一种四自由度压电微夹钳的制作工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微/纳米定位技术领域，属于微零件装配、细胞微操作等微/纳米定位 系统中的末端执行器，尤其涉及一种四自由度压电微夹钳的制作工艺。
【背景技术】
[0002] 微夹钳是能够产生微米或纳米级运动精度与运动分辨率的末端执行器，它可应用 于MEMS、生物工程等前沿技术领域中。在MEMS中，微夹钳可对微轴、微齿轮等微零件以及微 马达、微栗等微部件进行拾取、搬运等操作；在生物工程中，微夹钳用于捕捉和释放细胞，还 可同微冲击探针相结合，实现向细胞内注入或从细胞中提取某一成分。
[0003]目前的微夹钳每个钳指仅具有一个夹持方向的自由度，整个微夹钳仅具有两个自 由度，仅能实现夹持方向的动作，其它方向的动作必须通过其前端的执行机构来实现，这就 使得整个微装配与微操作系统的复杂度和设计难度加大，成本提高。而且目前压电微夹钳 的制作工艺都是针对两自由度压电微夹钳，即先制作出相应尺寸的全电极压电陶瓷晶片， 然后将两晶片粘结成钳指，再通过相应的机械连接结构将两钳指结合成微夹钳。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种可加工出具有四自由度的压电微夹钳，且 可使四自由度压电微夹钳的压电晶片及其表面电极具有较高的形状与尺寸精度，且上下晶 片及其电极之间具有较高的相对位置精度的四自由度压电微夹钳的制作工艺。
[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种四自由度压电微夹钳的制作 工艺，包括以下具体步骤：
[0006] (1)、取两块压电陶瓷单晶片，其中一块作为上晶片，另一块作为下晶片，并在上晶 片的一端通过紫外线激光切割加工出一个方形的缺口；
[0007] (2)、将上晶片和下晶片电极化，并将电极化后的上晶片的粘结面上的电极通过光 刻法全部去除，可避免上晶片的粘结面与下晶片的粘结面在粘结时因电极不对齐而引起钳 指在夹持方向与垂直于夹持方向上的输出位移的相互耦合；
[0008] (3)、在电极化后的下晶片的非粘结面上光刻出相互独立且并排设置的第一左下 电极、第二左下电极、第三左下电极、第一右下电极、第二右下电极、第三右下电极以及分别 与其一一对应一体连接的第一左下电极引出脚、第二左下电极引出脚、第三左下电极引出 脚、第一右下电极引出脚、第二右下电极引出脚、第三右下电极引出脚，并在下晶片的非粘 结面上做出两个十字定位基准点，然后以下晶片非粘结面上的两个十字定位基准点作为定 位基准，在下晶片的粘结面上光刻出相互独立的第四左下电极、第四右下电极以及分别与 其一一对应一体连接的第四左下电极引出脚、第四右下电极引出脚，第四左下电极与第二 左下电极上下对齐，第四右下电极与第二右下电极上下对齐；
[0009] (4)、将上晶片的粘结面与下晶片的粘结面用绝缘胶进行粘结固定得到压电陶瓷 双晶片，且上晶片上的缺口与下晶片上的第四左下电极引出脚的端部、第四右下电极引出 脚的端部相对齐；
[0010] (5)、以下晶片非粘结面上的两个十字定位基准点作为定位基准，在上晶片的非粘 结面上光刻出相互独立且并排设置的第一左上电极、第二左上电极、第三左上电极、第一右 上电极、第二右上电极、第三右上电极以及分别与其一一对应一体连接的第一左上电极引 出脚、第二左上电极引出脚、第三左上电极引出脚、第一右上电极引出脚、第二右上电极引 出脚、第三右上电极引出脚，且第一左上电极与第一左下电极、第二左上电极与第二左下电 极、第三左上电极与第三左下电极、第一右上电极与第一右下电极、第二右上电极与第二右 下电极、第三右上电极与第三右下电极分别上下对齐；
[0011] (6)、对压电陶瓷双晶片进行紫外线激光切割，加工出一体连接的支撑部、左钳指 部、右钳指部以及一体连接在左钳指部自由端和右钳指部自由端的扩展部，得到具有四自 由度的压电微夹钳；其中：支撑部由上下对齐的上支撑部与下支撑部组成，左钳指部由上 下对齐的左上钳指部与左下钳指部组成，右钳指部由上下对齐的右上钳指部和右下钳指部 组成，扩展部由上下对齐的上扩展部与下扩展部组成，上支撑部、左上钳指部、右上钳指部 和上扩展部一体连接，左上钳指部和右上钳指部沿上支撑部的中心线对称，第一左上电极、 第二左上电极和第三左上电极位于左上钳指部的非粘结面上，第一右上电极、第二右上电 极和第三右上电极位于右上钳指部的非粘结面上，第一左上电极引出脚、第二左上电极引 出脚、第三左上电极引出脚、第一右上电极引出脚、第二右上电极引出脚和第三右上电极引 出脚位于上支撑部的非粘结面上，下支撑部、左下钳指部、右下钳指部和下扩展部一体连 接，左下钳指部和右下钳指部沿下支撑部的中心线对称，第一左下电极、第二左下电极和第 三左下电极位于左下钳指部的非粘结面上，第一右下电极、第二右下电极和第三右下电极 位于右下钳指部的非粘结面上，第一左下电极引出脚、第二左下电极引出脚、第三左下电极 引出脚、第一右下电极引出脚、第二右下电极引出脚和第三右下电极引出脚位于下支撑部 的非粘结面上，第四左下电极位于左下钳指部的粘结面上，第四右下电极位于右下钳指部 的粘结面上，第四左下电极引出脚和第四右下电极引出脚位于下支撑部的粘结面上。
[0012] 所述的第一左上电极引出脚与所述的第一左下电极引出脚、所述的第二左上电极 引出脚与所述的第二左下电极引出脚、所述的第三左上电极引出脚与所述的第三左下电极 引出脚、所述的第一右上电极引出脚与所述的第一右下电极引出脚、所述的第二右上电极 引出脚与所述的第二右下电极引出脚、所述的第三右上电极引出脚与所述的第三右下电极 引出脚分别上下对齐。
[0013] 与现有技术相比，本发明的优点是通过该方法制作得到的四自由度压电微夹钳其 压电晶片及其表面电极具有较高的形状与尺寸精度，且上下晶片及其电极之间具有较高的 相对位置精度，使得四自由度压电微夹钳具有良好的输出特性，如：输出位移和输出力重复 性好、响应速度快、固有频率高，而且由于制作得到的四自由度压电微夹钳可使每个钳指都 可实现夹持方向和垂直于夹持方向的动作，即每个钳指具有两个方向的自由度，整个压电 微夹钳具有四个自由度，从而可省掉微装配与微操作系统的部分前端执行机构，降低了系 统的设计难度与复杂度，减小了系统的质量和体积，也降低了系统的成本；此外，在制作过 程中，切割加工上晶片或下晶片时，采用紫外线激光切割（即激光冷加工），其以打断材料 分子化学键的方式去除材料，不会导致压电晶片的变性，并能保证切割后所形成的表面光 滑且无残渣；而上晶片粘结面上的电极通过光刻法全部去除，可避免上晶片的粘结面与下 晶片的粘结面在粘结时因电极不对齐而引起钳指在夹持方向与垂直于夹持方向上的输出 位移的相互耦合，可提高压电微夹钳的输出特性，且上晶片的粘结面与下晶片的粘结面通 过绝缘胶进行粘结固定，可减少驱动电源的数量。
【附图说明】
[0014] 图I(a)~（g)分别为本发明制作过程的状态图；
[0015] 图2为本发明加工得到的四自由度压电微夹钳的俯视图；
[0016] 图3为本发明加工得到的四自由度压电微夹钳的仰视图；
[0017] 图4为图2中左钳指部的A-A剖视图；
[0018] 图5为图2中右钳指部的A-A剖视图；
[0019] 图6为本发明的压电微夹钳上半部分的非粘结面的结构示意图；
[0020] 图7为本发明的压电微夹钳上半部分的粘结面的结构示意图；
[0021] 图8为本发明的压电微夹钳下半部分的非粘结面的结构示意图；
[0022] 图9为本发明的压电微夹钳下半部分的粘结面的结构示意图；
[0023] 图10 (I)、（II)、（III)分别为本发明加工得到的压电微夹钳的钳指实现不同动 作的原理说明图。
【具体实施方式】
[0024] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0025] 如图所示，一种四自由度压电微夹钳的制作工艺，包括以下具体步骤：
[0026] (1)、取两块压电陶瓷单晶片，其中一块作为上晶片1，另一块作为下晶片2(如图 1(a)所示），并在上晶片1的一端通过紫外线激光切割加工出一个方形的缺口 15(如图 I(b)所示）；
[0027] (2)、将上晶片1和下晶片2电极化，并将电极化后的上晶片1的粘结面上的电极 通过光刻法全部去除（如图I(c)所示）；
[0028] (3)、在电极化后的下晶片2的非粘结面上光刻出相互独立且并排设置的第一左 下电极22-1、第二左下电极22-2、第三左下电极22-3、第一右下电极23-1、第二右下电极 23-2、第三右下电极23-3以及分别与其一一对应一体连接的第一左下电极引出脚22-1-1、 第二左下电极引出脚22-2-1、第三左下电极引出脚22-3-1、第一右下电极引出脚23-1-1、 第二右下电极引出脚23-2-1、第三右下电极引出脚23-3-1，并在下晶片2的非粘结面上做 出两个十字定位基准点25 (如图I(d)所示），然后以下晶片2非粘结面上的两个十字定位 基准点25作为定位基准，在下晶片2的粘结面上光刻出相互独立的第四左下电极22-4、第 四右下电极23-4以及分别与其一一对应一体连接的第四左下电极引出脚22-4-1、第四右 下电极引出脚23-4-1 (如图I(e)所示），第四左下电极22-4与第二左下电极22-2上下对 齐，第四右下电极23-4与第二右下电极23-2上下对齐；
[0029] (4)、将上晶片1的粘结面与下晶片2的粘结面用绝缘胶3进行粘结固定得到压电 陶瓷双晶片，且上晶片1上的缺口 15与下晶片2上的第四左下电极引出脚22-4-1的端部、 第四右下电极引出脚23-4-1的端部相对齐（如图I(f)所示）；
[0030] (5)、以下晶片2非粘结面上的两个十字定位基准点25作为定位基准，在上晶片1 的非粘结面上光刻出相互独立且并排设置的第一左上电极12-1、第二左上电极12-2、第三 左上电极12-3、第一右上电极13-1、第二右上电极13-2、第三右上电极13-3以及分别与其 一一对应一体连接的第一左上电极引出脚12-1-1、第二左上电极引出脚12-2-1、第三左上 电极引出脚12-3-1、第一