專利名稱：用光纖纜提供動(dòng)力和控制的最小侵?jǐn)_的管內(nèi)微型機(jī)械系統(tǒng)的制作方法
根據(jù)美國能源部和加利福尼亞大學(xué)關(guān)于Lawtence Livermor國家試驗(yàn)室的經(jīng)營的第W-7405-ENG-48號(hào)合同，美國政府具有本發(fā)明的權(quán)利。
本發(fā)明涉及遠(yuǎn)程傳感器，驅(qū)動(dòng)器，特別是微型機(jī)電抓爪，它適于以導(dǎo)管為基礎(chǔ)的插入療法或非醫(yī)用的遠(yuǎn)程微裝配等要求。這些要求的共同點(diǎn)在于很小的進(jìn)口和很小的深埋于身體或組裝體內(nèi)的室區(qū)。
遠(yuǎn)程地精確地操縱小物件的微驅(qū)動(dòng)器在廣泛的應(yīng)用中引起很大的興趣。設(shè)計(jì)和開發(fā)這種微抓爪裝置的努力在技術(shù)上很有用。而這類技術(shù)應(yīng)用于一般的微制造中也為微工程努力奠定基礎(chǔ)。這些努力包括機(jī)器人，微技術(shù)，精細(xì)工程，國防，能源，生物醫(yī)學(xué)研究，醫(yī)學(xué)應(yīng)用，比如以導(dǎo)管為基礎(chǔ)的插入療法，及微機(jī)械系統(tǒng)的遠(yuǎn)程裝配或使用。
當(dāng)血管的某一部分變?nèi)鯐r(shí)，它會(huì)腫脹形成動(dòng)脈瘤。血管最后會(huì)壞掉破裂這是中風(fēng)的一個(gè)主要原因。傳統(tǒng)上動(dòng)脈瘤靠手術(shù)治療。醫(yī)生要先割開要修復(fù)的區(qū)域，然后才試著用夾掉的辦法外科手術(shù)修復(fù)動(dòng)脈瘤。然而許多動(dòng)脈瘤長在關(guān)鍵部位，比如腦中，手術(shù)既困難又危險(xiǎn)，或是根本不可行。過去二十年里，一些先行的醫(yī)生利用神經(jīng)放射學(xué)技術(shù)來醫(yī)治腦動(dòng)脈瘤。長(一至兩米)而細(xì)(250至500微米)的導(dǎo)管從腹股溝的動(dòng)脈上推到腦伸向動(dòng)脈瘤?，F(xiàn)存的基于導(dǎo)管的插入設(shè)備依靠簡單的通常是單一的驅(qū)動(dòng)方式。這些技術(shù)，包括氣囊血管成形術(shù)(balloon angioplasty)，在大血管如心腦的處理上已經(jīng)成熟。為將這種醫(yī)療方法推廣到如腦中的小血管，基于導(dǎo)管的工具的微型化是個(gè)關(guān)鍵。在最近的方法里，鉑絲卷被用來充填動(dòng)脈瘤，因?yàn)樗梢猿涮畈灰?guī)則形狀，充填在血管里以后又能抗電蝕作用。絲卷或是通過導(dǎo)管被引導(dǎo)線推入動(dòng)脈瘤，或是通過電溶解引導(dǎo)線和治療裝置的焊點(diǎn)釋放出來，神經(jīng)病學(xué)治療裝置的直徑大約250微米。雖然絲卷的填入會(huì)引起電血栓，釋放絲卷所需時(shí)間卻很長(4分到1小時(shí))，一個(gè)普通大小的動(dòng)脈瘤要用幾個(gè)絲卷來充填。材料的溶解在何等程度上影響身體還不清楚，電解焊需要在腦中引入一個(gè)較長時(shí)間的電流，這有時(shí)并不可靠。這些困難為就醫(yī)的患者提出了潛在的威脅生命的問題。
這樣就需要一種微型機(jī)械，它能進(jìn)入250微米直徑的區(qū)域并可使醫(yī)生釋放絲卷或是別的治療物，在一旦放錯(cuò)了時(shí)間或位置時(shí)又能收回。本發(fā)明滿足了此項(xiàng)要求，它提供了一個(gè)微機(jī)械釋放機(jī)制，因而對(duì)醫(yī)生而言，這是個(gè)安全可靠的替代方法，并且該微型機(jī)械可以進(jìn)入腦血管，一個(gè)250微米直徑的區(qū)域。這個(gè)微機(jī)電結(jié)構(gòu)可用現(xiàn)成的硅集成電路技術(shù)或精細(xì)微加工術(shù)，或兼用兩者來制造。本發(fā)明在需要遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)微抓爪的不同領(lǐng)域有應(yīng)用，它特別是可用于基于導(dǎo)管的插入療法。
本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)電微型抓爪。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是使微型抓爪有大的夾力，相對(duì)剛性結(jié)構(gòu)的機(jī)體和功能設(shè)定的靈活性。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種機(jī)電微機(jī)械，它裝在導(dǎo)管的一端并可從另一端操縱從而擴(kuò)展和改進(jìn)基于導(dǎo)管的插入療法的應(yīng)用。
本發(fā)明的另一目的是提供一個(gè)可在大小為250微米直徑，如腦血管的區(qū)域內(nèi)操作的微型抓爪。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一個(gè)能用來為遠(yuǎn)程加熱和反饋控制并入加熱器和應(yīng)力傳感器的微型抓爪。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一個(gè)能用來作為植物神經(jīng)組織采樣器或作為處理微小組份用的末端。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一個(gè)微型抓爪，它具有使用替代驅(qū)動(dòng)機(jī)制，液壓或熱雙態(tài)機(jī)制的潛力。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一個(gè)大夾力(40mN)的微型抓爪，它的驅(qū)動(dòng)力是形狀記憶合金薄膜產(chǎn)生的，產(chǎn)生的應(yīng)力可使微型抓爪的每一邊的彎曲大到約55微米，合起來就是一個(gè)約110微米的夾動(dòng)作。
簡言之，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一個(gè)醫(yī)用微機(jī)械系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)以導(dǎo)管為基本形式建立起來，導(dǎo)管有個(gè)插入體內(nèi)并在其中操作的遠(yuǎn)端和一個(gè)為使用者控制體內(nèi)遠(yuǎn)端操作而設(shè)的近端。一束光纖纜置于導(dǎo)管中，它有一個(gè)靠近導(dǎo)管遠(yuǎn)端的遠(yuǎn)端和一個(gè)為耦合外部激光能量而設(shè)的近端。一個(gè)微型抓爪連在導(dǎo)管的遠(yuǎn)端上用來抓放體內(nèi)的物件。一個(gè)激光機(jī)械能轉(zhuǎn)換器連在當(dāng)中來接收光纖遠(yuǎn)端的激光和機(jī)械地驅(qū)動(dòng)微型抓爪。
收入并成為專利公開一部分的附圖，演示本發(fā)明的實(shí)施例，和文字說明一起用來闡釋本發(fā)明的原理。


圖1A和1B是用氣囊驅(qū)動(dòng)的微型抓爪一個(gè)實(shí)施例的截面圖，分別顯示合攏和開啟的位置。
圖2是圖1A，1B所示實(shí)施例的分解圖，氣囊被省略。
圖3A和3B代表另一個(gè)微型抓爪的實(shí)施例，它使用了一個(gè)鑷子似的薄膜驅(qū)動(dòng)器。
圖4A和4B是顯示另一個(gè)微型抓爪實(shí)施例的截面圖，它應(yīng)用了形狀記憶合金(SMA)線掣子。
圖5是圖4A，4B中實(shí)施例的分解圖，SMA線被省略。
圖6是采用SMA雙盤繞的本發(fā)明的實(shí)施例。
圖7是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，硅微型抓爪。
圖8是顯示低共熔連接過程的截面圖。
圖9A，9B和9C顯示電阻性加熱器及圖7中微型抓爪的電輸入。
圖10，10A和10B顯示圖8A中加熱器的實(shí)施例，圖10A和10B是放得更大了的截面。
圖11，11A和11B顯示圖9A中另一個(gè)加熱器的實(shí)施便，圖11A和11B是放得更大了的截面。
圖12顯示圖7中微型抓爪的力反饋控制系統(tǒng)。
圖13顯示依本發(fā)明制造的提供液壓的SMA膜驅(qū)動(dòng)的微驅(qū)動(dòng)器，其中液體出自一個(gè)微囊。
本發(fā)明是一個(gè)機(jī)電抓/放微型機(jī)械這里稱做微型抓爪或微型夾。微型抓爪有大的夾力，相對(duì)剛性結(jié)構(gòu)的機(jī)體和功能設(shè)定上的靈活性，以便能用來作為，例如植物神經(jīng)組織采樣器或處理微小組份用的末端，或作為一種在血管腫脹部分，即動(dòng)脈瘤里釋放鉑絲卷或其它材料的機(jī)械，本發(fā)明的微型爪對(duì)擴(kuò)展和改進(jìn)基于導(dǎo)管的插入療法的應(yīng)用特別有用，它可用于直徑為250微米的區(qū)域，如腦中的小血管。微型抓爪可帶有裝了加熱器或應(yīng)力傳感器的外表面來進(jìn)行遠(yuǎn)程加熱和反饋控制。一個(gè)微型抓爪的實(shí)施例是硅結(jié)構(gòu)的，帶有SMA薄膜，引發(fā)的應(yīng)力使邊形變，能產(chǎn)生一個(gè)約110微米的抓動(dòng)作。微型抓爪可以用精細(xì)微加工生產(chǎn)或用制造集成電路的技術(shù)生產(chǎn)。
抓/放機(jī)械或微型抓爪要達(dá)到的主要目標(biāo)如下1)其截面要能裝入小如250μm的區(qū)域(開或合)；2)要在少于10秒的時(shí)間內(nèi)把材料釋放到血管中；3)溫度范圍應(yīng)在0℃到37℃之間；4)若用電能的話，電流要小于10mA；5)100％的可靠。
用傳統(tǒng)的硅塊微加工技術(shù)，可以生產(chǎn)如圖1A，1B和2所示的機(jī)械夾或微型抓爪，它帶有一個(gè)伸臂結(jié)構(gòu)，比如長約800μm構(gòu)造的總高度是250μm。一個(gè)聚硅酮微氣囊可以用來機(jī)械地彎曲伸臂去夾前端的外來物品，如圖1A和1B。微氣囊有很好的特性并可承受大到10atm的壓力。這種微氣囊在人腦血管中試驗(yàn)過。如圖1A，1B和2，大致標(biāo)在10的氣囊驅(qū)動(dòng)微抓爪包括一對(duì)頜板，一對(duì)爪臂或稱爪組件11，12，其上有一組開槽的伸臂13，14，一個(gè)推墊15，16，及爪頭17，18。在某些應(yīng)用里可省略推墊。頜板或爪組件11，12在19處粘在一起，或用其它方法固定在一起。一個(gè)像氣囊20的可膨脹裝置放在爪組件11和12中間并接上傳送管或?qū)Ч?1，它沿氣囊通道22(見圖2)伸出，通過導(dǎo)管供應(yīng)驅(qū)動(dòng)液或氣來驅(qū)動(dòng)(膨脹)氣囊20。推墊15，16是氣囊的著力點(diǎn)23(見圖2)；全部脹起時(shí)，氣囊的端頭會(huì)伸入推墊間，如圖1A所示。
如圖1A所示，當(dāng)氣囊20在非驅(qū)動(dòng)(沒膨脹)位置時(shí)，爪頭15，16也在非驅(qū)動(dòng)位置。當(dāng)氣囊20驅(qū)動(dòng)膨脹時(shí)，爪組件11，12的外端在開槽伸臂13，14處自外彎曲使爪頭17，18分開，其中的材料24便可以出來，如圖1B。
爪組件11，12可由硅、鋁、鎳或其它合用的金屬，聚四氟乙稀或其它合用的聚合物及陶瓷制成，長度在0.8mm到1.5mm，寬度和合起來的高度最好小于250μm。氣囊20可以是個(gè)聚硅酮微氣囊，它可承受10個(gè)大氣壓，壓力由管21提供，它可由聚四氟乙烯或其它穩(wěn)定的塑料制成，其直徑在80到400μm之間。氣囊20可以被其它膨脹裝置代替。粘合處可以由選擇的低共熔接合，舉例來說。推墊15，16的厚度舉例為20到40μm，爪頭17，18厚90到150μm長度是50到150μm。開槽的伸臂13，14可有3到10個(gè)，寬5到100μm，長50到500μm的槽。伸臂的槽可以是直的也可以沿長度方向漸細(xì)。制做爪組件的材料11，12在相關(guān)的液體和化學(xué)品中必須是穩(wěn)定的。
圖3A和3B的實(shí)施例用到一對(duì)SMA薄膜起動(dòng)折葉來依照膜所處溫度開合爪臂或爪組件。圖3A，3B中的SMA薄膜也可以用夾在聚酰亞氨層中的加熱器代替，它膨脹并彎曲夾或爪的伸臂。
如圖3A，3B，一般以標(biāo)碼30代表的微抓爪由一對(duì)，比如硅片做的，爪臂或爪組件31，32組成，每一臂上有一個(gè)截面減薄的區(qū)域33，34和一對(duì)向內(nèi)方安放的爪頭35，36(圖中只畫出一個(gè))它們持住材料或部件37，如一個(gè)小鉑盒的干(stem)(見圖3A)。薄膜38，39安在爪組件31，32上靠近減薄區(qū)33，34的地方，膜38，39由SMA或上述的聚酰亞氨構(gòu)成。爪組件31，32也設(shè)有推墊40，41。在加熱器(未畫)加熱薄膜時(shí)，膜膨脹致使爪組件31，32在區(qū)域33，34處向外彎曲，爪頭35，36分開(見圖3B)，材料37移走。
舉例來講，爪臂或爪組件31，32可由硅或合適的金屬，聚合物或陶瓷制成，其寬度和整個(gè)合起的高度最好不超過250μm，其組件31，32的厚度在20到100μm之間，減薄區(qū)的厚度在5到15μm，爪頭35，36從組件31，32向內(nèi)伸出的距離在20到50μm之間。例如，推墊40，41，的厚度在20到40μm，深(或稱高)度在30到100μm。若薄膜38，39由SMA構(gòu)成的話，其組成可以是Ni-Ti，Ni-Ti-Cu或其它低溫SMA，厚度為2到5μm，若由聚酰亞氨構(gòu)成，舉例來講，它有二個(gè)厚在3到10μm長300到500μm的層和一個(gè)夾在層間的Ti-Au加熱器。SMA膜38，39的加熱，舉例來講，由集成多晶硅加熱器或由圖9，10所描繪的SMA電阻直接加熱器或通過光纖的激光加熱來完成。形狀記憶合金為人熟知，1991年10月29號(hào)，為J.D.Busch等人所發(fā)的文獻(xiàn)U.S.Patent No.5061914即為例證。
圖1A-1B，3A-3B的實(shí)施例也可用來取回材料或部件，如用來治療動(dòng)脈瘤的鉑絲卷。這個(gè)實(shí)施例優(yōu)于以前的微抓爪，它導(dǎo)電(見C.J.Kimetal，“Silion-Processecl Oueihanging Mierogripper”，Journal ofMicroelectromechanical Systems，Vol.1 No.1 pp.31-36，March 1992)可用來操作生物細(xì)胞或微型組裝部件。
圖4A-4B和5的實(shí)施例是個(gè)微抓爪，一個(gè)一般的開釋機(jī)械(圖4B)，其中SMA線用作閂來合上微抓爪(圖4A)，驅(qū)動(dòng)時(shí)打開機(jī)械。如圖一般用標(biāo)碼50代表的本實(shí)施例包括一對(duì)抓臂或爪組件51，52，大致和圖1A-1B中實(shí)施例的爪組件構(gòu)造相同，同時(shí)還設(shè)有連鉤53，54，推墊55，56，和幾對(duì)爪頭57，58(每臂只畫出一個(gè))。一個(gè)壓力薄膜59，60裝在爪組件51，52的口61，62處。連鉤53，54上有開口63，64(見圖5)，通過開口一個(gè)SMA絲65伸出(見圖4A)將爪組件51，52及壓力薄膜59，60合攏。在SMA線65動(dòng)作時(shí)，線從連鉤53，54的開口63，64中抽出，如箭頭66所指(見圖4B)，壓力薄膜59，60膨脹引起爪組件51，52向外彎曲。在合位置(見圖4A)爪頭57，58把材料或部件67夾在中間，動(dòng)作時(shí)或是說打開閂(連鉤53，54和SMA線65)時(shí)，爪頭57，58向外運(yùn)動(dòng)讓材料67移開。和圖1A-1B的實(shí)施例一樣，爪組件51，52在標(biāo)碼68指示處粘在一起。
舉例來講，爪組件51，52，推墊55，56和爪頭57，58可以像上述圖1A-1B實(shí)施例那樣構(gòu)造成形。連鉤53，54由硅，金屬，聚合物或陶瓷組成然后再用微加工方法固定，它高80到200μm，寬200到500μm，開口63，64有一個(gè)80到380μm的截面，寬180到480μm，它也可以不做成方形。SMA線65可由Ni-Ti-Cu，Ni-Ti或Ni-Ti-Hf構(gòu)成，它具有和連鉤53，54開口63，64相應(yīng)的截面和構(gòu)形。壓力薄膜59，60可以由硅，摻雜多晶硅或聚合物構(gòu)成，其厚度為3到8μm，截面是250×250或250×400μm。
圖6表示有兩個(gè)SMA微線圈的微抓爪，一個(gè)線圈抓住鉑絲卷的干，舉例說明，另一個(gè)把鉑絲卷向外推以確保釋放，微線圈固定在引線的一端上，基于導(dǎo)管的插入療法就是這樣用的。如圖6，兩個(gè)SMA線圈170，171固定在引線172的一端。比線圈171截面和直徑更大的線圈170包圍著線圈171和鉑絲卷173的干，舉例說明，并持或抓住干173。線圈171在引線172的端頭174和干173的端頭175之間伸展。在一般情況下線圈170持住干173不動(dòng)，動(dòng)作時(shí)線圈171膨脹將干173推出線圈170。
舉例來講，大線圈170可以由直徑50到70μm的SMA線來制成，圈數(shù)為10到15圈，其組成是Ni-Ti，Ni-Ti-Cu或Ni-Ti-Hf。小線圈171可以由直徑30到50μm的SMA線來制，圈數(shù)為5-10圈，其組成是Ni-Ti，Ni-Ti-Cu或Ni-Ti-Hf。微線圈170和171可以用粘或焊等方法固定在引線172上。
圖7中的優(yōu)選實(shí)施例用了硅結(jié)構(gòu)和SMA薄膜的組合并設(shè)有一個(gè)線套來輸入信號(hào)。這個(gè)實(shí)施例給出一個(gè)微抓爪它可以在低溫下(＜100℃)被局域驅(qū)動(dòng)，有大的抓力(10到40mN)，相對(duì)剛性的體結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)上的靈活性。這個(gè)微抓爪還能鎖住抓目標(biāo)物。微爪的驅(qū)動(dòng)力由，舉例來講，Ni-Ti-Cu形狀記憶合金薄膜產(chǎn)生，導(dǎo)出的應(yīng)力可使微抓爪的每一邊彎曲55μm，整個(gè)形成一個(gè)110μm的抓動(dòng)作。這開動(dòng)作相應(yīng)一個(gè)20mN的爪頭開力。此外微抓爪可以在液態(tài)環(huán)境下工作。開頜，推墊和空通道是由精細(xì)的鋸加工結(jié)合硅塊的機(jī)加工而成。而塊的預(yù)加工過的硅片被精確定向并選擇粘接，這要用到Au-Si低共熔方法它涉及在片上對(duì)準(zhǔn)一塊掩模，透過掩模向準(zhǔn)備粘接部分的蒸發(fā)，后面結(jié)合圖8將做詳細(xì)描述。圖7中的微抓爪尺寸是1mm×200μm×380μm，有一對(duì)厚12.5μm的硅伸臂，5μm厚的Ni-Ti-Cu SMA薄膜置于伸臂或抓臂的外側(cè)為微抓爪提供驅(qū)動(dòng)力。SMA薄膜能產(chǎn)生高達(dá)500MPa的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力，其轉(zhuǎn)變溫度介于30℃到70℃，這低于所有已知的熱雙態(tài)微抓爪的工作溫度。為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，微抓爪被外熱驅(qū)動(dòng)并準(zhǔn)備錄像帶來演示開合動(dòng)作。
現(xiàn)在來看圖7中所示的一個(gè)特殊實(shí)施例，一般以標(biāo)碼70代表的微抓爪有一對(duì)硅伸臂，抓臂或爪組件71，72，每一組件71和72上有一個(gè)30μm寬的推墊分別標(biāo)以73和74，還有一對(duì)形如60×110×100μm3的抓頜或爪頭75，76。爪組件71，72在交接面77處以Au-Si低共熔法粘接在一起，外表面或外側(cè)還有一塊SMA薄膜78，79。伸臂或爪組件71，72在粘接面77處有一個(gè)寬110μm的中空通道，它和導(dǎo)管的一端有聯(lián)系，比如，微抓爪就安在導(dǎo)管上。微抓爪70安在大致標(biāo)為81處的線套上，以輸入信號(hào)。
前面已定下了爪組件71，72，SMA薄膜78，79，低共熔粘接77的構(gòu)成及微抓爪70的尺寸。舉例來講，推墊73，74厚為20到40μm，高為80到100μm；爪頭75，76高80到100μm，端截面70×150μm；中空通道80寬100到250μm高50到180μm。
圖1A-1B，3A-3B，4A-4B，和7，特別是7中微抓爪實(shí)施例的生產(chǎn)給予設(shè)計(jì)者一些依目標(biāo)樣品構(gòu)造爪頜的靈活性，它可用來作植物神經(jīng)組織采樣器或作為處理微部件的導(dǎo)管尖端。微抓爪的外表面，特別是如圖7的，可以用來裝加熱器或應(yīng)力傳感器以實(shí)行遠(yuǎn)程加熱或可能的反饋控制，如后面圖9-12所描述的那樣。圖7實(shí)施例的中空通道有潛力接線或注射治療藥物。另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是有對(duì)同一微抓爪結(jié)構(gòu)使用不同驅(qū)動(dòng)機(jī)制的可能，或用液壓式或用簡單的熱雙態(tài)式。為不同用途的許多實(shí)際微抓爪有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)可以在此基礎(chǔ)上構(gòu)想。生產(chǎn)過程可以高度自動(dòng)化，微抓爪的批量生產(chǎn)可以降低制做成本。
圖7微抓爪的應(yīng)用包括在制造過程中安裝小零件，最小侵?jǐn)_的快速植物神經(jīng)組織取樣，基于導(dǎo)管的管內(nèi)療法，在極限條件下遠(yuǎn)程處理小物件(高/低壓，有害液體等)。
圖7實(shí)施例的微制做可歸為塊的微機(jī)加工，精細(xì)較準(zhǔn)，蝕刻和Ni-Ti-Cu SMA薄膜的沉積。如前所述，特別的如圖7型實(shí)施例的微抓爪尺寸是1000×200×380μm3。每一硅伸臂(72和73)厚125μm，5μm的Ni-Ti-Cu SMA薄膜(78和79)沉積在伸臂的外表面上以提供驅(qū)動(dòng)力。推墊(73-74)寬30μm而爪頜(75-76)的尺寸是60×110×100μm3。中空通道80寬110μm高175μm。爪頜，推墊和中空通道是結(jié)合精細(xì)鋸加工，硅塊機(jī)加工方法成形的，可以批量生產(chǎn)。微抓爪和外引子及小端效應(yīng)器(例如圖9)的連接需要組裝不能批量生產(chǎn)。然而現(xiàn)在正在努力開發(fā)組裝技術(shù)。
微抓爪的伸臂或爪臂(71-72)在兩塊硅片上制造。此過程從兩塊100μm厚(110)的P型硅片開始，它是從一個(gè)200到380μm總寬的硅片磨拋而成。通常為在硅片上做圖案和蝕刻用的罩膜是厚1000的氮化硅。
為準(zhǔn)確的定出(111)平面相對(duì)于片表面關(guān)系，一般偏離2-3度，需作一個(gè)檢驗(yàn)花樣。校準(zhǔn)目標(biāo)印在每一硅片上，用這個(gè)晶面認(rèn)別花樣來確保下一步校準(zhǔn)到正確的晶面。必須定出兩類校準(zhǔn)目標(biāo)，一種是為進(jìn)行前后校正，另一種蝕刻在片上以為精確針機(jī)械校正(為低共熔連接用)提供孔。每片后都畫有格線(2μm深)。片的正面，畫出鋸切道引線以完成鋸加工形成硅伸臂(71-72)和推墊(73-74)。這些圖案用蝕刻硅表面1μm的線畫出。重又使用氮化硅罩膜后，既為爪頜(75-76)和中空通道(80)進(jìn)行機(jī)加工。然后把硅片放到44％的KOH中腐蝕，得到深85μm的垂直壁。揭去氮化硅罩膜后，就可以開始精細(xì)鋸加工，如使用Kulicke & Soffa公司的780-型精細(xì)鋸，其定位精度高達(dá)2.5μm。之所以選擇精細(xì)鋸加工是為了避免硅腐蝕的各向異性局限，若不做精心的角補(bǔ)償，并犧牲已形成的面各向異性使垂直壁腐蝕溝相互不能成90°角。既然兩個(gè)鋸口各自是200μm和400μm，鋸片選成200μm厚。寬鋸口(400μm)由相鄰的兩鋸切出。事先給鋸定好為推墊(73-74)留出30μm的寬度。為仔細(xì)控制切割深度有必要從片底為準(zhǔn)來指標(biāo)深度。另外最理想的是用粗表面來修磨鋸片以獲得垂直的邊。用硅片制成的硅伸臂或爪臂對(duì)現(xiàn)在可以粘接了。
圖7中伸臂或爪臂的粘接，舉例來講，是用Au-Si低共熔粘接法，它可在低溫(＜400℃)下選擇的粘接區(qū)內(nèi)進(jìn)行。如上所述，硅的細(xì)微結(jié)構(gòu)如圖7的爪臂可以在兩個(gè)硅片上用微型機(jī)加工得出，然后用低共熔法粘接起來，這使設(shè)計(jì)者可設(shè)計(jì)出最小縫隙的微結(jié)構(gòu)，它可以用作容量傳感器/驅(qū)動(dòng)器及密封的微流動(dòng)系統(tǒng)。
利用Au-Si低共熔粘接，如圖7所示的兩塊加工過的硅片組成的微結(jié)構(gòu)，可像圖8所示那樣制做。在每個(gè)硅片做的伸臂上，用標(biāo)碼83大略指示的，面積為500×500μm(舉例)的Ti/Au墊由在84處箭頭指示的電子束蒸汽通過影罩85，86沉積成形，如圖8所示。Ti層87是粘連層也是Au層88擴(kuò)散的阻擋層。墊83的厚度，舉例來講，Ti(層87)500A，Au(層88)1μm。退火溫度在370℃到390℃之間，高于共熔點(diǎn)的363℃以保證接觸面液化。有必要在此溫度下保持五分鐘。影罩85-86目前是用在(100)硅片上腐蝕窗口制成。用校準(zhǔn)影罩在硅片上位置的方法，只有鍍上Ti/Au的區(qū)域能粘接在一起。相配的硅片要有完全潔凈的粘接表面。然后片在低真空(一般10-4Torr)中壓在一起并在380℃下保持三分鐘(舉例)。Ti/Au低共熔粘接墊83的超聲圖像，透過一對(duì)兩英寸厚的硅片，顯示高度均勻的固體鍵形成了。Au-Si鍵的強(qiáng)度在拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)中進(jìn)行了測量，九個(gè)低共熔鍵墊在拉應(yīng)力5.5GPa下被拉開。在生產(chǎn)過程中加工鍵周圍區(qū)域時(shí)，低共熔鍵區(qū)完好無損。
在粘接過程中，用了精確直徑針的機(jī)械校準(zhǔn)，以便控制過程和防止脆弱的伸臂顫動(dòng)。粘好的伸臂對(duì)(71-72)現(xiàn)在可以拿去沉積SMA薄膜了(78-79)。
由Ni-Ti-Cu組成的SMA薄膜是用混合直流磁控管濺射沉積法制成的?；旌蠟R射方法的細(xì)節(jié)見于1995年6月1日入檔的申請文獻(xiàn)No.08/458,051，題目是“Multiple Source Deposition of Shape-Memory AUoyThin Films”。在此濺射方法里，三個(gè)獨(dú)立的靶用來濺射合金以便于獨(dú)立的控制能量從而主動(dòng)地決定合金的成份。薄膜在505℃沉積，使其能在原地退火消除殘余應(yīng)力。開始SMA膜在圖7中伸臂(71-72)外側(cè)或外表面依次沉積，舉例來講，這樣有一面就要在505℃溫度下退兩次火，但最好在伸臂粘接前做SMA薄膜沉積以減小膜內(nèi)的熱應(yīng)力。下面給出生產(chǎn)如圖7所示的微驅(qū)動(dòng)器的簡要的過程順序a)做出晶面檢測標(biāo)記，校正目標(biāo)和校正孔。
b)做出鋸切口引線。
c)做出沿(111)面方向的硅腐蝕道。
d)用KOH對(duì)硅腐蝕道進(jìn)行各向異性的腐蝕。
e)把影罩在片上校準(zhǔn)，做Ti/Au膜的沉積。
f)機(jī)械的針校準(zhǔn)和380℃和10-4Torr下的低共熔粘接(3分鐘)g)在兩側(cè)的Ni-Ti-Cu薄膜磁控管濺射沉積且原地退火，溫度為505℃。
h)切出單個(gè)的微抓爪。
圖7中的微抓爪是由直流磁控管濺射的Ni-Ti-Cu SMA膜驅(qū)動(dòng)的。形狀記憶驅(qū)動(dòng)基于晶體的相變，其低溫相(馬氏體)通過雙晶易于來回變形，它的高溫相(奧氏體)有著剛性的構(gòu)形。Ni42Ti50Cu8合金正好在體溫(37)上相變，使得它能在可植入的醫(yī)療裝置發(fā)揮作用，它又較Ni-Ti二元系有較窄的滯后，提高了效率，改善了反應(yīng)時(shí)間。另外銅的加入使相變溫度對(duì)膜的組份的敏感度下降。
在微抓爪的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)力是通過記憶膜中殘余張應(yīng)力的恢復(fù)達(dá)成的，數(shù)據(jù)可通過測量物體的彎曲對(duì)溫的函數(shù)來得到。在500℃沉積的膜當(dāng)沉積后冷卻時(shí)產(chǎn)生了熱張力。當(dāng)冷到低于馬氏體相變開始的溫度時(shí)，膜中的熱應(yīng)力被與雙晶有關(guān)的形變松懈掉。把膜加熱可恢復(fù)熱張力。于是硅微抓爪伸臂的行為像個(gè)偏心眼的彈簧，加熱時(shí)形狀記憶膜收縮打開微抓爪，冷卻時(shí)記憶膜伸張微抓爪返回到中性位置。具有大到500MPa恢復(fù)力的膜已經(jīng)沉積出，但用于圖7中伸臂的膜，舉例來講，有375MPa的恢復(fù)力。Ni-Ti-Cu膜產(chǎn)生的張力的測試是由Tencor FLX-2320激光系統(tǒng)完成的，它測量膜在硅基片上引起的彎曲，再換算成張力。
為估計(jì)Ni-Ti-Cu SMA膜產(chǎn)生的夾力，一個(gè)在端頭有打開力的等價(jià)模型提了出來。用一個(gè)雙金屬應(yīng)力桿，Ni-Ti-Cu膜的應(yīng)力和爪頭偏移的關(guān)系可以求出。對(duì)一個(gè)5μm厚的膜算得的偏移是53μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示充分驅(qū)動(dòng)時(shí)爪頭張開55μm。用等價(jià)模型，需用20mN的力可使微抓爪偏移55μm。于是有一個(gè)40mN(每伸臂20mN)加在全開的微抓爪上。
圖7中微抓爪的加熱用的是制做在薄膜上的集成電路電阻加熱片，在圖10和11中有詳細(xì)描述。加熱片放在微抓爪伸臂上并加上電流，熱量從加熱器傳到硅抓爪伸臂上使Ni-Ti-Cu膜產(chǎn)生相變。于是實(shí)現(xiàn)了SMA膜的遠(yuǎn)程主動(dòng)加熱。
圖7中的微抓爪還被裝上了反饋控制用的應(yīng)力傳感器。如后面對(duì)照圖12的描述。
圖9，9A和9B顯示圖7中微抓爪在導(dǎo)管上的安裝。和圖7類似的組件給予相應(yīng)的參考碼。微抓爪70通過SMA膜電阻加熱器和線套81電連接。加熱器在伸臂71上標(biāo)碼90大致指示的位置其上的接觸片91，92通過導(dǎo)線93，94連在粘在聚酰亞胺組件99上的導(dǎo)電膜97，98(如銅)上的接觸片95，96上，組件99是大致標(biāo)在100的電輸入帶100的一個(gè)部分。如導(dǎo)線93′，94′所示，同樣的電阻加熱器和電連接布置設(shè)在微抓爪70的伸臂72和線套81上聚酰亞胺組件的導(dǎo)電膜之間。聚酰亞胺組件99，99′及相連的銅膜連在條100的絕緣導(dǎo)線101/102和101′/102′上，處于導(dǎo)管103中(見圖9A)。聚酰亞胺組件99和99′包括突出端部分104和104′，如箭頭105所示，伸進(jìn)微抓爪70的中空通道80。線套81′被一個(gè)熱縮管106(見圖9B)固定在微抓爪70上。
圖9中裝在微抓爪70伸臂71、72上的電阻加熱器可以顯示于圖10，10A和10B的類型也可以是示于圖11、11A和11B的類型，它們都有壓力電阻反饋能力。
在圖10的實(shí)施例中，電阻加熱器90包括接觸片91、92，如圖9中那樣，電阻線107和片91電連接，電阻線108和片92電連接。圖10A是放大了的圖10的截面，它包括硅梁(伸臂71)，電阻加熱器90的SMA電阻線107，108，線間是氧化層109和110，上面是多晶硅層111和112，再往上是SMA薄膜78的截面，氧化層或保護(hù)層113覆蓋其上。圖10B是個(gè)放大的圖10實(shí)施例的側(cè)視截面。
圖11，11A和11B中的電阻加熱器和圖10中的實(shí)施例大致相同，使用類似的參照碼。圖11中電阻加熱器90包括接觸片91和92，電阻線107連在片91上，電阻線108連在片92上，有如圖10中的實(shí)施例。圖11A是放大了的圖11的截面，它包括一個(gè)硅梁(伸臂)71，氧化層114。兩個(gè)多晶硅層115和116，其上沉積了氧化層117和118，SMA薄膜層78和一個(gè)氧化層或保護(hù)層113。圖11B是放大了的圖11實(shí)施例的側(cè)視截面。
圖12顯示圖7實(shí)施例中微抓爪的一個(gè)力反饋控制系統(tǒng)，類似的組件采用相應(yīng)的參照碼。在伸臂71上沉積一層感應(yīng)膜120，把它通過應(yīng)變應(yīng)力轉(zhuǎn)換器121，如前所述，連在指定力指示器122上，它的輸出直接通過信號(hào)處理器(放大器)123到達(dá)驅(qū)動(dòng)膜(SMA膜78)。雖沒畫出，下面的伸臂72也有相同的設(shè)置。
可以修改圖7的實(shí)施例以提供一種液壓/輸液系統(tǒng)，如圖13所示。這里微驅(qū)動(dòng)器70′的伸臂125和126各裝有SMA薄膜127和128。伸臂125和126被一個(gè)有開口的斷面連在一起(未畫出)。微囊BO置于伸臂125和126端頭131和132之間，另一端133和134設(shè)有爪頭或頜135和136。驅(qū)動(dòng)時(shí)，如箭頭所示，伸臂的端131/132向內(nèi)移動(dòng)，端133和134向外移動(dòng)，微囊130中的液體受到壓迫，如箭頭137所示，于是輸送出液體137到使用地點(diǎn)。
可見本發(fā)明提供了一個(gè)機(jī)電微機(jī)械系統(tǒng)(無論是硅基底集成電路還是精細(xì)微機(jī)械的)，它會(huì)，舉例來講，擴(kuò)展和改進(jìn)基于導(dǎo)管的插入修整腦中動(dòng)脈動(dòng)脈瘤療法的應(yīng)用或其它臨床插入療法的應(yīng)用。本發(fā)明的微抓爪，除醫(yī)用外，還有非醫(yī)學(xué)用途，如微裝配，遠(yuǎn)程地精細(xì)操縱小物件，它具有在250μm直徑小區(qū)域內(nèi)操作的能力，如在小血管中。
在前面?zhèn)€別的實(shí)施例，材料，參數(shù)等被定下來以說明本發(fā)明，這不意味著限制。在內(nèi)行眼里修改是自然的，本發(fā)明只限于所附權(quán)利要求書所要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械系統(tǒng)，它包括一個(gè)導(dǎo)管，它有插入身體并在其中操作的遠(yuǎn)端和一個(gè)為使用者提供在所述身體中控制所述遠(yuǎn)端的所述操作的近端；一條裝在導(dǎo)管內(nèi)的光纖纜，它有一個(gè)靠近導(dǎo)管所述遠(yuǎn)端的遠(yuǎn)端和一個(gè)從外部耦合激光能量的近端；一個(gè)連在導(dǎo)管上所述遠(yuǎn)端的微抓爪，用來在所述身體內(nèi)抓放物件；一個(gè)激光機(jī)械能轉(zhuǎn)換器，它被連接以便從光纖纜所述遠(yuǎn)端接收激光，并被連接以便機(jī)械驅(qū)動(dòng)所述微抓爪。
2.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械系統(tǒng)，其特征在于它還包括一個(gè)電子傳感器，它被連接以便從光纖的所述遠(yuǎn)端接收電能并被連接以便提供微抓爪所處具體物理環(huán)境的信號(hào)信息，通過光纖纜與外部使用者交流。
3.如權(quán)利要求2所述的微機(jī)械系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器至少探測下述各項(xiàng)中的一項(xiàng)縫隙距離、pH、化學(xué)、位置、加速度、壓力、溫度、周圍的光、周圍的聲和錄像畫面。
4.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械系統(tǒng)，其特征在于它還包括一個(gè)接在光纖纜所述遠(yuǎn)端的機(jī)械傳感器，接通用來提供微抓爪所處具體物理環(huán)境的光信號(hào)信息，通過光纖纜與外部使用者交流。
5.如權(quán)利要求4所述的微機(jī)械系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器至少探測下述各項(xiàng)中的一項(xiàng)縫隙距離、pH、化學(xué)、位置、加速度、壓力、溫度、周圍的光、周圍的聲和錄像畫面。
6.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械系統(tǒng)，其特征在于所述激光機(jī)械能轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)光電池，它響應(yīng)光纖纜接到的激光產(chǎn)生電能，它還包括一個(gè)電機(jī)械馬達(dá)，機(jī)械地相連以驅(qū)動(dòng)微抓爪。
7.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械系統(tǒng)，其特征在于所述激光機(jī)械能轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)機(jī)械相連的熱敏光熱材料，它被機(jī)械連接以便響應(yīng)光纖纜在所述近端接收并傳到所述遠(yuǎn)端的激光來驅(qū)動(dòng)微抓爪。
8.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械系統(tǒng)，其特征在于所述激光機(jī)械能轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)電容器，它被電連接以便響應(yīng)光纖纜在所述近端接收并傳到所述遠(yuǎn)端的激光向電機(jī)械馬達(dá)放電，電機(jī)械馬達(dá)機(jī)械相連以驅(qū)動(dòng)微抓爪。
全文摘要
一個(gè)用于醫(yī)療過程的微機(jī)械系統(tǒng)以導(dǎo)管(103)基本形式建立起來,導(dǎo)管有個(gè)插入體內(nèi)并在其中操作的遠(yuǎn)端和一個(gè)為使用者控制體內(nèi)遠(yuǎn)端操作而設(shè)的近端。一束光纖置于導(dǎo)管中,它有一個(gè)靠近導(dǎo)管遠(yuǎn)端的遠(yuǎn)端和一個(gè)為耦合外部激光能量而設(shè)的近端。連接一個(gè)微型抓爪(70)連在導(dǎo)管的遠(yuǎn)端上用來抓放體內(nèi)的物件。一個(gè)激光機(jī)械能轉(zhuǎn)化器以便接收光纖纜遠(yuǎn)端的激光和機(jī)械地驅(qū)動(dòng)微抓爪。
文檔編號(hào)B81B3/00GK1248897SQ98802838
公開日2000年3月29日 申請日期1998年3月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月6日
發(fā)明者約瑟夫·P·菲奇, 卡爾拉·哈根斯, 羅伯特·E·克拉夫, 丹尼斯·L·馬修斯, 亞伯拉罕·P·李, 彼得·A·克魯列維奇, 威廉·J·貝尼特, 路易斯·B·達(dá)席爾瓦, 彼得·M·塞利爾斯 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)