[发明专利]一种柔性电热驱动微夹钳及制作工艺方法

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域中的微执行器，特别涉及一种柔性电热驱动微夹钳及其制作工艺方法。

背景技术

随着生物技术的迅猛发展，对于生物体微小组织及细胞的研究已成为热点。研究和开发适用于生物微操作，能够方便加持微小组织及细胞的微夹钳，是促进生物技术发展的重要因素，因此成为近年来微机电系统技术领域的研究热点。

目前微夹钳的驱动方式主要有：静电式、电磁式、液压式和电热式等。与其他驱动方式相比，电热驱动具有驱动力及位移较大、驱动电压低和结构简单等优点，适用于生物微操作过程。微夹钳的钳体部分主要由刚性机构或柔性机构构成。具有刚性机构的微夹钳由于加工及装配技术的限制，其体积较大，难于实现微小化。而具有柔性机构的微夹钳一般为单片结构，可以采用半导体加工技术进行整体制作，无需装配，可实现微小化。并且柔性机构一般采用柔性铰链铰接，具有无摩擦及间隙，无需润滑和运动精度高等优点。

生物体微操作要求电热微夹钳的生物兼容性要高，夹持温度要低。SU-8胶是一种负性光刻胶，由于其生物兼容性高，热膨胀系数大，非常适合作为用于操作生物体的微夹钳的材料。目前SU-8胶电热微夹钳主要为和Λ形梁阵列驱动式。冷热臂驱动式SU-8胶电热微夹钳见文献Nikolas Chronis，Luke P.Lee.Electrothermally Activated SU-8 Microgripper for Single CellManipulation in Solution.JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICALSYSTEMS，VOL.14，NO.4，AUGUST 2005。由于冷热臂驱动式微夹钳热源距离夹持端较近，其夹持温度较高。Λ形梁阵列驱动式SU-8胶电热微夹钳见文献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)14：1627-1633。Λ形梁阵列驱动式微夹钳驱动器与夹持端较远，夹持端温度较低，但由于金属层和SU-8结构层分布不对称，施加电压之后钳体具有法向弯曲，影响操作进行。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的不足，采用一种类似三明治的金属层——SU-8层——金属层的三层对称结构，夹持过程中不会发生法向弯曲。本发明中的微夹钳中的柔性机构结构新颖，运动放大倍数大，能够夹持的物体尺寸范围大。

本发明采用的技术方案是一种柔性电热驱动微夹钳，其特征是，微夹钳是具有驱动部分和钳体柔性机构两部分的一个整体结构，由SU-8胶结构层1和位于驱动部分上、下表面的上、下电极金属层2、2’组成，并且左右结构完全对称；驱动部分中，驱动位移杆4和Λ形梁阵列3连接，并固定在固定杆5上，左、右电极6、6’固接在固定杆5上；钳体柔性机构部分为10杆柔性机构，其中：左、右钳臂摇杆16、16’的上端为左、右夹持端17、17’，中下部通过左、右第5柔性铰链15、15’与左、右第2摇杆11、11’的上部铰接；左、右钳臂摇杆16、16’的下部通过左、右第6柔性铰链14、14’与左、右第3摇杆13、13’的上部铰接；左、右第2摇杆11、11’的中下部通过左、右第3柔性铰链10、10’与固定杆5的上部铰接；左、右第2摇杆11、11’的下部通过左、右第2柔性铰链9、9’与左、右第1摇杆8、8’的中部铰接；左、右第3摇杆13、13’的下部通过左、右第4柔性铰链12、12’与左、右第1摇杆8、8’的上部铰接；左、右第1摇杆8、8’的下部通过左、右第1柔性铰链7、7’与驱动位移杆4的上部铰接。

一种柔性电热驱动微夹钳，其采用的制作工艺方法特征是，用硅片作为基底，通过氧化、涂胶、曝光、显影、腐蚀、溅射金属制作工艺制成，具体制作工艺方法包括以下步骤：

(1)氧化：用硅片18作为基底，对其进行清洗、单面氧化，在其表面生成一层氧化层19；

(2)涂胶：在氧化层19上旋涂一层SU-8胶层20，控制甩胶机的转速和时间，使胶厚达到一定厚度；

(3)曝光：将掩模板21放置在SU-8胶层20上并对准，采用紫外线曝光工艺，实现掩模板21上微夹钳图形向SU-8胶层20的转移；

(4)显影：使用SU-8胶显影液对SU-8胶层20进行显影，得到微夹钳SU-8胶结构层1；