多指型微型夹持器件的制作方法

本发明涉及制造微操作夹持技术领域，特别是涉及一种多指型微型夹持器件。

背景技术：

随着生物医学工程和微机电系统(mems)的迅猛发展，微操作对象的尺度不断减小。在医学、生物学、自适应光学，特别是动植物基因工程、农产品改良育种等领域，需要对单一游离细胞进行抓取搬运和释放操作，同时需要向细胞内注入或抽离细胞组织。这些处理过程都离不开高精度的微操作系统以及微尺度下的作业工具。在mems领域，对微纳米尺度下的零件进行加工、调整，对多个微小零件的装配作业等工作都需要微操作和微装配系统的参与。

微夹持器作为微操作系统中的末端执行器，需要直接对微装配或微操作对象进行夹持搬运和释放操作，对微操作过程的实施起着至关重要的作用。微夹持器作为微操作系统和微操作对象之间的重要纽带，其操作的成功率或稳定性直接影响着微操作系统的优劣。因此，在mems领域，开发性能稳定有效，适用于相关微操作系统的微夹持器是实现mems技术产业化的重要步骤。在显微生物医学研究和微纳米材料特性等科学研究领域，开发与微操作尺寸相适应，具有优良夹持效果的微夹持器，可以极大的促进这些领域的发展。mems工艺中一般由硅材料制成微夹持器，对硅材料的掺杂处理可以实现其电阻率的大范围可调，另外其机械性能同样优良，可以直接作为结构材料，并拥有良好的应用前景。

在微观尺度下，被夹持对象的不断减小也为操作关键技术及其集成技术提出了更高的要求，对微器件设计、制作和操作方法提出了新的挑战。粘着是造成微尺度对象操作困难的最主要因素之一，当操作对象进入微尺度范围后，由于尺度效应和表面效应，范德华力、毛细作用力、静电力等粘着力起主要作用，在操作过程中粘着力的变化以及动态粘着模型的改变使得操作过程变得更为复杂，其中拾取后的稳定释放是微夹持器需要达到的重要目标。

在微装配、细胞操纵、对微尺度对象的机械力检测等各种微操作中，对微夹持器提出了各种各样的需求，因而催生出了各式各样、形状不同、性能相差异的微夹持器，同时仍需要对微夹持器功能的不断拓展。例如，近年来在对细胞的研究中，细胞内外力学微环境以及机械力对细胞的影响的研究不断增多。在医学上疾病诊断和药效评估中，生物力学提供了一个很好的替代生物化学分析的方法。因此也有许多研究瞄向了细胞表现出的机械力学特性。这些研究需要借助微操作工具来完成，这也给微操作工具提出了新的需求。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种多指型微型夹持器件。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多指型微型夹持器件，以实现微米级微尺度元件的稳定夹紧、处理和可靠释放。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种多指型微型夹持器件，所述多指型微型夹持器件包括平面微夹持结构及竖直微压指结构，所述平面微夹持结构包括第一基体、固定于第一基体侧部的驱动臂、固定于驱动臂端部的扩展臂、及固定于扩展臂末端的夹指，所述驱动臂、扩展臂及夹指对称分布，所述竖直微压指结构包括第二基体、固定于第二基体侧部的柔性梁、及固定于柔性梁端部的压指，所述第二基体垂直安装于第一基体上，所述驱动臂为电热驱动平行梁结构，通过驱动臂实现夹指在平面内的夹持，通过柔性梁实现压指在竖直方向上的压力。

作为本发明的进一步改进，所述驱动臂包括冷臂、热臂和柔性臂，所述热臂和柔性臂平行固定于第一基体侧部，热臂位于柔性臂的外侧，冷臂固定安装于热臂和柔性臂之间，且热臂的截面积小于冷臂的截面积。

作为本发明的进一步改进，所述热臂和柔性臂厚度与宽度相等，热臂与冷臂的厚度相等，且热臂的宽度小于冷臂的宽度。

作为本发明的进一步改进，所述驱动臂的材料为硅，柔性臂的长度为热臂长度的10％～15％，驱动臂的长度为100μm～5000μm，热臂和柔性臂的宽度为5～100μm。

作为本发明的进一步改进，所述第一基体上设有若干引线焊盘，所述热臂和柔性臂分别与引线焊盘电性连接，通过引线焊盘在驱动臂的热臂和柔性臂之间施加电压。

作为本发明的进一步改进，所述扩展臂为s形扩展臂，s形扩展臂包括若干间隔分布的横向梁和纵向梁，s形扩展臂的厚度为10μm～100μm，s形扩展臂总长度不小于500μm。

作为本发明的进一步改进，所述横向梁的长度自驱动臂向夹指方向全部或部分呈阶梯状减小，所述纵向梁的长度自驱动臂向夹指方向保持不变。

作为本发明的进一步改进，所述压指位于两夹指中间区域的下方，且压沿平面呈向上倾斜设置，倾斜角度为10°～15°。

作为本发明的进一步改进，所述第一基体和第二基体上分别设有对应的装配槽和装配插脚，所述第一基体和第二基体通过装配槽与装配插脚固定安装。

作为本发明的进一步改进，所述夹指的内侧面和/或压指的下表面上设有锯齿结构，锯齿厚度为1μm～5μm，锯齿顶点角度为50°～70°。

本发明的有益效果是：

多指型微型夹持器件结构紧凑，体积小，能够对微小构件实施稳定拾取及可靠释放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一具体实施例中多指型微型夹持器件的结构示意图；

图2为本发明一具体实施例中多指型微型夹持器件的另一视角结构示意图；

图3为本发明一具体实施例中多指型微型夹持器件的局部结构示意图；

图4为本发明一具体实施例中驱动臂的原理示意图；

图5为本发明一具体实施例中压指的结构示意图；

图6为本发明一具体实施例中多指型微型夹持器件的装配示意图；

图7为本发明一具体实施例中多指型微型夹持器件夹取微球的示意图；

图8为本发明一具体实施例中驱动臂的温度分布云图；

图9为本发明一具体实施例中21v电压下驱动臂的位移分布图；

图10为本发明一具体实施例中21v电压下驱动臂最大应力处截面图；

图11为本发明一具体实施例中扩展臂的温度分布图；

图12为本发明一具体实施例中压指末端在受150μn作用力时的形变图；

图13为本发明中多指型微型夹持器件拾取时的力学模型图；

图14为本发明中多指型微型夹持器件搬运时的力学模型图；

图15为本发明中多指型微型夹持器件释放夹指时的力学模型图；

图16为本发明中多指型微型夹持器件释放压指时的力学模型图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种多指型微型夹持器件，包括平面微夹持结构及竖直微压指结构，平面微夹持结构包括第一基体、固定于第一基体侧部的驱动臂、固定于驱动臂端部的扩展臂、及固定于扩展臂末端的夹指，驱动臂、扩展臂及夹指对称分布，竖直微压指结构包括第二基体、固定于第二基体侧部的柔性梁、及固定于柔性梁端部的压指，第二基体垂直安装于第一基体上，驱动臂为电热驱动平行梁结构，通过驱动臂实现夹指在平面内的夹持，通过柔性梁实现压指在竖直方向上的压力。

以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。

参图1至图6所示，本发明一具体实施例中的多指型微型夹持器件，包括平面微夹持结构及竖直微压指结构，平面微夹持结构包括第一基体11、固定于第一基体侧部的驱动臂12、固定于驱动臂端部的扩展臂13、及固定于扩展臂末端的夹指14，竖直微压指结构包括第二基体21、固定于第二基体侧部的柔性梁22、及固定于柔性梁端部的压指23，第二基体21垂直安装于第一基体11上，驱动臂12、扩展臂13及夹指14对称分布，驱动臂12为电热驱动平行梁结构，通过驱动臂12实现夹指14在平面内的夹持，通过柔性梁22实现压指23在竖直方向上的压力。

本实施例中微夹持器的操作范围为：55μm-110μm；微夹持器初始张合量范围：50μm-120μm；夹持力提供范围：10μn-200μn。

参图3、图4所示，本实施例中的驱动臂12包括冷臂122、热臂121和柔性臂123，热臂121和柔性臂123平行固定于第一基体侧部，热臂121位于柔性臂123的外侧，冷臂122固定安装于热臂121和柔性臂123之间，且热臂121的截面积小于冷臂122的截面积。

其中，热臂和柔性臂厚度与宽度相等，热臂与冷臂的厚度相等，且热臂的宽度小于冷臂的宽度。

优选地，驱动臂的材料为硅，柔性臂的长度为热臂长度的10％～15％，驱动臂的长度为100μm～5000μm，热臂和柔性臂的宽度为5～100μm。

另外，第一基体11上设有若干引线焊盘111，热臂121和柔性臂123分别与引线焊盘111电性连接，通过引线焊盘111在驱动臂的热臂121和柔性臂123之间施加电压。

本发明设计的微夹持器由于立体封装工艺的限制，平面部分需要尽可能结构简单、驱动直接有效。电热驱动平行梁结构将驱动结构与位移放大机构融合在了一起，避免了复杂的平面结构，且平行梁模式尺寸设计灵活，既能以小尺寸结构产生大位移，又能实现较大驱动输出，因此本发明将电热驱动平行梁结构作为平面部分的驱动和位移放大方式。

不同电热弯曲梁材料对于其性能的影响较大，因素主要有热膨胀系数、弹性模量、热传导率、电阻率、熔点等。考虑到硅具有较高的电阻率和良好的导热性能；相对于静电力和磁场力而言，热应力较大；且硅又拥有良好的屈服强度，其屈服强度却优于大多数金属，因此可以提供较大的夹持力，或可以做成放大比很大的结构。硅的熔点是1410℃，与钢和铁的熔点相当，这意味着硅具有很强的热膨胀极限。硅是mems器件的常用材料，其制作工艺成熟可靠，因此本实施例用硅作为驱动臂的材料。

参图4所示，本实施例中的驱动臂由冷臂、热臂和柔性臂组成。将冷臂末端和柔性臂底端接通电极，冷臂、热臂和柔性臂相当于串联电阻。冷热臂由于横截面积不同，电流密度不同，热臂比冷臂产生更大的电热密度，温度更高，因此产生更大的热膨胀量，驱动整个结构向冷臂方向弯曲。停止加热，由于热量散失，整个结构将回到初始位置。

驱动臂中柔性臂是影响位移的关键，柔性臂越窄，位移越大，但柔性臂不能小于热臂的宽度，否则会因电流密度大于热臂而高温熔断，通常柔性臂与热臂等宽。为保证弹性变形，柔性臂应足够长，但柔性臂过长，功率损耗增大，位移反而减小，经优化计算，柔性臂的长度取热臂长度的10％～15％时输出位移最大。本发明设计的微夹持器基于体硅加工工艺，因此加工能力的限制是设计中要考虑的首要问题。为使微夹持器的性能趋于最优，结构参数的设计应考虑位移输出范围大，输出夹持力适当，工艺简单可靠，整体尺寸尽可能小等因素。初步拟定其几何尺寸为驱动臂长度800μm，宽度15μm。结构总体厚度50μm。

结合图8至图10所示，根据驱动臂的温度分布云图、21v电压下位移分布图、21v电压下驱动臂最大应力处截面图的仿真分析，发现驱动臂结构总长度越长、热臂的宽度越窄，驱动臂在工作温度范围内顶端位移量越大，驱动臂性能越好。但是受mems工艺限制，当结构总长度越长、热臂宽度越窄时，冷热臂的制作难度越大，结构越容易在制作或移动过程中损坏。因此选择冷热臂合适的结构尺寸参数是冷热臂结构设计的重要内容。当驱动臂上最高温度700℃。由于平面微夹持结构的设计要求的张合量为50-120μm，因此，单侧驱动臂的设计要求为输出位移量＞45μm。综合体硅工艺的加工能力选择冷热梁的最终结构尺寸参数为：驱动臂长度：1000μm；热臂宽度：10μm。

参图3所示，扩展臂13为s形扩展臂，s形扩展臂包括若干间隔分布的横向梁和纵向梁，s形扩展臂的厚度为10μm～100μm，s形扩展臂总长度不小于500μm。

横向梁的长度自驱动臂向夹指方向全部或部分呈阶梯状减小，纵向梁的长度自驱动臂向夹指方向保持不变。

本发明中微夹持器与其他致动方式相比存在末端温度太高、驱动力过大的缺点。经有限元仿真分析，当驱动臂末端夹指位移为30.5μm时，驱动臂结构末端的温度为701℃，夹指末端的温度为589℃。对夹指末端在y方向加载10μm的变形量时，驱动臂在末端的夹持力为534μn，夹指夹持力为624μn。

末端温度过高容易使夹持对象熔化或高温变质；驱动力过大使得末端夹指的夹持力难以控制，使夹持对象变形或破碎。这两个缺点限制了微夹持器的使用范围。为了减小电热弯曲梁的末端温度和夹持力大小，本发明提出了s形梁扩展臂的优化方案，结构总体厚度与驱动臂同为50μm，s形梁的总长度为1000μm。

应用稳态热分析模块对s形梁进行温度场模拟，建立s形梁有限元模型，材料参数与电热耦合分析相同，设定横向s形梁和纵向s形梁底端温度为700℃时，横向s形梁温度分布如图11所示，末端温度降低为198℃。

将横向和纵向s形梁分别连接在驱动臂末端，建立有限元模型，其他材料参数与以上仿真分析相同。与驱动臂直接驱动夹指末端相比，采用s形梁结构，当夹指末端产生10μm的变形量时，夹指末端的夹持力可以降低至100μn-200μn，这是微夹持器常用的夹持力范围。

参图3所示，柔性梁22包括平行设置的下柔性梁221和上柔性梁222、以及位于下柔性梁221下方的s型柔性梁223，压指23设于s型柔性梁223的末端。压指23位于两夹指14中间区域的下方，且压沿平面呈向上倾斜设置，倾斜角度为10°～15°。

基于粘着力与多指型微型夹持器件操作分析和操作对象的要求，以平面驱动臂下底面为坐标原点，竖直微压指末端运动的最低行程为55μm，出现在释放直径55μm微球时；最高行程为110μm，出现在拾取直径110μm微球时。在整个行程范围内，竖直微压指需对微球提供80μn-200μn之间的压力。

受mems工艺所限，微夹持器竖直部分难以进行引线键合而无法对其供电。因此对竖直微压指无法使用mems常规的驱动方式。本发明对竖直微压指采用柔性梁方式，通过微夹持对象对竖直微压指的压力实现其与平面微夹指相对位置的变化，压指初始位置在平面微夹持部分下底面以下15μm处。

应用ansys静态分析模块对竖直压指进行静力分析，建立竖压指部分的有限元模型，对压指末端施加z轴方向100μn作用力时，压指可产生90μm的位移，形变云图如图12所示。最大应力出现在顶部折弯处，为3.95×10⁶p，远小于单晶硅的屈服应力，强度方面满足要求。在55μm-110μm行程内，微压指的压力均在80μn-200μn之间，满足设计要求。

参图3、图5及图7所示，夹指14的内侧面上设有第一锯齿结构141，压指23的下表面上设有第二锯齿结构231，第一锯齿结构141和第二锯齿结构231仲的锯齿厚度为1μm～5μm，锯齿顶点角度为50°～70°。

在拾取和释放操作时，竖直压指末端与操作基底保持水平可以使微操作更为稳定。由于微操作时普遍将微夹持器与基底之间放置成一定角度，因此将微夹指末端与平面夹持部分设计为15°夹角以尽可能满足微压指末端与操作基底保持水平。

为更好的满足微操作要求，结合理论分析中粗糙度对粘着力的定性分析和工艺加工条件，在微夹持臂夹持面设计上采用了齿状结构，增加了夹持面的粗糙度。综合mems工艺制作水平，设计锯齿厚度3.5μm，锯齿顶点角度60°。

参图6所示，平面微夹持结构及竖直微压指结构通过微装配方式定位，用点胶工艺固定。第一基体11和第二基体21上分别设有对应的装配槽112和装配插脚211，第一基体11和第二基体12通过装配槽112与装配插脚211固定安装。

电热式驱动臂会使得点胶位置产生较高温度，普通的点胶胶水难以满足设计需要，本实施例中采用型号为ergo5881的乙基绝缘胶水，其最高工作温度范围为140℃。

参图7并结合图13至图14所示，以上述实施例中的多指型微型夹持器件夹持微球30为例进行详细说明。

拾取时的力学模型：

多指型微型夹持器件可采用如图13所示的拾取方式，由于压指可提供垂直于平面夹指方向的支持力，因此拾取操作时，夹指的夹持点可低于微球圆心。

此时夹指的夹持力需要克服微小构件与基底的粘着力，微小构件的主要受力分析如图13所示。

拾取条件为：

nlsinα+nrsinα+flcosα+frcosα＞fn+g。

其中，nl为左夹指夹持力；nr为右夹指夹持力；nt为压指夹持力；fl为左夹指摩擦力；fr为右夹指摩擦力；fn为基底粘着力；g为微球重力。

由于g远小于fn，因此可以将重力忽略，拾取条件为：

nlsinα+nrsinα+flcosα+frcosα＞fn。

搬运时的力学模型：

拾取后需要将微球搬运到目标位置。在这一过程中，微球受到夹指和压指的夹持力的共同作用，主要目的是为了防止发生由于环境干扰造成的微球脱落的情况，使操作更稳定，微球受力分析如图14所示。

释放时的力学模型：

释放时，微夹持器需要克服微球与夹指和压指间的粘附力。

多指型微型夹持器件对微球的释放分为两步：

一、用压指将微球按压在基底上，释放两夹指。下面以左夹指对微球的粘着力大于右夹指为例来说明，微球的受力分析如图15和所示。

微球的释放条件为：

ft+fb+fr＞fl。

其中，ft为压指对微球的摩擦力；fb为基底对微球的摩擦力；fr为右夹指对微球的粘着力；fl为左夹指对微球的粘着力。

右夹指对微球的粘着力与左夹指同理。

二、抬起压指，释放微球，微球的受力分析如图16所示。

微球能够释放的条件为：

fn+g＞ft。

其中，fn为基底对微球的粘着力；ft为压指对微球的粘着力。

可见，本发明在拾取微球的过程中，由于压指可以提供纵向夹持力，所以能够允许左右夹指向下偏离圆心对微球进行夹取操作。相对于传统两指式微夹持器，只有两夹指与微球的接触点通过圆心才能成功拾取，多指型微型夹持器件扩大了有效拾取的夹持范围，提高了拾取的成功率。

在搬运过程中，由于微球受到三个方向上的夹持力，搬运过程更加稳定可靠。

在释放过程中压指可以用作辅助交接释放。在释放夹指的过程中，夹指对微球的粘附力主要由基底和压指对微球的摩擦力来克服。在释放压指的过程中，压指对微球的粘着力主要由基底对微球的粘着力来克服。而传统的两指式微夹持器在释放过程中的粘着力主要由重力来克服。在微观尺度下，摩擦力和粘着力都远远大于重力，因此多指型微型夹持器件可以有效提高释放成功率。

针对本实施例中的多指型微型夹持器件，以直径在55μm～110μm之间的聚苯乙烯微球为例，针对微球进行、拾取实验、搬运实验、平面两指释放实验、竖直微压指释放实验，可以发现：

通过多指型微型夹持器件拾取和夹持拾取实验，验证了拾取操作分析和夹持操作分析的正确性；

通过连续释放实验，验证了微夹持器释放操作的稳定性以及释放位置的准确性；

多指型微型夹持器件工作安全、可靠，拾取释放准确，三指式操作方法是一种比较理想的微构件操作方法。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

多指型微型夹持器件结构紧凑，体积小，能够对微小构件实施稳定拾取及可靠释放。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。