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能动式微夹钳的研究
摘要
本文论述了在微机械和毫微技术领域的一个重要的课题一能动
式微夹钳的研制。能动式微夹钳采用形状记忆合金驱动器做为动力
源。一此驱动器呈螺旋弹簧状,是由形状记忆合金绕制而成。形状记
忆合金是一种功能材料,因其具有形状记忆效应而经常被用做驱动
元件。
在本文中,作者主要叙述了形状记忆合金驱动器的特点以及形
状记忆合金的形状效应机制,并对微夹钳系统的各部分做了简要的
介绍。同时对其主要部分,如弹性芯轴、回复弹簧、形状记忆合
金驱动器做了设计计算。另外还介绍了组成微夹钳系统的驱动电路
的设计及控制程序的编制。
微夹钳研制成功后,我们做了大量的实验和测试。实验和测试
表明,所设计研制的微夹钳系统完全达到预期的性能指标。
能动式微夹钳的研制成功,在我国尚属第一例,它为微夹钳的
研究开拓了新的思路,为形状记忆合金的应用提供了宝贵的经验和
有益的探索,有望在实际中得到应用。
【关键词】微夹钳, 形状记忆合金, 形状记忆效应
一一









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能动式微夹钳的研究上海交通大学硕士学位论文
第一章绪论
第一节微机械技术的发展及研究
在科学研究和应用研究领域内,对于机电工具和设备,在解决高强度、大功率、大型
化的同时,也提出了高梢度、低耗能、小型化的要求。早在五十年代就有人提出了微型机
械的设想。但直到八十年代后期随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展,人们对微
机械的研究才从宏观转移到微观。科学家们试图把微驱动器、微执行器以及传感器都集中
在很小的尺寸范围之内,用现代技术把各种功能单元在微观世界统一起来,从而形成完备
的微机械系统。
徽机械技术是一项非常重要的技术,如果将它产业化,则会影响国民经济和国防科学
技术的发展。从八十年代至今,微机械作为一门新兴科学技术受到了工业发达国家政府和
科学技术界的高度重视,将它列入高新技术的发展规划,相继投入人力财力,开展研究和
探索,意欲抢先占领此项科学技术的制高点
在美国,徽机械系统被命名为“微电子机械系统,
,在日本它被称为“微机械”,欧洲各国则称其为“微系统”

微机械按其尺寸特征可分为的微小型机械,的微机械,以及
的纳米机械,而制造微机械常采用的微加工技术又可分为微米微细加工
、亚微米微细加工和纳米级微细加工
等。
由于微机械技术是一种微观状态下的新技术,因此对微机械及其系统的研究也不是传
统机械的直接微型化,而是基于现代科学技术,集传感、信号处理、驱动、控制和机械系
统为一体的高度集成化、智能化。微机械系统的结构尺寸和操作尺度都在毫米、微米到纳
米范围内,它涉及材料、设计、加工与组装、驱动、测试、控制和能源等多方面的问题。
微机械技术是一项崭新的研究课题,它主要包括理论荃础,技术荃础及其应用三个部分。
理论荃础
在微观领域,当尺寸缩小到一定的范围之后,许多物理现象和宏观世界有很大差别,
力的尺寸效应和表面效应在微观领域起很重要的作用。在微观领域,与特征尺寸的高次
方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减少,而与尺寸的低次方成比例的粘性力、
弹性力、表面张力、静电力等作用相对增大,这也是微型系统常以静电
力、表面张力作为驱动力的原因随着尺寸的减小,表面积与体积之比相对
增大,因而热传导、化学反应等速度加快,表面间的摩擦阻力显著增大,因此许多宏观物
理量甚至要重新定义,需要进一步研究微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微
光学、微结构学、微电子学和微生物学等等。
技术基础
微机械涉及的基本技术主要有微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配封接、
微测量、微能源、微系统控制和集成关键拄术。
能动式徽夹钳的研究上海交通大学硕士学位论文
微机械设计技术主要有微结构设计与数据库、有限元分析、微系统与仿真、
拟实技术等。
微细加工技术是微机械的技术关键,目前常用的工艺方法主要采用来自于半导体加
工工艺的硅微细加工、特种精密加工和微组装技术等。
微系统测量技术涉及材料的机械性能,微构件和微系统参数和性能测试。微型薄膜构
件的弹性模量、泊松比、拉伸强度残余应力、韧性等均与块材不尽相同,在测量的基础上,
建立数据库和数学力学模型。
微系统的集成与控制包括系统设计、微传感器或微执行器与控制处理电路的集成、能
源供给、接口通讯等。
应用研究
微机械在生物医学、精密仪器,尤其是空间狭小、操作精度高、功能高度集成的航空
航天机载设备领域有巨大的应用潜力。
目前人们已研