涉及一種柔性電熱驅(qū)動(dòng)微夾鉗及其制作工藝方法。微夾鉗是具有驅(qū)動(dòng)部分和鉗體柔性機(jī)構(gòu)兩部分的一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，由SU-8膠結(jié)構(gòu)層和上、下電極金屬層組成，并且左右結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱。驅(qū)動(dòng)部分采用Λ形梁陣列，鉗體柔性機(jī)構(gòu)部分為10桿柔性機(jī)構(gòu)。本發(fā)明制作工藝方法的步驟包括氧化、涂膠、曝光、顯影、腐蝕、濺射金屬。該微夾鉗夾持端溫度較低，采用三層對(duì)稱結(jié)構(gòu)，夾持過(guò)程中不會(huì)發(fā)生法向彎曲。微夾鉗中的柔性機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)新穎，運(yùn)動(dòng)放大倍數(shù)大，夾持物體尺寸范圍大，并且為整體結(jié)構(gòu)，無(wú)需裝配，制作簡(jiǎn)單，有助于實(shí)現(xiàn)生物微操作技術(shù)的實(shí)用化。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102079498SQ201010560298
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者張然, 褚金奎, 陳兆鵬 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)