I nte rna t io na l J o urna l o f   Ro bo t ics a nd   Aut o m a t io n   ( I J RA )   Vo l.   5 ,   No .   2 J u n e   201 6 ,   p p .   6 7 ~ 7 1   I SS N:  2089 - 4856           67       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J RA   Desig n Analy sis  o a  F ish - Sha ped  P VDF  Co m plia nce   M icro g ripper       Nee t a   Sa ha y * S a njo y   Da s **   D e p a rt m e n o f   A p p li e d   El e c tro n ic &   In str u m e n tatio n   E n g in e e rin g ,   A c a d e m y   o f   T e c h n o lo g y ,   W e st   Be n g a l,   In d ia   * *   De p a rt m e n o f   En g in e e rin g   &   T e c h n o lo g ica S tu d ies ,   Un iv e rsity   o f   Ka l y a n i,   W e st Ben g a l,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   10 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   A p r   28 ,   2 0 1 6   A cc ep ted   Ma y   15 ,   2 0 1 6       In   t h is  stu d y   th e   d e sig n   a n d   a n a ly sis  o f   c o m p li a n c e   m icro g rip p e m a d e   o p iez o e lec tri c   P V DF  ( P o ly   V in y li d e n e   F l u o ri d e m a teria is  p re s e n ted .   T h e   in v e rse   p iez o e lec tri c   e ff e c h a s   b e e n   u se d   in   w h ich   th e   re q u ired   a m o u n o f   v o lt a g e   h a b e e n   a p p li e d   a t   sp e c if i c   p o in ts  a th e   b a se   o f   th e   s tru c tu re   t o   p ro d u c e   th e   f o rc e   a th e   ti p   a n d   th e re b y   th e   n e c e ss a r y   d e f le c ti o n   f o g rip p in g .   T h e   si m u late d   re su lt o f   f re q u e n c y   re sp o n se ,   f o rc e - v o lt a g e   re lati o n sh i p   a n d   d isp lac e m e n a n a l y sis a re   p re se n t e d .   K ey w o r d :   C o m p lia n S tr u ctu r e   Mic r o g r ip p er     P iezo elec tr icity   P VDF     Co p y rig h ©   201 6   In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Nee ta  Sah a y   Dep ar te m en t o f   A p p lied   E lectr o n ic  &   I n s tr u m e n tatio n   E n g i n ee r in g ,   A ca d e m y   o f   T ec h n o lo g y ,   A d is ap ta g r a m ,   W est B en g al,   I n d ia .   E m ail:  n ee tas h y 8 2 @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   P iezo elec tr icity   is   l in ea r   c o u p lin g   b et w ee n   elec tr ical  a n d   m ec h a n ical   p r o ce s s es I n   th e   d ir ec p iezo elec tr ic  ef f ec t,  w h e n   p iezo elec ctr ic   m ater ial  is   co m p r ess ed ,   an   elec tr ic  p o lar izatio n   is   f o r m ed   ac r o s s   th m ater ial.   P o l y   v in y lid e n e - f lu o r id ( P VDF)   i s   p iezo e lectr ic  p o l y m er ,   w h ich   f o r   ac tu ato r   ap p licatio n s   o f ten   co m in   t h f o r m   o f   th i n   s h ee t ( 3 0   m icr o n s   t h ick ) .   P VDF  is   t y p icall y   s e m i - cr y s tal lin p o l y m er   t h at  is   ap p r o x i m atel y   5 0 a m o r p h o u s .   I is   m o s t   co m m o n l y   s y n th e s ized   t h r o u g h   t h f r ee   r ad ical  p o l y m er i za tio n   o f   1 , 1 - d if l u o r o eth y le n e.   T h m ed iu m   f o r   s y n t h esi s   is   u s u all y   w a ter   w it h   p er o x y   co m p o u n d s   ac ti n g   a s   th p o l y m er izatio n   ca tal y s t s .   T h s tr u ctu r o f   t h m o n o m er   is   C H2 C F2 ,   an d   th c h ai n s   o cc u r   m o s tl y   i n   h ea d   to   tail  co n f i g u r atio n .   T h m o lecu lar   w ei g h t   o f   P VDF  r e m ai n s   t y p ica ll y   b et w ee n   6 0   an d   7 0   k g / m o l   [ 2 ] .   Mic r o g r ip p er s   ar m icr o - d ev ice s   u s ed   f o r   m an ip u latio n   o f   m icr o - o b j ec ts   i n   m icr o ass e m b l y   an d   m icr o s u r g er y .   I n   m icr o m a n ip u latio n   a n d   m icr o as s e m b l y   s y s te m s ,   m icr o - g r ip p er s   ac as  e n d - e f f ec to r s   w h ic h   co m e   i n   co n tact  w i th   th e   m an i p u lated   o b j ec ts   d ir ec tl y .   Gr as p in g   an d   m a n ip u la tin g   s m all   o r   m icr o - o b j ec ts   ar e   r eq u ir ed   f o r   w id r an g o f   ap p licatio n s ,   s u c h   as  t h a s s e m b l y   o f   s m a ll  p ar ts   to   o b tain   m icr o   o r   m i n iat u r e   s y s te m s ,   s u r g er y   an d   r e s ea r ch   in   b io lo g y   a n d   b io tech n o lo g y [ 6 ] .   C o m p lian ce   d esi g n   p r o v i d es  s i m p le,   s in g le - s tr u ct u r ed   ele m e n t a n d   ad d s   le s s   co m p le x it y   in   m a n u f ac t u r in g   an d   o p er atio n   o f   th m icr o   g r ip p er s .         2.   RE SPO NS E   OF   P VDF   M I C RO G RIPP E R   2 . 1 .         P VDF   m a t er ia l st ruct u re   A   k e y   c h ar ac ter is tic  o f   t h ese   m ater ial s   is   th e   u ti lizatio n   o f   th e   co n v er s p iezo elec tr ic   ef f ec to   ac tu ate  t h s tr u ct u r e   in   ad d itio n   to   th d ir ec t e f f ec t to   s e n s s tr u ctu r al  d e f o r m atio n   [ 3 ] .   P V DF h a s   s h o w n   to   b e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.   5 ,   No .   2 J u n e   201 6 :   6 7     7 1   68   v er y   u s e f u as  d ielec tr ic b ec au s o f   its   h i g h   p er m itti v it y   an d   d ielec tr ic  s tr en g t h   an d   lo w   d is s ip atio n   f ac to r .   C o m p ar ed   to   o th er   p o l y m er s   an d   o th er   p iezo elec tr ic  m ater i als i n   g en er al ,   P VD F’s  α - p h a s o cc u r s   i n   tr a n s - g au c h e - tr an s - g a u ch ( T GT G)   f o r m atio n   [ 2 ] .   T h is   f o r m at io n ,   as  s ee n   i n   Fig . 1 ,   is   n o h elica o r   p lan ar   zig za g   b u co m b i n atio n   o f   t h t w o .   E it h er   s er ies  o f   o r   T w o u ld   r ep r esen p u r el y   h elica s tr u ct u r e.   T h G’ s   r ep r esen th b o n d s   t h at  s k e w   t h ca r b o n   b ac k b o n e   f r o m   t h p lan e.   E ac h   o r   G   b o n d   r ep r esen ts   6 0 °  o r   6 0 °  an g le   r e s p ec tiv el y   f r o m   th e   p lan o f   t h last   b o n d .   T h β - cr y s tal   p h a s o f   P VDF  f o r m s   p la n ar   zig za g   o r   T T ,   w h er T   r ep r esen ts   tr an s - b o n d   th a r e m a in s   i n   t h s a m e   p lan a s   t h e   ca r b o n   b ac k b o n e.   T h e   all - tr a n s - s tr u ct u r o f   β - p h a s e   P VDF  f o r ce s   t h f l u o r in at o m s   alo n g   t h ca r b o n   b ac k b o n to   co m e   clo s e r   to g eth er   an d   o v er lap   th eir   v a n   d er   W aa ls   r ad ii.   B ec au s o f   th v a n   d er   W aa ls   f o r ce s   ac tin g   b et w ee n   th ato m s   alo n g   t h ca r b o n   b ac k b o n e   an d   b et w ee n   t h m o lec u les  o f   th p o l y m er ,   th β - p h ase   h as  ac t u all y   m o r e   in ter m o lec u lar   s tab ili t y ,   w h ile  th α - p h a s is   f av o u r ed   o n   an   in tr a m o lec u lar   b asis .           Fig u r 1 .   Stru ct u r o f   α - P VDF   ( lef t)   an d   β - P VDF  ( r ig h t)       2 . 2 .         P VDF   M ic ro g ripper   D esig n   T h d esig n   f o r   th p r o p o s ed   m icr o g r ip p er   u s in g   P r o   R elea s 5 . 0   s o f t w ar h a s   b ee n   g iv e n   i n   Fig u r 2           Fig u r 2a Desig n   o f   m icr o g r i p p er   ( A ll th d i m e n s io n s   ar in   m m   ( T o p   v ie w )   Fig u r 2b Desig n   o f   o f   m icr o g r ip p er   ( 3 v ie w )         2 . 3 .         F re qu ency   Respo ns e     T h v o ltag o u tp u V ( s )   o f   P VDF  s en s o r   d u to   an   ap p lied   f o r ce   F ( s )   in   lap lace   d o m ain   ca n   b e   w r itte n   as [ 4 ] [ 5 ] ,     s s h A d s F s V T 1 / ) ( ) ( 33 33                                  ( 1 )     Or ,    s s k s F s V 1 ) ( ) ( ,   in   w h ic h   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       Desig n   A n a lysi s   o f a   F is h - S h a p ed   P V DF   C o mp lia n ce   Micr o g r ip p er   ( N ee ta   S a h a y)   69         K      :   co n s tan t g ai n   o f   t h s y s t e m     h A d T / 33 33       A      :   A r ea   o f   th cr y s tal  p late  ( m 2 ) ,   [ h er ein ,   t h ef f ec ti v ar ea   o f   th f is h   s h ap ed   g r ip p er ]       T      :   T h ick n es s   o f   t h p late  ( m )       T 33 :   Me ch an ical  s tr ai n   in   3 - d ir ec tio n   d u to   ten s ile  s tr es s   ( T )   in   th 3 - d ir ec tio n   ( w h ic h     r ep r esen ts                               th th ick n e s s   d ir ec tio n )   ( F m - 1 )   ( P VDF  n o r m al  d ielec tr ic  co n s ta n t)       τ       :   T im co n s tan t o f   P VDF  s en s o r   an d                  = p p p C R A C h ; I n   w h ic h , A h R p r ep r esen ts   th e   r esi s tan ce   o f   P VDF  s en s o r ,   an d   p C   ar th e           r esis ti v it y   an d   c ap ac itan ce   o f   P VDF   m ater ial  m ea s u r ed   in   m   an d   F .         d 33    :   P VDF  n o r m al  p iezo elec tr ic  co n s ta n t ( C N - 1 )         h       :   d is tan ce   th r o u g h   w h ic h   t h f o r ce   to   b tr an s m itted   ( m )     T h p o ly m er   co n s id er ed   f o r   th is   s t u d y   is   P VDF - 1 0 0 0   w it h   a   th ic k n e s s   1m m .   He n ce ,   f o r   th i s   s t u d y ,   33 d   =   33 p C /N  33 x   1 0 - 12   C /N     h     =   4 . 8 3 m m   4 . 8 3 x 1 0 - 6 m     T 33   7 . 4   F/m   A   0 . 5 1 3 m m 2   [ C o m p u ted   ac co r d in g   to   d esi g n ]   ρ     ×   10 14   Ω - cm   =2   ×  10 12   Ω - m   k        42  x   1 0 - 9   V/N     A C h p ρ  ε ,       [ as  h A C p ]   =   1 4 . 8   x   1 0 12   s ec     Fro m   eq - ( 1 )   ca n   b w r itte n   as     s k s s V s F 1 ) ( ) (                            ( 2 )     Fre q u en c y   r an g e:  1 0 - 13   to   1 0 - 10   r ad /s ec   Fro m   f r eq u e n c y   r esp o n s a n a l y s i s   as  s h o w n   in   Fig . 3 ,   it  is   ev id en t h at  t h g a in   a n d   p h a s an g le  is   al m o s t   co n s ta n t o v er   th f r eq u e n c y   r a n g o f   ω   1 0 - 1 1   r ad /s ec .           Fig u r 3.   Fre q u en c y   r e s p o n s o f   P VDF  m icr o g r ip p er       2 . 4 .         T i m e   Respo n s e     T im r esp o n s ca n   b o b tain ed   b y   tak i n g   i n v er s lap lace   tr an s f o r m   o f   E q u atio n   ( 2 ) ,   a n d   ca n   b w r itte n   a s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.   5 ,   No .   2 J u n e   201 6 :   6 7     7 1   70   ] 10 6 . 1 10 8 . 23 [ ) ( 6 6 t V t f                               ( 3 )     W h er e ,   V   is   th a m p lit u d o f   th s tep   v o ltag in   Vo lt s .   T h is   g i v es  s tr aig h li n p ar allel  t o   ti m e - ax i s   f o r   th e   ti m s ca le   up   to   1 0 6   s ec .       3.   VO L T A G E - F O RCE   R E L A T I O NS   As  it  i s   s ee n   f r o m   E q u atio n   ( 3 )   th at  t h v ar iat io n   o f   f o r ce   w it h   r e s p ec to   ti m is   v er y   s lo w   f o r   a   co n s ta n t   f o r ce ,   t i m s ca le  o f   in ter est  i s   ch o s en   as   0   to   1 0 s ec ,   f o r   w h ic h   it  i s   clea r   f r o m   eq . ( 3 )   th at  t h e   g en er ated   f o r ce ) ( t f m ai n tain s   li n ea r   r elatio n s h ip   w it h   V ( t )   as  wr itten   b elo w :     ) ( 8 . 23 ) ( t V t f   N                                ( 4 )     Var y in g   t h v o lta g f r o m   0 µ to   5 µV   in   0. 1 µV   s tep ,   th v o ltag e - f o r ce   d iag r a m   ca n   t h u s   b o b tain ed   as  s h o w n   in   F ig u r 4 .         Fig u r 4.   Fo r ce   Vo ltag e   re latio n   o f   P VDF  m icr o g r ip p er       3 . 1 .     S t re s s   a nd   Dis pla ce m en t   a na ly s is   T h ab o v d esig n   h a s   b ee n   an al y ze d   w ith   C r eo   E le m e n t/ P r o   R elea s 5 . 0   s o f t w ar e.   T h g r ip p er   h as  b ee n   s u b j ec ted   to   th f o r ce   o f   2 0 in   th ( v e)   z - d ir ec tio n   at   th b ase.   T h co r r esp o n d in g   an al y s i s   o f   s tr es s   r esu lt a n d   d is p lace m e n t a r co m p u ted   an d   p r esen ted   in   Fi g . 5   an d   Fig . 6   r esp ec tiv el y .           Fig u r 5.   Stre s s   d is tr ib u tio n   i n   MP a.   Ma x i m u m   s tr ess   h as b ee n   e v al u ated   as 3 . 5 9 ×1 0 2   M P a     Fig u r 6.   Dis p lace m e n t a n a l y s is   in   m m .   Ma x i m u m   d is p lace m e n t h a s   b ee n   ev al u ated   b y   0 . 2 8 7   mm       4.   CO NCLU SI O N   Fro m   t h ab o v e x p lan a tio n s ,   it  ca n   b s ee n   t h at  f o r ce - v o lt ag e   r elatio n s h ip   is   li n ea r   in   t h r an g e   o f   in ter est.  So   i f   th r eq u ir ed   v al u o f   v o lta g w ill  b ap p lied   at  th b ase  o f   th m icr o   g r ip p er ,   th v o ltag w il l   b tr an s m itted   o v er   t h b o d y   a n d   w ill  ca u s e   th e   g e n er atio n   o f   f o r ce   at  th e   tip   o f   th g r ip p er   r esu lt in g   o p en i n g   an d   clo s in g   o f   t h m icr o   g r ip p er .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       Desig n   A n a lysi s   o f a   F is h - S h a p ed   P V DF   C o mp lia n ce   Micr o g r ip p er   ( N ee ta   S a h a y)   71   RE F E R E NC E S   [ 1 ]   L a u ra   M a rie L e d iae v . M o d e li n g   Pi e zo e lec tric P v d S h e e ts  W it h   C o n d u c ti v e   Po lym e r E lec tro d e s” ,   A p ril   2 0 0 6 .   [ 2 ]   Da n iel  M .   Esterly .,   M a n u f a c tu rin g   o Po ly   ( v in y li d e n e   fl u o ri d e a n d   Eva l u a ti o n   o it M e c h a n i c a Pro p e rties ,   A u g u st 9 ,   2 0 0 2 .   [ 3 ]   W e n ji   A ia.,   Qin g so n g   X u . ,   Ov e rv ie w   o f   f lex u re - b a se d   c o m p li a n m icro g rip p e rs ”,   Ad v a n c e in   Ro b o ti c Res e a rc h Vo l.   1 ,   N o .   1   ( 2 0 1 4 0 0 1 - 0 1 9 .   [ 4 ]   Ja y a n S iro h i . ,   In d e rji Ch o p ra . , Fu n d a me n ta Un d e rs ta n d in g   o Pi e zo e lec tric  S tra i n   S e n s o rs ,   Un iv e rsity   o f   M a ry l a n d ,   Co ll e g e   P a rk ,   A p ril   2 0 0 0 .   [ 5 ]   Ca r m e n   K.  M .   F u n g . I m a d   El h a j   , W e n   J.   L il . ,   Nin g   X i. ,     2 -   PV DF  Fo rc e   ma n ip u l a ti o n   S e n sin g   S y ste fo r   M icr o   a n d   M icr o - a ss e mb ly” ,   P ro c e e d in g o f   th e   2 0 0 2   I EE E .   [ 6 ]   P h il i p p e   Be n e c h . ,   Eri c   Ch a m b e ro d . ,   Ch risti a n   M o n ll o r. , A c c e lera ti o n   M e a su re m e n Us in g   P V DF” ,   IEE E   T ra n sa c ti o n s O n   Ultr a so n ics ,   Fer ro e lec trics ,   An d   Fre q u e n c y   Co n tr o l,   V o l.   4 3 ,   No .   5 ,   S e p tem b e r 1 9 9 6 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.