基于毛细力的微操作方法研究

发布时间：2020-07-22 23:58

【摘要】：随着电子产品的日益微型化,由于尺寸效应,重力将不再起主导作用,在微尺度下存在微对象释放难的问题。因此,很有必要研究一种可以实现微对象的无损拾取、转移与可靠释放的微操作方法。本文提出了一种基于毛细力的微操作方法,主要通过高精密注射泵注射微量液滴,使操作工具与微对象之间形成液桥,从而产生液桥力实现微对象的无损拾取,通过双液桥的方法实现微对象的可靠释放。首先,研究了毛细力的机理,提出了一种用于实现微对象拾取、转移与释放的毛细力微操作方法,主要进行了微量液滴获取方式的选择及微对象释放方法的研究,并对微操作过程进行详细划分;介绍了一种双迭代算法,建立了液桥形态的简化模型,对微操作过程中液桥的弯月面形态进行了分析;根据物理方法对微对象进行受力分析,推导出了液桥力的计算公式,并研究了液桥力随着接触角与液桥高度的变化情况;分析了微操作的拾取过程与释放过程的原理,即研究毛细力微操作过程中所需要满足的力学条件。其次,搭建了基于毛细力的微操作系统,设计微操作系统整体方案,并完成微操作系统三维模型的建立,其中主要包括液滴注射模块、位移平台模块及视觉模块等三大模块的建立。此外,为了提高微操作过程的效率及定位精度,避免因操作不熟练而导致的实验失败或者操作精度降低,在Automation Base控制软件中利用lua语言编写微对象拾取、转移与释放的快速定位控制程序。最后,基于已搭建好的毛细力微操作系统实验台进行了相关实验,首先,调节并优化激光打标机的参数,完成了基底与微对象的制备,并利用MAT LAB的交互式命令进行液滴体积量与固体表面液滴接触角的计算,研究了不同的基底材料对液滴量的影响,分别完成了500μm?500μm与700μm?700μm微芯片的拾取、转移与释放操作,通过多次实验计算微操作的成功率,同时,通过理论计算验证了该微操作方法的可行性。此外,也进行了多种形状(三角形、五边形、六边形)微对象的拾取、转移与释放操作,进一步验证了该微操作方法可实现柔性拾取,并且适用于多种形状微对象的操作。
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG95;O363.2
【图文】：

微操作,表面冷凝,探针,方法

基于毛细力的微操作方法研究操作过程的可控性尤为重要，这也是目前国内外广大研究学者所热衷的一个研究方向2016 年，哈尔滨工业大学范增华等人[31]研究了一种在疏水探针的表面通过制冷凝获取微量液滴的毛细力微操作液滴分配方法，如图 1-1 所示。在探针的端面将空气气体冷凝，产生单个液滴，实验过程中对微操作探针进行疏水处理与氟化处理，便探针端面形成稳定的微量液滴，该液滴在微操作过程中与操作对象接触时将形成液桥用产生的毛细力对微对象进行稳定拾取，并且通过实验验证了该方法可拾取 500μm球。该方法操作简便，但不易于控制单个液滴的体积量。

微球体,压电陶瓷

如图1-2 所示。该方案主要是通过压电陶瓷来挤压中央毛细管实现微对象的拾取与释放，其中在压电陶瓷上施加电压使压电陶瓷产生切向变形，内部液体被挤压而在压电陶瓷端面形成微量液滴，操作过程中微量液滴与微对象接触形成液桥，实现了微对象的拾取，反之，当减小电压使压电陶瓷逐渐恢复变形的过程中，液桥体积将逐渐减小，与此同时，施加向上的拉力，毛细力将随之减小，实现了微对象的释放。图 1-2 压电陶瓷控制的微球体的拾取与释放[16]Fig.1-2 Picking and Releasing of Microspheres Controlled by Piezoelectric Ceramics[16]2013 年 Fuchiwaki 等人[32]研究了一种用于复杂结构微组件的湿镊，如图 1-3 所示为

分配过程,液滴

陕西科技大学硕士学位论文程。该工具可对形状复杂的微对象进行操作，同时为了防止对象姿态难以控制的问题，采用双镊子同时进行可靠拾取，作棒穿过液体来实现微量液滴的获取。该方法操作简单，但能通过改变探针或操作棒的直径大小来间接控制单个液滴的的尺寸具有限制性。

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