具有力传感器的微型夹具的制作方法
本发明涉及操纵微型物体和测量施加在所述微型物体上力的微型操纵装置，其包括微型夹具和连接到所述微型夹具的力传感器。
背景技术：
通常，这样的微型弹簧操纵装置可以用于夹紧微型物体并且施加和测量施加到所述物体上的力，其中所述微型物体具有微型尺寸，例如微型纤维。
本说明书的“微尺度尺寸”是指在5mm以下，特别是在1mm以下，即在微米范围内的最小尺寸。即，如果物体的至少一个维度处于这样被认为是“微尺度物体”的数量级，但其他维度可较大，则就足够了。例如，微纤维是具有可以远低于100μm或甚至低于10μm厚度的物体，而这种微纤维的长度可以具有诸如几厘米或甚至几米的宏观尺寸。但是，如果这样的微纤维要被抓住或者甚至必须穿过相应小的孔口，则必须将其视为根据本发明的微尺度物体，因为微尺度厚度与在特定应用中操纵这类对象有关。这也可应用于薄膜或其他物体，例如微型颗粒或甚至纳米颗粒,只要其需要被操纵抓住和/或测试它们机械性能，例如拉伸强度(tensilestrength)、弹性性能等。
具体而言，本发明涉及能够施加和测量作用于微尺度尺寸上或由材料和组件施加的小的拉伸力(tensileforce)或压缩力(compressionforce)(通常低于1n)的装置。
微拉伸测试仪在本领域中是已知的，并且它们主要在两个应用领域中需要，即，表征用于制造机电系统(mems)的材料和组件以及表征各种材料的微尺度样本，例如微尺度纤维。
微尺度纤维不需要大力来进行操作，但是一些纤维如纸纤维和cnt需要相对高的力来进行拉伸测试和机械表征。这些力不一定在微观力范围内，且可以高达1n。
用于微拉伸测试的装置分为三类：
i)商业化的通用微型测试机器，其使用负载传感器(loadcell)，
ii)原子力显微镜(afm)，其带有特殊悬臂梁，以及
iii)微拉伸测试仪，其是为特定应用领域开发的，并利用微电子机械技术。这种微机电技术通常涉及最初为制造半导体装置如晶体管和集成电路而开发的光刻技术。
美国国家航空航天局(nasa)开发了干涉应变/位移测量系统，该系统使用激光传感器测量应变并使用负载传感器测量力，其由w.n.sharpejr.于1983年在“干涉应变/位移测量系统(aninterferometricstrain/displacementmeasurementsystem)”，1989中报告。
在2006年报道了另一种用于原位afm测量的基于负载传感器的微拉伸测试仪(e.bamberg等人，preciseng，第30卷，第71-84页，1，2006年)。对于25n的力范围，报道提到的这种装置的分辨率为125mn。除了常用的负载传感器之外，还开发了用于高分辨率微拉伸测试的其它技术。使用具有100mn力范围和1μn分辨率的伺服控制天平来开发用于亚微米厚膜的微拉伸测试系统(t.tsuchiya等人：“sensorsandactuatorsa:physical”，第97-98卷，第492-496,4/1,2002)。
为了测量自立式薄膜的拉伸强度，使用涡电流位移传感器和两个钢制柔性条来制造具有12mn力范围的微拉伸测试仪(y.cheng等人，thinsolidfilms，第484卷，第426-432页，第7/22页，2005)。
在另一种方法中，也报道了使用弯曲器(bender)作为力感测组件的微拉伸测试仪；例如用于研究聚合物微观力学的硅梁弯曲器(u.lang等人，microelectronicengineering，第83卷，1182-1184,0,2006)和用于肌肉细胞的粘弹性分析的可偏转移液管(k.nagayama等人，med.eng.phys.，第29卷，第620-628页，6,2007)。为了表征纳米结构，例如纳米线的材料特性，开发了用于原位电子显微镜强度测量的拉伸测试系统(y.zhu和h.d.espinosa，《美国国家科学院院刊》(proceedingsofthenationalacademyofsciencesoftheunitedstatesofamerica)，第102卷，14503-14508，10月11日，2005)。该系统由用于装载样本的静电梳状驱动致动器和用于位移控制的热致动器组成。差分电容梳结构作为力感测组件集成到系统中，分辨率为12nn，力范围为1.5mn。
用于处理具有微尺度尺寸的物体并确定其机械特性的现有设备具有各种缺点，其中这些缺点之一可能是例如它们可以使用的相对运动的狭窄范围(即，固定和可移动的部件)。特别地，可以使用应变仪，压电元件和可变电容装置的测力传感器对于给定范围的力和路径在微米范围内提供相当有限的相对位移范围，沿着该范围的力可以将力施加到可移动物体。
虽然微型弹簧主要在本领域中是已知的，但它们还没有被广泛应用或实际应用。虽然微型弹簧已经用于某些微型机器中以提供任何偏置力，但它们尚未被用作力传感器。这可能部分是由于微型弹簧的微妙操纵或者由于已知微型弹簧在其伸展范围和/或力方面的有限范围的线性。特别地，在本领域中尚未出现用于微尺度物体的操纵装置，其使用可称为“弹簧”的弹性可变形元件，因为它们包括相当小的应力/应变比，从而允许在高达1mm或更多的相当长的延伸范围内测量小力。
如在本说明书中使用的“弹簧”被定义为可被延伸或压缩的装置，其中根据胡克定律，当从无偏置位置开始时，线性延伸或压缩的量，即两个远点之间的长度变化，特别是弹簧的两端，与作用在弹簧上的力成正比，所以长度的变化可以作为力的直接测量。
此外，用于通过微握持和拉伸测试来操纵和表征样本的现有装置是特别复杂和昂贵的，并且它们中的许多不太适合从几十μn到大约1n的特定范围的力。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提供一种根据权利要求1的前序部分所述的用于操纵和表征材料和组件的装置，其在结构上相当简单和坚固，没有用于这种目的的其它典型装置昂贵，且在相对位移高达1毫米或更多的条件下，可用于并可容易地适用于测量10μn至1000mn范围内的线性力，该装置可用于具有微尺度的宽范围的材料和组件。
该目的是通过根据权利要求1所述的装置来实现的，该装置包括作为力传感器的微型弹簧。
如在本说明书中所使用，术语“微型弹簧”是指具有弹性特性的元件，并且其可以沿着由弹簧产生的弹性排斥力或回缩力的至少一个方向上可膨胀和/或可压缩。
为了施加或测量力，这种弹簧的端部可以例如分别附接到微尺度物体和固定构件。
本微型操纵装置的优选实施例包括：
-微型夹具，其附接到滑动件，所述滑动件相对于承载件可线性移动，
-如上所述的微型弹簧，其具有两端，一端附接到微型夹具上，另一端附接到承载件，连接弹簧端部的假想线沿着滑动件的线性运动方向延伸，以及
-测量装置，其用于在沿着相对位移的方向在任意力作用在微型夹具上的情况下，测量微型夹具相对于承载件之间的相对位移，其中，从空闲位置的位移量是施加在微型夹具上的力指示。
为了确定作用在弹簧上的拉伸力而要测量的相关尺寸是微型弹簧的伸长率，即从无偏或空闲位置开始，弹簧伸出的量(参见胡克定律)。因此，一旦微型弹簧的一端相对于承载件具有固定位置并且弹簧的另一端相对于固定安装在其上的滑动件或微型夹具固定，则这种延伸可以直接测量为承载件和滑动件之间的相对位移。
在一个实施例中，弹簧由布置在公共平面中的一系列互连的闭环构成。所述环相互连接并接触，而在另一个实施例中，桥接件在相邻的环之间延伸并连接相邻的环，其中所述桥接件优选由相同的材料形成并且可以具有与形成所述环的材料相同的横截面。
环可以具有椭圆形状。在一个实施例中，特别是为了测量拉伸力，短轴应当沿着环链的纵向方向对齐，而椭圆形长轴横越环链的纵向方向。纵向方向与连接弹簧两端的假想线的方向相同，其上可以设置端部装置，用于分别接合诸如承载件的静止组件和诸如滑动件的可移动组件。
在一个实施例中，环由具有一定横截面的线形成，该横截面的的轴向尺寸和径向尺寸都在10至100μm之间。
每个环都限定了一个平面且都由线组成，并且其横截面由其径向和轴向尺寸限定。形成环的线的径向尺寸应沿椭圆形状的任一轴测量，而线的轴向尺寸应垂直于椭圆形状的轴或平面测量。
当然，本发明还涵盖这样的实施例，其中环具有不是椭圆形而可以是圆形或者由更多或更少的变形的椭圆形限定，该变形的椭圆形定义了中心和对应于短轴的最小延伸以及对应于椭圆形长轴的最大延伸，因为上述考虑也适用于这种形状。
根据本发明的实施例，沿着椭圆环短轴的直径可以具有在50μm至约3mm之间的尺寸，并且沿着该长轴的直径落入从约100μm至高达8mm的范围内。
在一个实施例中，形成闭环的线的横截面可以是圆形、椭圆形或多边形，优选矩形。
本说明书中的“线”是指具有弹性的任何材料的线绳，以便在变形时提供任意排斥力或回缩力，且其适于成形为互连环或其它元件的链，如互连的u形或v形形元件。
出于实际的原因，矩形横截面的这种线几乎不能通过生产微型元件的常用方法获得，特别是诸如光刻方法获得这种线，其中通过各向异性刻蚀形成沟槽，沟槽形成用于微型元件的模具，并且可以具有梯形而非精确矩形横截面，使得所得线的横截面也可以是梯形的。
为了测量拉伸力，在相邻环之间延伸的桥接件优选沿着环的副轴的延伸假想线延伸。
根据本发明的典型的微型弹簧由几个环的链组成，并且包括至少一个单环，但是优选地至少3到10个环，而弹簧的端部可以由更多更少分别连接到环链的第一环和最后环的圆形圈限定，使得限定微型弹簧端部的圈每个都可以附接到销，其中一个销设置在承载件上，另一个可以设置在微型夹具或微型夹具连接到其上的滑动件上。
形成环链端部的圈应由具有比微型弹簧的环显著大的横截面的线形成，以避免在环链上施加拉伸力时圈的任何变形。此外，桥接件至少在一个维度上可以具有比形成环的线更大的横截面。
在一个实施例中，微型弹簧的闭环具有椭圆形状，其中副轴b与主轴a的比b/a在0.1-0.9的范围内。
此外，在一个实施例中，椭圆环的副轴彼此对齐，并且环由相邻环之间的桥接件连接，该桥接件也沿着副轴的公共线对齐。
采用这样的设计，弹簧端部之间的任何拉伸力将通过延伸所有环的副轴而扭曲椭圆形，其中环的材料施加弹性回弹力以保持环的原始形状。在相当大的相对变形范围内，回缩力随着副轴的延伸而线性增加，其中，弹簧的总延伸是沿着副轴的所有直径并且沿着公共直线对齐的延伸的总和。
通过测量弹簧端部之间的延伸总量，可以确定与之有关的拉伸力。力/延伸比的确定需要通过单独的力测量装置校准。然而，一旦校准且如果产生具有相同几何形状和尺寸的多个弹簧，则可以将所确定的力/延伸比应用到所有这种微型弹簧上。
形成微型弹簧的材料可以是具有足够的弹性特性的任何材料，以便在所需的力范围内产生力，并且在弹簧的端部之间产生线性的相对运动。根据本发明用于制造微型元件，如微型弹簧和微型夹具爪的方法具体包括光刻、蚀刻，微型机械加工，特别是硅微型机械加工和微成型。
在替代实施例中，微型弹簧的环可以被布置成使得沿着链的椭圆环的主轴彼此对齐，并且环由沿着主轴的公共线对齐的相邻环之间的桥接件连接。这样的弹簧可以合理地用于施加压缩力，其中可能要求或者设计具有较大轴向尺寸的环，或者提供额外装置用于在任何压缩力施加在其端部上时保持环布置在公共平面中，以避免环链垂直于连接弹簧端部的线的任何回避(evading)运动。
对于沿副轴b测量的直径rw，环的尺寸通常在10μm至5mm之间的范围内，优选50μm至3mm，并且对于沿主轴a测量的直径rh，在20μm至10mm之间，优选100μm至5mm。
用于测量相对位移的测量装置可以是任何装置，其本身优选地不会在要测量其间相对位移的元件上施加任何显着的额外力。在一个实施例中，测量装置是磁性编码器，其由多个相邻的相对布置的微型磁体(磁矩)和相对于所述磁体相对可移动的磁性传感器构成，传感器与所述微型磁体排之间有窄间距。基于相邻的微型磁体之间的间距，传感器的磁矩变化的计数可以被计算为相应的相对位移。
特别地，这样的编码装置或诸如干涉测量装置的任何光学装置可以用于测量微型夹具和承载件之间的相对位移，其中相应的测量当然也可以发生在滑动件和承载件之间，因为微型夹具被附接到滑动件上，并与滑动件一起移动，这也适用于附接在微型夹具上的弹簧的一端。位移测量也可以相对于关于承载件处于固定位置的任何其他装置而发生。
在一个实施例中，可以设置致动器，用于通过微型夹具相对于任何组件或材料移动承载件。
在一个实施例中，弹簧被设计用于测量拉伸力，其中，在空闲位置，弹簧不朝向任何方向偏置，而微型夹具与承载件之间的任何相对位移将增加弹簧端部之间的距离，因而在弹簧上施加拉伸力，引起弹簧的弹性变形。在根据本发明的用于操纵微尺度物体并且包括微型夹具的装置中，优选地使用由互连闭合环链组成的上面限定的微型弹簧，但仍然可以使用替代的微型弹簧，例如其由一排互连的u形或v形元件而不是闭合环组成。
根据本发明的一个实施例的滑动件通过关于彼此相互垂直的第一和第二方向通过形状锁定接合(formlockingengagement)而沿着承载件线性引导，同时滑动件和承载件能够沿着垂直于所述第一和第二方向的第三方向相对于彼此自由地移动。
滑动件和承载件之间的典型连接例如可以是滑动件和承载件之间的燕尾形连接件，当然，这种燕尾形横截面可以用任何其它形状锁定横截面来代替，例如借助于接收在凹槽(groove)中的具有t形横截面的杆，该凹槽具有相应横截面并与承载件一起形成，反之亦然。
为了在滑动件和承载件之间提供最小的摩擦，可以在承载件和滑动件之间设置适当的低摩擦轴承，例如滚珠轴承或滚柱轴承，最优选的是磁性空气轴承。当然，滑动件和承载件都应该具有小尺寸和小质量，以及质量量级内的惯性和在组合的微型夹具和微型弹簧的质量的惯性量级内惯性。本发明优选使用具有至多400μn的静摩擦力和低于100μn的动摩擦力(取决于相对速度)的市售滑动件，其中动摩擦力当然取决于相对运动的速度。
本发明还涉及制造用于根据本发明的装置中的微型弹簧的优选方法，其中该制造方法包括光刻工艺，具体地uv-liga，该方法的进一步特征在于使用光掩模，所述光掩模限定了互连的闭合环链，每个环限定一个平面，其中所有环被布置在一个公共平面内并且通过相邻环之间的桥接件连接。
通过使用相应的光掩模，通过uv-liga工艺获得的最终微型弹簧可具有如上所述的尺寸和设计。
附图说明
本发明的其他特征和优点可从以下关于附图所示和所述的本发明的特定实施例的描述中得出，其中：
图1是根据本发明的微型夹具和微型弹簧组合的示意性立体图；
图2是根据图1的装置的俯视图；
图3是图1所示装置的侧视图；
图4是一系列横截面图，其中横截面线在图4的底部的另一个侧视图中示出；
图5示出微型弹簧的照片和单个环及其横截面的示意图；
图6示出用于生产微型弹簧的uv-liga工艺；
图7是示出包括微型圈的微型弹簧的俯视图的照片，以及形成环和桥接件的弹簧和线的细节的附加照片；
图8a以立体示出安装在滑动件上的弹簧，图8b示出安装在滑动件上的弹簧的俯视图；以及
图9示出了图8a和8b所示的微型弹簧的校准数据的曲线图。
具体实施方式
在图1中，微型操纵装置由标识号10表示。操纵装置10由微型夹具1和低摩擦滑动件组成，低摩擦滑动件又由承载件4和滑动件5组成。微型夹具1被安装和固定到滑动件5上。在承载件4的端部设置有止动件(stopper)7，并且销8从止动件7向上突出，而另一个销9从微型夹具1的后端向上突出。当然，实际的微型夹具，即作用于具有微米尺度尺寸的物体的构件是抓爪(gripperclaw)1a，而安装在滑动件5上的微抓爪1的下余致动器部分不必具有任何微型特性，微型特性即指必须通过特定的微型机械生产方法来生产。
微型弹簧2在图2的俯视图中更好地可见，图2进一步示出弹簧2的端部由两个圈2a形成，所述两个圈连接到形成实际微型弹簧2的椭圆环2b的链上。形成圈2a的线具有比形成线圈2b的线更大的横截面。因此，圈2a分别围绕两个销8和9装配时更加刚性和可变形，因此微型夹具1和承载件4之间的任何相对运动将导致弹簧2的相应变形，即，闭合环2b的变形。本装置特别设计用于测量拉伸力，这意味着弹簧2没有在任何方向上受到偏压的起始位置或空闲位置,仅滑动件5与承载件4之间的相对运动，且因此两个销8和9将仅引起8销8和9之间的距离增加，并且因此弹簧2的延伸量增加，因此在微型夹具1与承载件4或止动件7之间产生拉伸力。
在图2的俯视图中进一步可见，微型夹具1还包括夹爪1a，用于抓住例如可以是薄膜的任何适当的微型物体。
微型夹具1与承载件4之间的相对位移通过磁性编码器测量，该磁性编码器由磁性传感器，特别是霍尔传感器组成，该磁性传感器以紧密的距离布置，且磁性多极条面对面(包括一系列微型磁体,其示意性地以表示磁极磁性多极条的大写字母”s”和“n”表示)。当编码器传感器6b相对于承载件4处于固定位置时，多极条直接或间接附接到微型夹具1上，并且可与其一起移动。因此，微型夹具1和承载件4之间的任何相对位移将由磁性编码器感测，磁性编码器只需对通过传感器的磁极数量进行计数。
磁极以微米距离紧密堆叠，这允许测量位移达到相应精度。
图4通过图4的底部所示的另一个侧视图示出了根据图1和图3的装置的更多的细节，并且示出在不同的水平面上以大写字母“a-a”到“d-d”所示的截面图。在a-a截面中，可以见到承载件、滑动件和磁性传感器的俯视图，截面b-b再次示出了承载件和滑动件以及表示多极磁条线性阵列的块6a，截面c-c示出了在微型夹具1和滑动件5的连接元件，最后截面d-d示出了微型夹具1的主体和分别围绕两个销8和9安装的弹簧圈2a。
图5示出了由椭圆圈链形成的微型弹簧的示意性设计。本文将微型弹簧中椭圆的横径(主轴x2)和共轭直径(副轴x2)分别称为圈高(rh)和圈宽(rw)。圈的横截面积被称为微型弹簧量规(gauge)，其尺度被称为量规宽度(gw)(径向尺寸)和量规高度(gh)(轴向尺寸)。将椭圆圈连接在一起的连杆(link)具有与微型弹簧量规相同的横截面尺寸。
基于文献中报道的elni的杨氏模量(e＝171.5gpa)和泊松比(v＝0.3)的值，使用ansys模拟软件(美国宾夕法尼亚canonsburg)研究了rh、rw、gh、gw、圈数以及在最大应力和位移下圈之间的连接长度。根据模拟结果，制造微型弹簧所选择的尺寸为rh是1600μm，rw是250μm，gh是50μm，gw是30μm。期望在特定负载，例如20mn，实现微型弹簧的最大可能弹性范围，这将引起最大可能的线性变形，并且因此传感器具有最大可能的灵敏度。在20mn载荷下gh为50μm，gw为30μm的微型弹簧的最大应力为0.77gpa。考虑到elni的1.1gpa屈服强度，对于选定的几何形状，0.77gpa的应力值允许具有30％安全阈值的微型弹簧的合理线性范围，该范围防止微型弹簧塑性变形。模拟还表明，两个圈之间的连接长度对位移的影响可以忽略不计，增加圈的数量会使位移线性增加。
使用uv-liga制造微型弹簧。图6示出了制造工艺。首先，在si晶片上溅射cr/cu层，然后在cr/cu层上旋涂正光刻胶
使用扫描电子显微镜(zeissag-ultra55，德国)测量所制造的微型弹簧的几何形状。图7显示了制造的elni微型弹簧及其横截面的扫描电子显微镜(sem)图像。图7b和图7c中的扫描电镜图像表明，所制作的微型弹簧样本的横截面是梯形而不是理想的矩形。梯形横截面是在光刻工艺过程中由紫外光的散射引起。光刻胶中沟槽的侧壁不平行，这是在uv-光刻中使用
为了确定根据本发明的微型弹簧的适用性，需要确定微型弹簧的线性力-位移范围。使用滚动阻力系数为0.001的低摩擦的精密线性滑动件(日本iko)[图8a中的物件1]作为微型弹簧的导轨。使用直径为0.9mm的两个销[图8a中的物件2]来安装微型弹簧[8中的物件3]。一个销安装在精密线性滑动件(pls)的固定部件上，即所谓的止动件[图8中的物件4]，另一个销在pls的移动部件上。止动件是内部制造的组件，它不是pls的原始部件。使用安装圈，微型弹簧通过使用磁性镊子安装在pls销上。
为了表征所提出的力传感器性能，在slc-1730微型定位器(德国smaract公司)上安装了一个10mnft-s10000力传感器(瑞士femtotools公司)，并与pls滑动件对齐。从现在开始，slc-1730微型定位器在本说明书中将被称为线性致动器。pls滑动件的移动部件和ft-s10000力传感器探针使用小杆连接。
线性致动器有集成的位置传感器、光学编码器，分辨率为100nm。由于连接了ft-s10000力传感器探针和pls滑动件，因此ft-s10000力传感器探针位置的变化表示微型弹簧的位移。测量微型弹簧位移的另一种方法是使用一系列俯视图图像。然而，第一种方法提供了更高的分辨率，因此已经在这些实验中使用。
图9所示的实验结果表明，所提出的使用elni微型弹簧和pls的力传感器可以作为微力感测应用中的新工具，用于高于几千微牛顿的力。在所提出的力感测方法中，摩擦力对力测量的副作用足够小以使该方法合理。即使在所研究的实施例中制造的微型弹簧的力范围被限制为6mn，但所提出的方法允许制造elni微型弹簧以用于各种材料的微拉伸测试的高达几十毫牛的力。有三种方法可以增加elni微型弹簧的线性力范围：改变电镀温度、改变电流密度、改变线的径向厚度(gw)。根据报告的结果，电镀温度的20℃变化影响杨氏模量15％，电流密度变化25ma/cm2影响杨氏模量超过50％。事实上，改变微型弹簧的线性力范围的最有效的方式是改变影响力范围三个数量级的gw。通过电镀温度或电流密度来改变elni微型弹簧的力范围的好处是保持微型弹簧几何形状恒定的可能性。因此，当需要改变力范围时，只需要改变弹簧，并且微力传感器中的其余组件可以保持不变。
基于elni微型弹簧的力传感器在微拉伸测试中的应用与文献报道的其它方法，如负载传感器、伺服控制平衡和基于涡电流的力传感器相比，是一种新的方法。所开发的力传感器的平均灵敏度为36.63μn/μm。
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