一种压电驱动微操作器及其释放位置精度分析

　　1　引　言

　　为了获得更加功能化的微器件,微系统正在变得越来越复杂,制作难度也相应增加。然而,由于工序过于复杂、工艺不兼容等原因,依赖传统的加工工艺获得复杂的整体三维器件非常困难[1]。如果考虑把各零部件分别加工,再利用微装配技术进行组装,则可以在相对较低的成本下获得复杂的三维微结构[2],从而以较低的成本实现更加强大的功能。微操作器是微器件装配系统的核心部件,其性能直接影响到系统的可靠性、装配精度和装配效率。

　　对于一次微装配任务,微操作器需要把微器件从基底上拾起再传送到目标点,然后精确地释放到预定位置。虽然真空吸管和粘附型的微型探针等都被成功应用于微器件搬运操作[223],但基于可靠性和装配精度考虑,目前使用最广泛的还是利用机械夹持力的微操作器。在微尺度下,静电力[4]、热应力[5]、逆压电效应[6]等都可被用做驱动力,而逆压电效应与前三种力比较,具有响应速度快(小于10 ms)、驱动力大、力的大小可以通过驱动电压精确控制等优点,适合高精度的微操作器驱动。

　　由于微器件装配要求几微米甚至亚微米级的装配精度,微操作器释放微器件所能达到的位置精度也是衡量微操作器性能的一个重要指标,而微器件释放位置精度与系统工作环境,微器件的尺寸和形状,微操作器的结构以及操纵策略等因素都有密切的关系。因此,分析微器件释放位置误差的来源并据此提高装配精度是非常必要的。本文设计并实现了一种利用压电陶瓷双晶片驱动的微操作器并对尺寸在几十到200μm的高分子小球进行了操纵实验,对微器件释放过程中的位置误差来源和提高释放位置精度的方法进行了分析和讨论。

　　2　微操作器结构和位移分析

　　如图1(a)所示,微操作器由三维微移动台、压电陶瓷双晶片和夹持臂组成。2块沿厚度方向极化的压电陶瓷双晶片被水平相向固定在一个三维微动平台上,陶瓷片末端安装了通过电化学刻蚀[7]获得的钨针尖作为夹持臂,夹持臂的尖端直径约15μm,与水平面成15°角。通过调整微移动台对准左右夹持臂的针尖,以保证工作时可以完全闭合。为了释放针尖上的静电荷,减少粘附现象的发生,夹持臂通过导线接地。

　　若陶瓷片长为L,夹持臂在水平方向上的投影长l图1(b)。下压电层、中间金属层、上压电层的弹性模量、厚度、内部平均压力分别为E、d、P1,E′、d′、P2和E、d、P3。加上驱动电压V以后,上下压电层的应变分别为S3和S1,压电陶瓷片的弯曲半径为R。如果不考虑负载,则由静力平衡关系可得[8]:

　　压电层的应变由下式给出: