微機電系統(tǒng)(MEMS)

1、MEMS一種微夾持系統(tǒng)的研制一種微夾持系統(tǒng)的研制講述者 : 于沖學(xué) 號 : 10721240專 業(yè) : 精密儀器與機械概述 介紹介紹一一種種半自動微夾持系統(tǒng)，其由一個微夾持器和一半自動微夾持系統(tǒng)，其由一個微夾持器和一個個X，Y，Z軸定位系統(tǒng)組成。軸定位系統(tǒng)組成。該該微夾持器包含兩個一自由微夾持器包含兩個一自由度的手指，由非晶、軟磁材料制成，并由電磁驅(qū)動。該微度的手指，由非晶、軟磁材料制成，并由電磁驅(qū)動。該微夾持器夾持器通過通過一個手動調(diào)節(jié)的不銹鋼一個手動調(diào)節(jié)的不銹鋼支架和支架和三自由度定位系三自由度定位系統(tǒng)統(tǒng)相連相連。其其位置經(jīng)光學(xué)位置經(jīng)光學(xué)檢測，檢測，由具有易讀由具有易讀特點特點和位置連續(xù)和

2、位置連續(xù)跟蹤跟蹤功能的數(shù)字功能的數(shù)字量儀量儀指出指出。系統(tǒng)系統(tǒng)所有軸都是由步進電機驅(qū)所有軸都是由步進電機驅(qū)動，操縱動，操縱中能實現(xiàn)中能實現(xiàn)微粒的精確定位。微粒的精確定位。最后，該最后，該微夾持系統(tǒng)微夾持系統(tǒng)在大氣條件下借助光學(xué)顯微鏡進行了在大氣條件下借助光學(xué)顯微鏡進行了“取放取放” 實驗實驗。夾持夾持力經(jīng)評估為良好。力經(jīng)評估為良好。Shanghai UniversityShanghai University目錄5. 思考思考4. 結(jié)論與展望結(jié)論與展望3. 實驗實驗2. 微夾持器與微夾持器與定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)1. 引言與總體結(jié)構(gòu)引言與總體結(jié)構(gòu)Shanghai University1. 引言與總體結(jié)

3、構(gòu)引言與總體結(jié)構(gòu) 微、小型系統(tǒng)中操持、裝配和檢測等領(lǐng)域都要涉及微小型元件的操持，然而由于微、小型系統(tǒng)本身的特點，微小型元件的有效操持成了MEMS領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一，也成了制約MEMS發(fā)展及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，研究人員對微操作技術(shù)的研究表現(xiàn)出越來越濃的興趣。Shanghai University1.1 引言引言 這里，設(shè)計和開發(fā)一種靈活、價格低廉、半自動微夾持系統(tǒng)，以便解決一些工程實際問題，并希望能夠進行較廣泛的應(yīng)用。電磁驅(qū)動的微夾持器裝在一個不銹鋼支架上，為適應(yīng)工作區(qū)域該支架可人工定位于0180間的一個工作角。支架安裝在自動控制X，Y，Z軸的定位系統(tǒng)上。光

4、纖和橡膠微粒等所有被夾持的微粒放在另一個移動平臺上。 工作速度20m /s.1.2 總體結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)Fig. 1c a more general view of the micro-gripping system showing the automatically controlled x, y, z positioning system as well as the mobile platform on which the particles are placed.Shanghai UniversityFig. 1a Photo of the micro-gripping systemFig

5、. 1b Photo of the electromagnetically actuated micro-gripperShanghai University2. 微夾持器與定位系統(tǒng)微夾持器與定位系統(tǒng) 微夾持器的手指與末梢都有非晶材料制成，這些材料具有良好的軟磁性和力學(xué)性能，如VITROVAC 7505（最大脈沖滲透率比4000-8000 Vs/Am）或Metglas 2714A（鈷基合金，耐腐蝕）。VITROVAC 7505具有最好的性能表現(xiàn)。 VITROVAC具有較高的磁化強度，高敏感性，而且比Metglas更細。 手指及其末梢是由冷激光切割而成的。手指末梢的形狀如圖2所示。這種形狀有助于

6、從很多微型零件中抓取零件，既使這些零件放置的非常緊密。Shanghai University2.1 微夾持器微夾持器驅(qū)動器包括一個高度定向纏繞FeSi結(jié)晶片的雙層線圈（120匝，直徑70m）。芯體使用電火花加工（EDM）技術(shù)制成。手指通過燒/粘接固定在其左右兩側(cè)（如圖3所示）。手指由驅(qū)動器產(chǎn)生的磁場對稱激活。微夾持器的張開和閉合由所施加的交流電控制（0600mA）。Shanghai UniversityShanghai University驅(qū)動前手指末梢的正常狀態(tài)是張開的，如果驅(qū)動后其仍然閉合，那是剩磁的原因。這時可通反向電流使其張開。Fig. 4. (a) Photo of the tips

7、 of the micro-gripper in open state. (b) Photo of the tips of the micro-gripper in closed state.在大多數(shù)應(yīng)用中，被夾持物應(yīng)比手指末梢張開范圍R小，微夾持器需要在一定程度上接近被夾持物。在這種情況下，要考慮到：（一）Fmag隨著手指和驅(qū)動器之間距離的減小而增加；（二）Fmech是彎曲手指克服其剛度所需要的力。處于張開狀態(tài)時微夾持器一手指上的力近似為：Shanghai University2.2 定位系統(tǒng)定位系統(tǒng) 定位系統(tǒng)是包括一個能沿X，Y，Z軸移動的平臺，有微夾持器的不銹鋼支架安裝于其上，還包含另外

8、一個放置微、小型元件（待操持元件）的移動平臺。所有軸都由商用粘滑電機驅(qū)動，步長為30m，頻率為2 kHz，速度為12mm/min。定位系統(tǒng)由LabVIEW程序控制。Fig. 6. Schematic diagram Shanghai University3. 實驗實驗為了表征微夾持系統(tǒng)，評估其執(zhí)行效率，進行了力評估和微?！叭》拧辈僮鲗嶒?。在力評估中，通過測量線圈中的電流值來評估微夾持器所取微粒的質(zhì)量，如圖5所示。Fig. 6. Photo taken under the microscope during the force evaluations of the micro-gripper.

9、Different rubber masses of different weight were lifted (approach of the micro-gripper and pick) while different values of current were applied.Shanghai University用重力乘以質(zhì)量，就可以得到結(jié)果曲線。圖7是運用公式（1）得到的模擬值和測得的對應(yīng)于電流的夾持力的對比圖。可以看出結(jié)果是相當一致的。Fig. 7. Dependence of gripping force F on dc applied current I.Shanghai

10、University 在大氣環(huán)境中借助光學(xué)顯微鏡進行了光纖（直徑125m）和焊絲（直徑為50m）的“取放”實驗，如圖8所示（圖片在顯微鏡下拍攝）。Fig. 8. Photo taken under the microscope during manipulation (approach and gripping) task of an optical fiber of 125m in diameter.Shanghai UniversityFig. 9. “Pick and place” task of an optical fiber of 125m in diameter. The mic

11、ro-ripper is approaching the optical fiber, is gripping it and picking it up.Shanghai UniversityFig. 10. Detailed photos of the “pick and place” task shown in Fig. 9.操作中微夾持器末梢、微夾持器手指和驅(qū)動器上的溫度由K型（鎳/ 鎳鉻）熱電偶衡量。微夾持器不間斷操作一段時間進行評測，并重復(fù)進行以盡可能消除偶然誤差。結(jié)果顯示：在給定的條件下，10mm長微夾持器手指的熱膨脹可以忽略不計，因為溫度每變化1手指長度的變化小于0.1m。Sha

12、nghai University4. 結(jié)論與展望結(jié)論與展望 這里，設(shè)計和開發(fā)一種靈活、價格低廉、半自動微夾持系統(tǒng)，其由一個微夾持器和一個X，Y，Z軸定位系統(tǒng)組成。 該微夾持器包含兩個一自由度的手指，其由非晶、軟磁材料制成，并由電磁驅(qū)動。 微夾持器的位置由數(shù)字量儀實時給出，以便于及時調(diào)整。系統(tǒng)所有軸都是由步進電機驅(qū)動，操縱中能實現(xiàn)精確定位。 最后，對該微夾持系統(tǒng)進行了力評估，并在大氣條件下借助光學(xué)顯微鏡進行了微粒的“取放” 實驗，結(jié)果較為理想。 4.1 結(jié)論結(jié)論Shanghai University4.2 展望展望 隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜化，微裝配/微操作技術(shù)的研究引起

13、國內(nèi)外相關(guān)研究者的日益重視，微夾持技術(shù)作為其重要一面，地位日益突出。 應(yīng)當看到，目前對有關(guān)理論和應(yīng)用的研究還遠遠不夠，在新材料、測量手段、控制方法等方面都還有許多問題沒有得到完全解決。比如在此系統(tǒng)的研究中就發(fā)現(xiàn)：. 當微夾持器末梢接近微粒時出現(xiàn)了粘附，特別當材料是鐵制零件。. 試驗中微夾持器手指、末梢上的溫度特性，與驅(qū)動器上的溫度特性表現(xiàn)的也不一樣。Shanghai University可以預(yù)見，今后一段時間微夾持系統(tǒng)的發(fā)展可能集中在以下幾個方面：. 視覺技術(shù) 微操作中對精度要求越來越高，視覺信息的獲取、視覺的引導(dǎo)等將成為主要研究方面。. 微夾持器 由于微夾持器不僅要滿足微操作條件下復(fù)雜的力不

14、確定性，而且必須具有一定的自由度以滿足各種不同的操作。因此，其合理設(shè)計與制造也是重要環(huán)節(jié)。. 微驅(qū)動和控制技術(shù)總之，未來的發(fā)展方向應(yīng)當是融合微電子、材料、機械、計算機等技術(shù)來解決微觀領(lǐng)域問題。Shanghai University5. 思考思考. 微夾持器末梢的力的作用機理？怎么知道應(yīng)通的電流量？其靈敏度如何？. 微粒很小，怎么削弱或消除微夾持器接近微粒過程中的吸附？. 夾持器手指及末梢都有軟磁材料制成，怎樣避免其易受其它磁場干擾等影響？Shanghai University參考文獻參考文獻1 韓江義,游有鵬,王化明,等.一種帶力傳感的微夾持器設(shè)計及試驗J.機器人,2009,31(01):67

15、-71. 2 孫立寧,陳濤,邵兵,等.具有感知功能的四臂式MEMS微夾持器研制J.光學(xué)精密工程,2009,17(08):1878-1883.3 I. Giouroudi, H. Htzendorfer, J. Kosel, et al. Development of a micro-gripping system for handling of micro-components J. Precision Engineering 2008,32(2):148-152.4 榮偉彬,謝暉,王家疇,等.一種集成三維微力傳感器的微夾持器研制J.壓電與聲光,2007,29(02):175-178. 5 Giouroudi I, et al. Design of a micro