基于MEMS操作機構的微型夾持器設計

1 國內外研究現狀

微型夾持器是一種廣泛應用于微操作領域的關鍵儀器。隨著微電子技術和微細加工技術的快速發展，航天航空、生物學研究、現代醫學以及軍工領域的各種專用零部件設計得越來越微小

，這些零部件都具有輕、薄、脆、軟等特性，在裝配、移動、夾持等方面都提出了相當高的要求。同時為了不損壞操作對象，需要微型夾持器具有高精度、高可靠性、高適應性以及結構簡單等優點。國內外不同領域的相關學者先后開發出了壓電陶瓷驅動式、集成微力感知式、柔性鉸鏈式等微型夾持器，打通了微型機械零部件操作的關鍵環節，因此，微型夾持器的設計與研發對微型機械的發展具有重大意義

。

1.1 柔順機構簡介

傳統的機構傳動都采用剛體進行運動副的連接，機構中存在的運動副會導致很多問題，例如：非精密裝配導致的誤差，磨損引起的變形，傳動過程引起的震動等

。這些問題在微型機構設計中會得到放大，甚至直接引起機構設計功能無法實現，因此無法采用剛性體進行微型夾持器的設計。

部分公民環保意識薄弱，碳信息披露可以促進企業可持續發展，但企業對此認識不夠深刻，這些都使碳披露難以發揮其對經營管理的指導作用。這就需要社會廣泛宣傳低碳經濟理念，提高公民的環保意識，進而逐步上升到企業管理層面，使管理者提高環保責任意識，加大對碳信息的重視。通過學習，掌握必要的碳披露知識，推動經濟社會可持續發展。

柔順機構不同于傳統的剛性體機構，它主要依靠柔順機構的柔順體變形實現運動傳遞

。柔順機構主要有以下特點：

(1)減少零件數量

對于韻律活動教學而言，歌曲就是教師教學過程的催化劑，所以選擇合適的音樂對于教學效果來說是至關重要的。選擇了一首恰到好處的音樂，不僅能夠讓幼兒心情愉悅，也能夠讓他們興致勃勃地去傾聽。只有幼兒對歌曲的內容真正感興趣、愿意去聽歌曲表達的內容跟含義，他們才有可能在歌曲內容的基礎上發揮自己的想象力，去聯想與歌曲有關的內容。

式中：

-活動件構件數，

-低副約束數

(2)降低磨損，減少潤滑

(3)減輕機構重量

為了實現結構簡單、夾持力均勻、便于操作等目的，該微型夾持器采用對稱性設計，故其單邊結構放大比為15。由于采用一級放大機構，要達到該放大比，則設計結構將很大，且撓性增加；采用三級放大機構，勢必會造成結構復雜、穩定性降低等缺陷，綜合考慮采用二級放大機構。由于前端機構需要驅動后端機構，故放大比分配前小后大，即15=3×5。

隨著現代設計方法的快速發展，現在主要采用有限元、拓撲優化、偽剛體建模等方法進行柔順機構設計

，極大地提升了設計效率和夾持器設計精度，且減少了工作量。

1.2 微型夾持器分類

微夾持器作為微型機械的執行部件，需要極高的精度、效率以及穩定性。國內外學者針對不用的應用領域設計了各式微型夾持器，大致可以通過結構設計、應用領域、生產工藝和驅動方式幾個方面對微型夾持器進行區分。按照不同的驅動方式可以大致將微型夾持器分為壓電驅動式、靜電驅動式、電磁驅動式、熱驅動式、真空吸附式和記憶合金式等

。

壓電驅動式微夾持器主要是通過給壓電陶瓷施加電場，由于壓電陶瓷的逆壓電效應特性，壓電陶瓷會產生微小形變，通過放大機構便可以將該微小形變作為微型夾持器驅動源。

靜電驅動式微夾持器主要是通過改變激勵電壓，促使相距較近的兩平行板分別帶上極性相反的電荷，從而產生庫侖力，利用庫侖力作為驅動源。

電磁式微夾持器主要是以電磁力作為驅動源，但是因為設計必須含有線圈結構，所以該類微型夾持器一般尺寸較大。

機構的自由度分析

真空吸附式微夾持器主要是通過調節吸管電壓來產生負壓，用負壓吸附操作對象。但是吸附對象外部形狀對夾持成功率影響很大，形狀不符合的對象會產生漏氣消除負壓導致操作失敗。

綜合分析微型夾持器的工作范圍，壓電陶瓷標稱位移以及設計技術指標等相關參數，本文采用杠桿放大機構進行結構設計，經計算，放大比為：

2 微型夾持器的結構設計

2.1 微型夾持器技術指標

本文設計的微型夾持器，將改變夾持范圍過小的缺陷，擴大其夾持范圍。為了較好地完成MEMS機構中的齒輪軸、齒輪、平衡擺等操作對象的夾持任務，故確定以下參數：末端開口值不小于900μm，且不大于100μm；即：Y

< 100μm，Y

> 900μm。

為了簡化機構，縮小夾持器的體積，同時減少傳動比和能量的損失；結合MEMS-PZT堆疊壓電陶瓷的相關參數，對夾持器的輸入技術指標確定為：△X=0～30μm。

2.2 壓電陶瓷選型

石英材料在受到外部壓力的情況下，會在內部發生電荷移動，這種現象被稱為壓電效應。反之，若將石英材料置于電場中時，石英材料也會產生微小形變，這種現象被稱為逆壓電效應。將逆壓電效應運用在微型夾持器領域，可以為微型夾持器提供驅動源，壓電陶瓷便是一種理想的驅動器。壓電陶瓷根據其產生的位移方式不同可以分為直線形位移和彎曲形位移

，直線形位移壓電陶瓷也稱為堆疊式壓電陶瓷，彎曲形位移壓電陶瓷也稱為懸臂梁式壓電陶瓷。本文采用堆疊式壓電陶瓷作為驅動器，以產生直線形位移。堆疊式壓電陶瓷如圖1所示。

2.3 兩組患者治療前后tPSA、fPSA及睪酮水平比較 常規治療組患者治療前后tPSA、fPSA水平比較差異無統計學意義(P>0.05)。非那雄胺組患者治療后tPSA、fPSA水平均較治療前明顯降低，差異有統計學意義(P<0.05)。非那雄胺組患者治療后tPSA水平較常規治療組低，差異有統計學意義(P<0.05)。兩組患者治療后睪酮水平均較治療前降低，但差異無統計學意義(P>0.05)，見表2。

堆疊式壓電陶瓷驅動器具有輸出位移小，輸出力大；響應速度快；精度高；可實現直線位移等特點

。根據哈爾濱溶智納芯科技有限公司提供的壓電陶瓷PZT選型手冊，選取型號為RP150/5×5/30的堆疊壓電陶瓷，其相關參數如表1所示。

2.3 理論模型

形狀記憶合金微夾持器是通過形狀記憶合金材料對形狀具有記憶和恢復的特性來提供驅動源，這種材料的響應速度較快，在微機械領域得到快速發展。

式中：Δ

-杠桿放大機構輸出位移，Δ

-杠桿放大機構輸入位移。

So we think the learner autonomy should be developed with the guide and controlled by the teacher.Without teachers’guide,it will bedifficult toachieve.

(4)易實現微型化

熱驅動式微夾持器主要是以熱能為驅動源，現在主要有電熱和光熱兩種能量來源。

=3

-2

=3×5-2×7=1

取其中3例在發病年齡、手術年齡、Lenke分型、角度大小、Risser征等參數相匹配的患者凹側和凸側椎旁肌組織，提取總RNA，測定RNA純度與質量，在5’和3’端分別連接接頭序列，形成帶有接頭的單鏈RNA，反轉錄生成RNA/DNA雜交鏈，PCR擴增構建small RNA-seq cDNA文庫，采用illumina Hiseq測序平臺（上海晶能生物有限公司，中國）單端測序模式進行高通量測序。

則微型夾持器的理論放大倍數

綜合考慮微型夾持器的工作范圍、壓電陶瓷標稱位移和工作最大空間，確定

1=4mm；

2=12mm；

3=15mm；

4=75mm。選取鉸鏈寬度

=4mm，鉸鏈高度

=3mm，鉸鏈最小厚度

=0

45mm。結構圖如圖2所示。

2.4 鉸鏈模型

微型機械通常采用柔順機構實現運動傳遞，完成轉動副設計，可以有效避免傳統轉動副帶來的各種缺陷。本文采用柔性鉸鏈設計微型夾持器關鍵節點。柔性鉸鏈是互為一體的兩個構件，兩構件之間可以發生相對轉動。這種設計可以避免裝配環節引起的誤差，同時可以減小設計尺寸和機構復雜度。常見的柔性鉸鏈有直梁式和圓弧式如圖3所示

。

2.2 3組術前、術后血紅蛋白的比較 A、B、C 3組血紅蛋白術后各時點均較術前明顯升高，3組間術后3個月隨訪血紅蛋白差異無統計學意義(P>0.05)，術后6、12個月B、C組血紅蛋白明顯高于A組，3組間差異有統計學意義(P<0.05)。見表3。

本文設計的微型夾持器采用的是直圓雙圓式柔性鉸鏈。其模型圖如圖4所示，t為鉸鏈最小厚度，R為鉸鏈圓弧半徑

。

3 微型夾持器的設計及仿真

3.1 微型夾持器的造型設計

通過微型夾持器的結構設計已經求出了各關鍵部位的參數，根據相關參數將在三維造型軟件Pro/E中進行三維建模。

圖5(a)為微型夾持器的設計工程圖，表2為微型夾持器的相關設計參數，根據相關參數微型夾持器的三維建模和結構修正。圖5(b)為微型夾持器的三維模型。

JDR-30DB絞車可用于3000 m深地熱井(水井)施工，其結構簡單、重量輕，可擋內無級調速，電機具有懸停和過載功能，提升能力強；采用電氣化控制，安全防護措施多；具備自動送鉆技術，降低了絞車的運行成本，提高了工作環境舒適程度。該絞車性能特點體現了“安全、先進、可靠、環保、智能”的設計原則，既能滿足深孔地熱井施工的需求，也可用于水井、煤層氣、頁巖氣、油氣井施工，具有廣闊的市場前景。

3.2 微型夾持器的數值仿真

使用ANSYS進行微型夾持器的數值仿真，可以得出該微型夾持器的變形情況和受力情況，然后判斷該夾持器的設計合理性。

將完成的三維模型導入ANSYS Workbench，設置材料為40CrA，彈性模量210GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m

。按照壓電陶瓷驅動器的最大位移30μm作為輸入參數，設置好邊界條件，完成網格劃分后進行仿真計算，仿真結果如下。

蘇州以古典園林、江南水鄉與千年古城見長，文物古跡眾多，晚明、清朝前期更成為江南地區的經濟、文化中心之一。蘇州景觀一級目錄和二級目錄的數量緊隨杭州之后，分別為24、60項，山水如虎丘、支硎山和千尺雪等，園林如蘇州織造府、獅子林等，祠廟如范公祠、文廟和三高祠等，都是康、乾二帝重點游覽之處。

基于物聯網概念的警用倉庫物聯網報警信息監控平臺系統是集三維信息呈現，多方位信息感知，報警聯動等技術于一體的全方位信息呈現系統。通過數據對接，物聯網技術等手段，對倉庫內物資環境信息進行實時顯示，并對異常問題進行定位提示，實現從對倉庫從物資信息到安防監控全方位的信息呈現。

如圖6所示為微型夾持器的變形云圖，在壓電陶瓷輸入最大位移的情況下，夾持器微夾鉗單邊最大位移為0.426mm，雙邊位移為0.852mm，即該微型夾持器最小開口為50μm，小于100μm，符合設計要求。

如圖7所示為微型夾持器的應力云圖，在壓電陶瓷輸入最大位移的情況下，夾持器的應力主要集中在各處柔順鉸鏈，最大應力出現在第一級放大機構的柔順鉸鏈處，應力值為289.06MPa，小于40CrA的許用屈服極限應力833MPa，符合設計要求。

4 結束語

根據MEMS機構裝配以及微小零件夾持要求，設計了一種基于柔性鉸鏈的二級放大微型夾持器。夾持器采用杠桿放大機構，放大比為30；設計最大張合量為900μm，最小張合量小于100μm；采用壓電陶瓷驅動方式作為驅動源，型號選取為RP150/5×5/30堆疊式壓電陶瓷；采用直圓式柔性鉸鏈并完成微型夾持器三維模型的建立。并完成該微型夾持器的有限元仿真，仿真結果顯示其在變形和應力方面均表現良好，符合設計要求。本文對微型夾持器的設計方法和微型機械柔性機構的設計有一定的參考意義。

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