集成压阻微力检测的四臂式MEMS微夹持器

摘要

本发明提供了一种集成压阻微力检测的四臂式MEMS微夹持器，它包括梳齿静电驱动结构、末端夹持结构、支撑结构和力检测结构，梳齿静电驱动结构由定齿和动齿组成，在定齿和动齿上加载电压，在静电力作用下，动齿向定齿运动，末端夹持结构设计四个夹持臂，中间的两个臂在动齿的驱动下向两侧的臂贴近，完成夹持；两侧的臂固定，上面集成了压阻，负责检测夹持力的大小。支撑结构将动齿悬空，并起到支撑作用，在静电力消失后利用自身弹性将动齿恢复到初始位置。力检测结构为夹持端的固定臂，在其根部两侧集成了侧壁压阻，实现对夹持力的检测，其中压阻结构、工艺简单，集成性好。整体结构加工在一片单晶硅上，通过硅玻璃键合，实现硅结构的支撑和绝缘。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及微装配技术，具体涉及一种集成压阻微力检测的微夹持器。

(二)背景技术

微型夹钳技术是微机电系统研究的重要内容，应用于微装配等领域，在微机电系统的研究及微型产品的研制开发中发挥着重要的作用。

微装配机器人在微零件装配、微机电系统(MEMS)、精密光学等领域有着广泛的应用前景。而微夹钳作为微装配机器人的末端执行器，直接决定机器人的工作效果。研究具有微感知功能的微夹钳是微装配机器人研究中的一个重点和难点。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种利用压阻结构、工艺简单的特点，通过侧壁深度反应刻蚀将其集成在夹持臂的根部，具有灵敏的微力检测功能，并利用静电梳齿驱动实现夹持功能，末端四个夹持臂结合检测梁形成三组夹持器，增大了夹持范围的集成压阻微力检测的四臂式MEMS微夹持器。

本发明的目的是在这样实现的：它包括梳齿静电驱动结构、末端夹持结构、支撑结构和力检测结构，梳齿静电驱动结构由定齿和动齿组成，在定齿和动齿上加载电压，末端夹持结构包括四个夹持臂，中间用以完成夹持的两个臂在动齿的驱动下向两侧的臂贴近，两侧的臂固定，力检测结构为末端夹持结构的固定臂，在其根部两侧集成侧壁压阻，连接成实现对夹持力检测的惠斯通半桥结构，支撑结构将动齿悬空，在静电力消失后利用自身弹性将动齿恢复到初始位置。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的四个夹持臂形成三个夹持器，其中两个具有力检测功能；

2、所述的夹持器利用MEMS体微机械加工技术一起加工在单晶硅片上，尺寸为6.2mm×3.5mm；

3、所述的动齿通过S型梁连接夹持臂，支撑结构包括连接动齿的双端固定梁；

4、所述的侧壁压阻通过离子注入的方式集成到末端夹持结构的固定梁根部。

本发明提供的是一种集成压阻微力检测的四臂式MEMS微夹持器。外形尺寸6.2mm×3.5mm，驱动电压0-80V，夹持范围30μm-130μm，夹持力范围3μN-500μN。它包括梳齿静电驱动结构、末端夹持结构、支撑结构和力检测结构。梳齿静电驱动结构由定齿和动齿组成，在定齿和动齿上加载电压，在静电力作用下，动齿向定齿运动。为增加夹持范围并集成压阻传感器，夹持端设计出四个夹持臂，中间的两个臂在动齿的驱动下向两侧的臂贴近，完成夹持；两侧的臂固定，上面集成了压阻，负责检测夹持力的大小。支撑结构将动齿悬空，并起到支撑作用，在静电力消失后利用自身弹性将动齿恢复到初始位置。力检测结构为夹持端的固定臂，在其根部两侧集成了侧壁压阻，连接成惠斯通半桥结构，完成对夹持力的检测。

本发明的特点有：

1、侧壁压阻实现夹持力检测。

2、四个夹持臂形成三个夹持器，增加了夹持范围，其中两个具有力检测功能。

3、利用MEMS体微机械加工技术，将夹持器和力传感部分一起加工在单晶硅片上，该发明尺寸6.2mm×3.5mm，因此一片100mm单晶硅片上的成品率高，一致性好。

(四)附图说明

图1为本发明MEMS微夹持器整体示意图；

图2为末端力检测结构示意图；

图3为MEMS微夹持器工艺结构示意图；

图4-图5为MEMS微夹持器末端显微镜照片；

图6-图9为MEMS微夹持器电镜图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1，本实施例包括梳齿静电驱动结构、末端夹持结构、支撑结构和力检测结构，梳齿静电驱动结构由定齿3和动齿4组成，在定齿3和动齿4上加载电压，在静电力作用下，动齿4向定齿3运动，带动夹持臂1完成夹持动作。为增加夹持范围并集成压阻传感器，夹持端设计出四个夹持臂，中间的两个臂在动齿4的驱动下向两侧的臂贴近，完成夹持；两侧的臂固定，上面集成了压阻力传感器，负责检测夹持力的大小。支撑结构将动齿4悬空，并起到支撑作用，在静电力消失后利用自身弹性将动齿4恢复到初始位置。力检测结构为夹持端的固定臂，在其根部两侧集成了侧壁压阻，连接成惠斯通半桥结构，完成对夹持力的检测，其中压阻结构、工艺简单，集成性好。整体结构加工在一片单晶硅上，通过硅玻璃键合，实现硅结构的支撑和绝缘。

结合图1，本发明利用静电驱动原理，通过梳齿电极之间的吸引力产生平移。具体通过定齿3对动齿4的静电力吸引，驱使动齿运动，带动夹持臂1摆动，完成夹持动作。S型梁2不仅起到支撑作用，并将动齿的直线运动转化为夹持臂的摆动，实现夹持。梳齿电极容易实现精细的几何结构，响应速度快。双端固定梁5主要起支撑作用，并在静电力消失的情况下利用弹性将动齿4恢复到初始位置。充分利用夹持臂的运动特点，将末端的运动臂和固定的力检测臂结合形成了三组夹持器，增加了夹持器的夹持范围，并可以实现两个对象的同时操作。

结合图2，本发明的末端夹持力检测结构，将侧壁压阻6通过离子注入的方式集成到夹持器力检测固定梁7的根部。通过控制离子注入剂量和能量来控制注入后PN结的深度，并保证对晶格不造成影响。由于力的作用方向垂直侧壁，因此离子注入面形成的是压阻的厚度，并通过深度反应离子刻蚀(DRIE)加工出侧壁压阻，即在侧表面刻蚀出压阻宽度区域，从而实现侧向夹持力的检测。

结合图3，本发明利用MEMS体微机械加工技术，通过直接对单晶硅基体材料进行加工，制作出夹持器本体机构。工艺中主要采用了氧化、光刻、离子注入、腐蚀、溅射、深刻蚀等方法。为了形成完整的微结构，并良好的绝缘，在加工的基础上还要用到键合技术。通过硅-玻璃键合工艺实现硅基的支撑和绝缘。结合图3，硅基9通过硅-玻璃键合工艺键合在玻璃10上，焊盘8设置在硅基9上。