微装配和微机电系统(Micro-electro Mechanical Systems，MEMS)是两个明显不同但又密切相关的研究领域。微装配与微操作是指对微小器件(亚毫米或微米级)的装配和操作。通过微装配和微操作技术可以突破MEMS技术和工艺的一些限制，制造出由多种不同性能的材料组成的、结构更复杂的MEMS器件。微夹钳作为微装配与微操作系统中的末端执行器，在微装配和微操作过程中直接与被操作对象相接触，对微装配与微操作任务的完成起着决定性作用。随着微夹钳的不断微型化，微夹钳将成为不同领域的(包括微光学、微电子学、微机械、微流体和生命科学等领域)微器件装配与操作过程中不可缺少的工具。特别是需要多种材料、多种工艺制造的混合MEMS器件对微夹持工具不断提出新的要求和挑战。因此，研究开发具有较大输出位移、较大输出力、且易于加工制作的微夹钳具有重要的意义。　　 本文开发了一种夹爪平行移动的、集成了力和位移传感器的压电致动微夹钳，并分别用伪刚体模型法和有限元法对微夹钳的柔顺机构进行了分析模拟。建立了实验平台并对微夹钳的位移和力特性进行了测试。测试结果表明，该微夹钳两夹爪为平行移动，单边夹爪的输出位移达150μm，且具有较大的输出力。通过集成应变式力和位移传感器实现了微夹钳夹持力和夹爪位移的测量。　　 本文的主要研究工作和成果包括：　　 1.在研究了微夹钳中的关键技术的基础上，设计了一种基于双边直圆柔性铰链和单边直圆柔性铰链的微夹钳的单片柔顺位移放大机构，利用平行四边形机构实现夹爪的平行移动，解决了夹爪旋转运动的微夹钳在夹持物体时被夹持物容易脱落的问题。　　 2.基于伪刚体模型法，对单片柔顺机构进行了运动学和静力学分析，建立了微夹钳的运动学模型和输入力、输出力、输入位移、输出位移之间的关系模型，并在此基础上应用拉格朗日动力学方程建立了柔顺机构的动力学模型。理论分析为夹爪平行移动的单片微夹钳柔顺机构的设计与控制提供了理论基础。　　 3.采用ANSYS软件对柔顺机构进行了有限元线性结构分析和模态分析，并对有限元模拟分析结果与理论分析结果进行了比较。研究结果表明理论模型的预测结果与有限元模拟结果一致，而且夹爪为平行移动；在材料屈服强度允许范围内，该结构单边输出位移可达到500μm；一阶模态固有频率为343.52Hz，固有频率远大于微夹钳的工作频率。　　 4.在理论分析和有限元分析的基础上，开发了一种基于压电致动的微夹钳的原型，并对微夹钳进行了特性测试。实验结果与有限元分析结果及理论计算结果进行了比较。实验结果表明理论分析和有限元分析能够较好的模拟柔顺机构微夹钳的性能。微夹钳的输出位移与输入位移呈线性关系，单边夹爪位移放大倍数为16.7，单边夹爪的最大输出位移可达150μm。　　 5.在微夹钳中集成了应变式力和位置传感器，通过在微夹钳不同位置粘贴半导体应变片分别实现夹持力和夹爪位移的测量，使得夹持力的测量不受压电叠堆执行器驱动力的影响，从而避免了复杂的信号处理。在经过合适的标定后，实现了微夹钳夹持力和夹爪位移的测量。　　 6.应用悬臂梁的弯曲变形理论，提出了一种利用非接触式位移传感器测量标准悬臂梁的弯曲变形来标定应变式力传感器的方法。建立了实验装置并对半导体应变式力/位置传感器进行了标定，实验结果表明，该方法可以在没有高分辨率的标准力传感器的条件下实现对微夹钳应变式力传感器的标定。