[发明专利]在平面中可移动的、具有压电驱动的微机电微操纵装置

说明书

本公开的实施例涉及一种在平面中可移动的、具有压电驱动的微机电微操纵装置。MEMS操纵装置具有承载相应的相互面对的夹持元件的第一操纵臂和第二操纵臂。至少第一操纵臂由驱动臂和通过铰接结构被铰链连接在一起的铰接臂形成。第一驱动臂包括第一梁元件和在第一梁元件上的第一压电区域。第一铰接结构包括在厚度方向上不可变形的第一连接元件以及被插入在第一驱动臂、第一铰接臂和第一连接元件之间的第一铰链结构。

技术领域

本公开涉及一种在平面中可移动的、具有压电驱动的微机电操纵装置。

背景技术

微操纵装置是已知的。它们可以在接触或者非接触模式下操作，并且基于各种物理原理，例如，是光学类型、静电类型、流体静力类型(基于伯努利定理)、超声类型和/或磁性类型。每种类型都具有在特定条件下实现其有利用途而在其它条件下无法实现其有利用途的特性。然而，关于按照简单的方式以高精度以及低成本来处理各种尺寸(dimension)的非常小型的物体(微米数量级)的能力，没有一种类型是完全令人满意的。例如，在微电子应用中，在材料科学、生物学和组织工程学(例如，在对分子、人体组织和生物部分的微操纵中)领域中，这是期望的。

另一方面，使产品(诸如，可以利用半导体技术获得的微机电系统(MEMS))小型化的趋势已经刺激了对用于微操纵和组装的技术的广泛研究。特别地，开发用于处理和组装微型物体的小型化系统已经成为未来精密工程的主要挑战。

因此，提出了基于静电致动原理使用MEMS技术的微操纵器。然而，即使是MEMS微操纵器也不能完全满足某些应用中所存在的要求。实际上，可以认为可以利用这些装置获得的静电力很弱。因此，为了获得足够的夹持力，向已知的微操纵器提供较高DC电压，大约100-200V，这是不容易实现的，并且在任何情况下都远高于在集成电路中通常使用的电压。

此外，所提出的MEMS微操纵器不易于用于操纵浸没在液体中的物体和/或颗粒。实际上，在这种类型的装置中，形成完全包围操纵器的臂的电绝缘层并不简单；因此，存在放电风险。为了减少该问题，通常将操纵器的臂设计为具有相当大的长度，以便允许控制相对于臂的夹持端部的移动的部分电绝缘。然而，除了增加装置的整体尺寸之外，该设计还降低了夹持精度，并且在任何情况下都不总是确保电绝缘。DE 195 23 229公开了未集成的微操纵器，其具有压电转换器，该压电转换器形成单晶(monomorph)致动器，其在电偏置时长度变化，并且逐头地胶合到半导体材料的夹持结构。DE 10107 07 402公开了DE 195 23 229的改进，其能够夹持圆形物体。HP H8 90478和CN 104 7647 347公开了类似的微型夹持器(microgrip)，其需要部件的组装操作，并且不是以单片方式进行制造的。

于2016年12月29日提交的意大利专利申请号102016000132144(与通过引用并入的欧洲专利申请号17177446.6和美国专利申请公开号2018/0190895相对应)描述了由梁元件和在该梁元件上延伸的压电区域形成的压电类型的微致动器，该梁元件由半导体材料制成。梁元件的一个端部被固定，而另一端部被连接至在梁的厚度的方向上不可变形的约束结构的铰链元件。如在该专利申请中详细解释的，由于约束结构在厚度方向上不可变形并且借助于铰链元件，因此，向压电区域施加电压导致梁元件实际上仅在其延伸平面中变形。

在上面的专利申请中描述的微致动器是非常有利的，因为可以通过使用传统的半导体微制造技术(因此，以降低的成本，按照高度可控并且可靠的方式)来制造该微致动器。

因此，期望向本文中所考虑的类型的微操纵器应用相似的操作原理。

本领域需要一种可以通过使用MEMS技术并且基于压电操作原理(即，因此，便宜、可靠、易于控制并且向本领域的技术人员提供相当大的设计自由度)来制造的微操纵器。

发明内容