Diseño e implementación de una micropinza MEM con mecanismos flexibles

El trabajo realizado en esta tesis se centra en el diseño de una micropinza electrotérmica normalmente cerrada, con una apertura inicial de 25 μm, impulsada por un actuador chevrón, utilizando como brazos de la micropinza a arreglos de pantógrafos modificados, que incluyen, cada uno, 6 bisagras en su estructura, lo que aumenta su flexibilidad, contribuyendo a la amplificación de desplazamiento. Se incluyen además 4 arcos flexibles entre los brazos, que sirven también para favorecer la transmisión de desplazamiento, reduciendo pérdidas. Se utiliza un ancla en la parte central de los brazos para minimizar el movimiento residual de los brazos en el eje Z. Se consideró su fabricación, sobre oblea de Silicio sobre Aislante (SOI, por sus siglas en inglés). Se emplea una fuente de alimentación de 1 V, que genera una temperatura máxima de 92 °C en el ancla del actuador chevrón, y una temperatura en las puntas de la micropinza de 75 °C, lo que permite manipular microalambres, microestructuras elaboradas en silicio, entre otros semiconductores, así como metales, cuyo punto de fusión sea mayor. El desplazamiento total entre las mandíbulas aplicando el voltaje máximo de 1 V, es de 11.2 μm, con una fuerza de 439 μN, lo que permite manipular objetos desde 25 μm hasta 36.2 μm de diámetro, con un peso no mayor a 44.7 mg. Cabe señalar que, el esfuerzo mayor obtenido es de 465 MPa, el cual es menor al esfuerzo último silicio (7GPa). En el proceso de diseño, con el propósito de optimizar al microactuador chevrón utilizado, se realizaron parametrizaciones considerando a algunos de sus elementos principales: grosor de la estructura, ángulo de inclinación, ancho y largo de brazo. Para realizar las parametrizaciones, se utilizó la herramienta de software ANSYSTM Workbench. Los resultados de las simulaciones fueron comparados con los resultados analíticos. Cabe señalar que, el actuador chevrón ha sido ampliamente analizado, por lo que cuenta con modelos matemáticos ampliamente establecidos. Cabe señalar que, el tamaño de la pinza es compacto (1065 μm x 780 μm x 70 μm) y relativamente menor, con relación a las micropinzas de silicio con las que fue comparada, como puede observarse en el capítulo 4. Donde, puede apreciarse que se supera a las dos con las que fue comparada en desplazamiento. Adicionalmente, como una aplicación del modelo mejorado propuesto en este trabajo, se realizó el arreglo de dos micropinzas encontradas frontalmente, con la adecuación de puntas correspondientes, lo que ha hecho que sea posible sujetar objetos con diámetros entre 50 μm y 62.54 μm, con pesos máximos de 71.5 mg. Debe señalarse que, se ha reducido notablemente (30%) el esfuerzo, comparando con el caso de la micropinza individual, siendo ahora de 358 MPa.

This thesis focuses on the design of a normally closed electrothermal microgripper, with an initial opening of 25 μm, driven by a chevron actuator, using modified pantograph arrangements as arms, with 6 hinges in their structure, which increases the flexibility, contributing to the amplification of the linear displacement. 4 flexible arches are also included between the arms, which also serve to favor displacement transmission, and reducing losses. An anchor is used in the central part of the arms to minimize their residual movement in the Z-axis. Its fabrication was considered, using a Silicon on Insulator (SOI) wafer. A 1 V power supply is used, which generates a maximum temperature of 92 °C at the anchor of the chevron actuator, and a temperature at the tips of the microgripper of 75 °C, which allows the manipulation of microwires, microstructures made of silicon, among other semiconductors, as well as metals, whose melting point is higher. The total displacement between the jaws applying the maximum voltage of 1 V is 11.2 μm, with a force of 439 μN, which allows clamping objects from 25 μm to 36.2 μm in diameter, weighing no more than 44.7 mg. It should be noted that the largest stress obtained is 465 MPa, which is lower than the ultimate silicon stress (7GPa). In the design process, with the purpose of optimizing the chevron microactuator used, parameterizations were made considering some of its main elements: thickness of the structure, angle of inclination, width, and length of the arm. To perform the parameterizations, the ANSYSTM WorkbenchTM software tool was used. The results of the simulations were compared with the analytical results. It should be noted that the chevron actuator has been extensively analyzed, so its mathematical models are wellknown. It should be noted that the size of the microgripper is compact (1065 μm x 780 μm x 70 μm) and relatively smaller, in relation to the silicon microgrippers with which it was compared. In addition, it has shown a larger displacement. Additionally, as an application of the improved model proposed in this work, the arrangement of two frontally arranged microgrippers was carried out, with the adaptation of the corresponding tips, which has made it possible to hold objects with diameters between 50 μm and 62.54 μm, with maximum weights of 71.5 mg. It should be noted that the stress has been significantly reduced (30%), compared to the case of the individual microgripper, now being 358 MPa.