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面向亚毫米器件操作的真空吸附式作业工具的研制

作　者: 付国义
导　师: 孙立宁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: MEMS 微操作 粘附力 真空吸附式作业工具 压阻式微力传感器
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


真空吸附式作业工具具有结构简单、适应性强、灵活性好、经济性好、易模块化等特点,是一种典型的微操作工具,在生物工程、MEMS装配等领域得到了广泛使用。但现有的真空吸附工具末端通常采用玻璃管拉制而成,很难实现微型化制作,同时高精度的操作力检测集成也较为困难,无法满足微小对象稳定操作的要求。随着微加工技术的不断成熟,针对亚毫米尺度微小器件操作的特点,设计并研制集成高精度微力检测和控制的微型化真空吸附式作业工具对MEMS组装、装配等微操作系统的研究具有重要意义本课题针对亚毫米尺度微小器件操作任务要求,在深入分析微小器件操作机理的基础上,研制一种集成压阻式微力传感器的真空吸附式作业工具,并开展相关实验研究。首先,深入分析了亚毫米尺度微小器件操作中的尺度效应,总结了考虑粘附问题的操作方法。针对微小MEMS芯片操作要求,建立了微操作静力学模型,为真空吸附式作业工具的设计提供了理论的依据。设计了基于MEMS微加工工艺的压阻式微力悬臂梁传感器,分析了微力传感器的工作原理,对其结构形式进行了建模、分析,求取了结构的最优参数;针对压阻式微力传感器输出信号的特点,采用MAX1452信号调理芯片设计了信号处理电路。设计能精确控制负压力和正压力的真空系统,给出了系统的组成及工作原理,通过对末端压力的测试给出了系统能提供的压力参数,满足微小器件拾取和释放的要求。最后对所研制的微力传感器静态性能进行了测量和分析,给出了性能指标。利用设计的真空吸附式作业工具进行了微小器件的拾取释放实验,表明真空吸附式作业工具可以准确、可靠地完成微器件的操作。具有力感知功能的微型化真空吸附式作业工具的研制对MEMS微装配技术的发展具有积极的推动作用。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-19
  1.1 研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-17
    1.2.1 真空吸附式作业工具研究现状  11-15
    1.2.2 微力检测技术发展现状  15-17
  1.3 课题来源  17
  1.4 主要研究内容  17-19
第2章 微小器件操作粘着力分析与静力学建模  19-32
  2.1 引言  19
  2.2 微操作中的尺度效应  19-20
  2.3 粘附力的组成  20-25
    2.3.1 范德华力  20-23
    2.3.2 静电力  23-24
    2.3.3 表面张力  24-25
  2.4 微操作与尺度效应  25-29
    2.4.1 考虑尺度效应的微操作方法  25
    2.4.2 粘附力减小方法  25-29
  2.5 真空吸附式作业力学模型的建立  29-31
  2.6 本章小节  31-32
第3章 集成操作力检测的末端执行器的设计  32-51
  3.1 引言  32
  3.2 末端执行器总体设计方案  32-34
  3.3 压阻式悬臂梁传感器设计  34-44
    3.3.1 工作原理  34-36
    3.3.2 悬臂梁结构设计  36-41
    3.3.3 力敏电阻版图设计  41-44
  3.4 传感器的加工与封装  44-47
    3.4.1 传感器制备流程  44-46
    3.4.2 传感器的封装  46-47
  3.5 微力传感器信号调理电路的设计  47-50
    3.5.1 压阻式传感器的特点  47-48
    3.5.2 MAX1452 调理电路  48-50
  3.6 本章小节  50-51
第4章 真空系统的设计  51-59
  4.1 引言  51
  4.2 真空系统构成  51-54
    4.2.1 压力源  52-53
    4.2.2 真空发生装置  53
    4.2.3 压力调节及检测单元  53-54
  4.3 真空控制单元  54-56
  4.4 真空吸附式作业工具末端气压控制实验  56-58
    4.4.1 静态特性实验  56-57
    4.4.2 动态特性实验  57-58
  4.5 本章小节  58-59
第5章 集成式真空吸附式作业工具的实验研究  59-69
  5.1 引言  59
  5.2 实验系统建立  59-61
    5.2.1 硬件结构  59-60
    5.2.2 软件结构  60-61
  5.3 微力传感器的标定实验  61-66
    5.3.1 标定方法研究  61-62
    5.3.2 标定实验  62-63
    5.3.3 线性度分析  63
    5.3.4 重复性计算  63-64
    5.3.5 精度测试  64-65
    5.3.6 分辨率测试  65-66
  5.4 微小器件的拾取与释放实验  66-68
  5.5 本章小节  68-69
结论  69-70
参考文献  70-76
致谢  76

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 一般性问题 > 结构
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