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一种具有力传感器的柔性微夹钳

阅读：906发布：2021-03-02

IPRDB可以提供一种具有力传感器的柔性微夹钳专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种具有力传感的柔性微夹钳，其包括微夹钳本体、控制器、静电驱动器、电容式力传感器，其中，微夹钳本体包括一对夹臂、柔性传动机构、柔性导向部件和基座，一对夹臂通过柔性传动机构分别与静电驱动器和电容式力传感器相连接。本发明实现了在两个互相垂直方向上的对夹持力和环境接触力的测量，提高了夹持的精度，并且整体结构紧凑，降低了制造成本。，下面是一种具有力传感器的柔性微夹钳专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有力传感的柔性微夹钳，其包括微夹钳本体、控制器、静电驱动器(7)、电容式力传感器(8)，其中，所述微夹钳本体包括一对夹臂、柔性传动机构、柔性导向部件和基座(13)，一对所述夹臂通过所述柔性传动机构分别与所述静电驱动器(7)和所述电容式力传感器(8)相连接。

2.根据权利要求1所述的柔性微夹钳，其特征在于，一对所述夹臂中的第一夹臂(1)通过所述柔性传动机构中的第一连接铰链(5)与所述静电驱动器(7)相连接，第二夹臂(2)通过所述柔性传动机构中的第二连接铰链(6)与所述电容式力传感器(8)相连接。

3.根据权利要求2所述的柔性微夹钳，其特征在于，所述第一夹臂(1)和所述第二夹臂(2)分别通过所述柔性传动机构中的第一转动铰链(3)和第二转动铰链(4)与所述基座(13)联接。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的柔性微夹钳，其特征在于，所述柔性导向部件包括驱动器柔性导向梁(11)和传感器导向梁(12)，其中，所述驱动器柔性导向梁(11)与所述静电驱动器(7)相连接，通过施加驱动电压，以输出横向位移，所述传感器柔性导向梁(12)与所述电容式力传感器(8)相连接，以产生竖向运动。

5.根据权利要求4所述的柔性微夹钳，其特征在于，所述控制器包括高压运放芯片和电容-电压转换芯片，所述高压运放芯片配置地用于产生电压并施加给所述静电驱动器(7)，所述电容-电压转换芯片配置地用于将所述电容式力传感器8的电容变化信号转换为输出电压信号。

6.根据权利要求5所述的柔性微夹钳，其特征在于，所述高压运放芯片采用PA69或者OPA454芯片，所述电容-电压转换芯片采用AD7746或MS3110芯片。

7.根据权利要求6所述的柔性微夹钳，其特征在于，所述电容式力传感器(8)由竖向梳齿对组成，所述静电驱动器(7)由横向梳齿对组成。

8.根据权利要求2所述的柔性微夹钳，其特征在于，所述第二夹臂(2)、第二转动铰链(4)和第二连接铰链(6)的刚度相应地大于第一夹臂(1)、第一转动铰链(3)和第一连接铰链(5)的刚度。

9.根据权利要求8所述的柔性微夹钳，其特征在于，所述第一转动铰链(3)和所述第一连接铰链(5)采用折叠式柔性铰链形式，所述第二转动铰链(4)和所述第二连接铰链(6)采用单一柔性梁形式。

10.根据权利要求9所述的柔性微夹钳，其特征在于，所述第一转动铰链(3)和所述第一连接铰链(5)之间距离d1与所述第二转动铰链(4)和所述第二连接铰链(6)之间的距离d2不相等。

说明书全文

一种具有力传感器的柔性微夹钳

技术领域

[0001] 本发明涉及微型自动机械技术领域，具体是一种具有力传感的柔性微夹钳。

背景技术

[0002] 基于柔性机构的微夹钳具有无摩擦、无磨损、无需润滑、运动精度高、结构简易等优点。作为典型的微执行器，微夹钳在微操作技术、微装配系统、生物工程等领域中具有广泛应用。微夹钳的设计形式多种多样，主要由夹钳的结构形式和工作特点而决定。现有的微夹钳具有多种驱动方式，如静电驱动、电热驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动等方式。与其他驱动方式相比，静电驱动具有响应快、无迟滞非线性、与IC制造工艺兼容等优点。

[0003] 由于微夹钳一般用于对微小物体的夹取，为了避免对被夹持物体造成损坏，需要对微夹钳的夹持力(沿X轴方向)进行传感与反馈。另外，为避免微夹钳与环境接触时造成微夹钳本身的损坏，还需要对环境的接触力(沿Y轴方向)进行传感。

[0004] 微夹钳采用的力传感器有多种形式，如电热式、压阻式、电容式、压电式等等。现有的具有力传感的微夹钳大都只能实现对夹持力进行测量，例如中国专利CN101407060 B，CN2352945 Y，CN101327592 B等，很少能够实现对环境的接触力的测量。为了同时实现对夹持力和接触力的测量，美国专利US8317245 B2提出了一种采用两个力传感器的电热驱动微夹钳，但是该微夹钳具有结构复杂、难于加工制造、尺寸大、成本高等缺点。目前，基于柔性机构的微夹钳大都只能实现一维的夹持力传感，需要采用两个传感器才能实现二维的力传感。这就造成了微夹钳结构复杂、制造成本高。发明内容

[0005] 针对现有技术中出现的问题，克服现有微夹钳的缺点，本发明提供一种具有力传感的柔性微夹钳，其能够对夹持和接触两个方向上的力进行传感。

[0006] 具体地，本发明提供一种具有力传感的柔性微夹钳，其包括微夹钳本体、控制器、静电驱动器、电容式力传感器，其中，微夹钳本体包括一对夹臂、柔性传动机构、柔性导向部件和基座，一对夹臂通过柔性传动机构分别与静电驱动器和电容式力传感器相连接。

[0007] 作为优选，一对夹臂中的第一夹臂通过柔性传动机构中的第一连接铰链与静电驱动器相连接，第二夹臂通过柔性传动机构中的第二连接铰链与电容式力传感器相连接。

[0008] 作为优选，第一夹臂和第二夹臂分别通过柔性传动机构中的第一转动铰链和第二转动铰链与基座联接。

[0009] 作为优选，柔性导向部件包括驱动器柔性导向梁和传感器导向梁，其中，驱动器柔性导向梁与静电驱动器相连接，通过施加驱动电压，以输出横向位移，传感器柔性导向梁与电容式力传感器相连接，以产生竖向运动。

[0010] 作为优选，控制器包括高压运放芯片和电容-电压转换芯片，高压运放芯片配置地用于产生电压并施加给静电驱动器，电容-电压转换芯片配置地用于将电容式力传感器8的电容变化信号转换为输出电压信号。

[0011] 作为优选，高压运放芯片采用PA69或者OPA454芯片，电容-电压转换芯片采用AD7746或MS3110芯片。

[0012] 作为优选，电容式力传感器由竖向梳齿对组成，静电驱动器由横向梳齿对组成。

[0013] 作为优选，第二夹臂、第二转动铰链和第二连接铰链的刚度相应地大于第一夹臂、第二转动铰链和第二连接铰链的刚度。

[0014] 作为优选，第一转动铰链和第一连接铰链采用折叠式柔性铰链形式，第二转动铰链和第二连接铰链采用单一柔性梁形式。

[0015] 作为优选，第一转动铰链和第一连接铰链之间距离d1与第二转动铰链和第二连接铰链之间的距离d2不相等。

[0016] 本发明涉及的柔性微夹钳，通过单个力传感器结合传动机构实现了在两个互相垂直方向上的对夹持力和环境接触力的测量，并且通过柔性铰链提高了夹持的精度。此外，本发明通过集成静电驱动器与电容式力传感器，使得整体结构紧凑，兼容于IC制造工艺，可在硅晶圆上进行批量加工，降低了制造成本。

附图说明

[0017] 图1是本发明涉及的具有力传感的柔性微夹钳的结构示意图。

[0018] 附图标记：

[0019] 1-第一夹臂；2-第二夹臂；3-第一转动铰链；4-第二转动铰链；5-第一连接铰链；6-第二连接铰链；7-静电驱动器；8-电容式力传感器；9-静电驱动器7的活动端；10-电容式力传感器8的活动端；11-驱动器柔性导向梁；12-传感器柔性导向梁；13-基座。

[0020] 图2是本发明涉及的微夹钳的电极划分示意图。

[0021] 附图标记：

[0022] 14、15-静电驱动器的正、负极；16、17-接地端的电极；18、19、20-电容式力传感器的输出端的电极。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和具体实施事例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

[0024] 本实施例涉及一种具有力传感的柔性微夹钳，如图1所示，其包括微夹钳本体、控制器(图中未示出)、静电驱动器7、电容式力传感器8。其中，微夹钳本体具体包括第一夹臂1、第二夹臂2、柔性传动机构和基座13，第一夹臂1和第二夹臂2用于夹持物体，柔性传动机构由柔性铰链组成，这样能够避免传统链接件的摩擦、间隙等缺点，保证了夹持的精度。静电驱动器7与电容式力传感器8采用集成式安装，结构紧凑，兼容于IC制造工艺，例如可以在硅晶圆上进行批量加工。控制器用于向静电驱动器7施加电压和进行信号转换，其中，控制器包括高压运放芯片和电容-电压转换芯片，具体地，高压运放芯片用于产生电压并施加给静电驱动器7，高压运放芯片优选地可采用PA69、OPA454等芯片，产生的电压一般为0至150伏特，电容-电压转换芯片用于将电容式力传感器8的电容变化信号转换为输出电压信号，可采用AD7746、MS3110等芯片，静电驱动器7和电容式力传感器8设置在基座13中，电容式力传感器8优选地由竖向梳齿对组成；静电驱动器7由控制器所施加的电压驱动夹臂进行操作，作为一种优选，静电驱动器7由横向梳齿对组成。

[0025] 进一步地，在本发明涉及的柔性微夹钳中，第一夹臂1和第二夹臂2通过柔性传动机构分别与静电驱动器7和电容式力传感器8相连接，具体地，第一夹臂1通过第一连接铰链5与静电驱动器7的活动端9相连接，第二夹臂2通过第二连接铰链6与电容式力传感器8的活动端10相连接，第一夹臂1和第二夹臂2分别通过第一转动铰链3和第二转动铰链4与基座13联接，以更好地将两个夹臂的位置进行固定。

[0026] 更进一步地，为了对夹持力和环境接触力进行更加准确的测量，柔性微夹钳还包括若干根驱动器柔性导向梁11，其与静电驱动器7的活动端9相连接，通过施加驱动电压，以输出纯横向位移，在本实施例中，优选采用四根柔性导向梁11；此外，柔性微夹钳还包括若干根传感器柔性导向梁12，其与电容式力传感器8的活动端10相连接，以产生纯竖向运动，这种竖向运动会引起电容式力传感器8的差分电容变化，在本实施例中，优选采用四根柔性导向梁12。通过这种设置能够实现对第二夹臂2沿X轴方向所受夹持力以及沿Y轴方向的环境接触力的准确测量，从而通过单个传感器实现了对两个方向上的力的测量。

[0027] 在夹持方向上，第二夹臂2及其相连接的第二转动铰链4和第二连接铰链6的刚度大于第一夹臂1及其相连接的第一转动铰链3和第一连接铰链5刚度，这样在夹持物体的过程中，使得第二夹臂2能够产生比较小的弹性变形。

[0028] 由于在夹持物体时，主要依靠第一夹臂1进行位移进行夹持操作，考虑到第一夹臂1和与其相连接部分产生的弹性变形较大，作为一种优选，第一转动铰链3和第一连接铰链5可采用折叠式柔性铰链形式，以减小材料所受的应力，同时考虑到第二夹臂2和与其相连接部分产生的弹性变形较小，作为一种优选，第二转动铰链4和第二连接铰链6可采用单一柔性梁形式。

[0029] 此外，柔性微夹钳的第一转动铰链3和第一连接铰链5之间距离d1与第二转动铰链4和第二转动铰链6之间的距离d2不相等，其中，距离d1的大小可以根据将静电驱动器的活动端9的位移传递到夹臂1末端的位移放大倍数来选择，距离d2的大小可以根据对两个方向传感的灵敏度要求，即两个方向上的刚度大小来选择。

[0030] 此外，本发明涉及的柔性微夹钳可以采用绝缘体上的硅晶圆，利用蚀刻工艺加工生产，以能够实现最大程度的批量生产，降低制造成本。

[0031] 在使用本实施例中的柔性微夹钳夹取物体时，首先可将柔性微夹钳移动至物体附近，使物体处于第一夹臂1和第二夹臂2之间，然后由控制器施加驱动电压，以驱动第一夹臂1进行移动夹持物体，使得物体被第一夹臂1和第二夹臂2夹住。此时，沿X轴方向的夹持力被传递至第二夹臂2处，并经由第二连接铰链6传递至电容式力传感器8的活动端10，从而实现对沿X轴方向夹持力的传感，同时第二夹臂2沿Y轴方向所受环境接触力也被传递给电容式力传感器8的活动端10，从而使得使用单个电容式力传感器8能够实现在两个垂直方向上实现对力的测量和传感。

[0032] 如图2所示，微夹钳的器件层采用蚀刻工艺加工为七个主要区域，每个区域附有一个电极。电极14-20可以采用溅射铝或金的工艺加工生成，以便于与控制器(图中未示出)的对应端口进行电气连接。

[0033] 当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

标题	发布/更新时间	阅读量
夹钳-专利编号CN104162853A	2020-05-11	352
夹钳-专利编号CN104162853B	2020-05-13	499
夹钳-专利编号CN102166736A	2020-05-12	611
快速定位夹钳和虎钳-专利编号CN1984752A	2020-05-11	501
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夹钳-专利编号CN110199146A	2020-05-11	1021
夹钳-专利编号CN108080996A	2020-05-11	402

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