微型夹持器在微米和纳米尺度的组装和操作中起着至关重要的作用，可广泛应用于微电子、微机电系统（MEMS）和生物医学工程等领域。为了保证对易碎材料和微型物体的安全处理，需要设计出具有超高精度、快速响应、操作方便、高可靠性和低功耗的微型夹持器。
据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学谢会开教授的研究团队开发了一种电热驱动的微型夹持器，具有可逆变形大、响应速度快、操作方便、抓取强度大且稳定性高等特性。这些特性对于拓宽微型夹持器的应用范围至关重要。这种电热驱动微型夹持器采用Al-SiO₂双晶片（bimorphs）作为主要结构元件。由于加工过程产生的残余应力，所制造的微型夹持器自然处于闭合状态。Al与SiO₂之间的热膨胀失配使得微型夹持器能够通过温度控制在打开和闭合状态之间轻松转换。这种独特的微型夹持器有望在各种微组装和微操作应用中发挥重要作用，特别是在电子封装领域。这项研究成果以“A microgripper based on electrothermal Al–SiO2 bimorphs”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
图1展示了电热驱动微型夹持器的结构和工作机制，其设计灵感来源于花瓣的开合。该微型夹持器采用电热双晶片执行器为主要结构。每个电热双晶片由两种热膨胀系数（CTE）差异较大的材料构成。这些花瓣状的执行器在微型夹持器闭合状态下全部向下弯曲，可在捕获小物体后实现完全夹持。如图1a所示，双晶片可以通过去除下方的硅来释放，双晶片中的残余应力会导致微型夹持器处于初始闭合状态。此外，如图1b所示，可以通过调节驱动电压的振幅来精确控制变形的程度。为了实现对微型夹持器的所有花瓣的单独控制，在每个花瓣中都嵌入了独立的电阻加热器。
图1 微型夹持器的结构和工作机制
图2a说明了电热驱动方法的工作机制，其中两种具有不同CTE的材料结合在一起，形成双晶片执行器。当对双晶片施加温度载荷时，两种材料会发生不同的热变形，从而产生应力失配，进而导致执行器的结构弯曲。在双晶片执行器内嵌入电阻器进行加热，可将电能转化为热能，从而实现微执行器的机械结构变化。图2b为微型夹持器的优化布局设计。图2c为执行器的横截面图。图2d显示了执行器的主要结构参数。
图2 电热微型夹持器的设计
随后，研究人员在硅晶圆上采用独特的微加工工艺来制造微型夹持器，如图3所示。整个制造过程需要四个光刻步骤。图4a和图4b为该微型夹持器的扫描电子显微镜（SEM）图，显示了四个执行器因残余应力而均匀、平滑的卷曲。此外，四个执行器在释放后形成了一个球形空间，适合捕捉和固定微型物体。
图3 制造微型夹持器的制造工艺步骤
图4 微型夹持器的SEM图
器件制造完成后，研究人员将微型夹持器固定在印刷电路板（PCB）上，以测试其特性，其中器件与PCB板之间的电气连接是通过引线键合实现的。这项研究对十种执行器的性能进行了表征，相关研究结果如图5所示。
图5 微型夹持器的驱动特性
研究人员利用专门的捕获实验来评估微型夹持器的功能。实验设置和测试的示意图如图6a所示。图6b至图6g显示了微型夹持器的详细操作过程。图6h和图6i为微型夹持器捕获后的SEM图。另外，微型夹持器的抓取强度需要能够承受环境干扰，研究人员进行了针对性的研究，结果如图7所示。
图6 微型夹持器的操作过程
图7 微型夹持器的可靠性测试
利用批量生产的微型夹持器搬运和转移焊珠是实现无掩模和低成本焊珠“种植”的可行方法。它可以用于单个器件或具有各种焊盘尺寸的小型系统的焊珠种植。图8a至图8d展示了一个可行案例，详细操作流程如图8e至图8h所示。
图8 微型夹持器在电子封装中的潜在应用
综上所述，这项研究开发了一种电热驱动的微型夹持器。所设计的微型夹持器采用标准的MEMS制造工艺和常用材料，展现出可大规模制造的广阔前景。该微型夹持器具有驱动电压低、变形大、响应速度快等优点，是微操作应用中非常有用的工具。此外，通过强振动和冲击试验证明了该微型夹持器具有出色的抓取能力和可靠的抓取强度。这项研究所展示的微夹持器有望在各种需要精确捕获和释放微目标的微组装和微制造应用中发挥重要作用。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00821-2
