基于单探针和液滴辅助的微构件转移方法和实验研究

摘要

随着微机电系统构件的进一步微型化、结构的日益复杂化和精密化，利用机械夹持、真空吸附等方式转移微构件时，由于局部应力集中，容易使微构件表面变形，甚至产生严重的划伤。因此，探索新型的微构件转移方法具有重要意义。为实现100μm尺度下微构件的转移操作，本文提出基于微力传感单探针和液滴辅助的微构件转移方法。分析基于毛细作用的微构件转移方法的可行性，动静态仿真验证微构件转移方法的可行性，并通过实验实现微构件的精确可靠转移。
　　本研究首先出基于微力传感单探针和液滴辅助的微构件转移方法。从毛细作用机理入手，阐释润湿特性与接触角之间的关系，分析基于毛细作用的微构件转移方法的可行性，剖析液桥自校准原理，并估算自校准过程中恢复力大小。在此基础上，确定基于微力传感单探针和液滴辅助的微操作方法，通过液滴蘸取方案，实现单探针末端微量液体的获取；通过探针-微构件之间的液桥作用力，实现微构件可靠拾取和转移；通过微构件上端和下端双液桥的竞争作用，实现其柔顺释放。并进一步划分微构件转移过程，确定各子过程中的基本操作策略。其次，基于液桥轮廓的精确计算方法，建立微构件转移的液桥静态无量纲模型。通过幂律曲面-平面液桥静态模型，分析微量液体获取率的影响因素；通过幂律曲面-球液桥静态模型和JKR球-平面粘着接触静态模型，分析液桥体积等参数对毛细力的影响，验证单探针式微构件拾取的可行性；通过幂律曲面-微球体和微球体-平面的双液桥静态模型，分析接触角对辅助液桥毛细力的影响，验证液滴辅助式微构件释放的可行性。基于多相流VOF（Volume of Fluid）模型，建立微构件转移的动态模型。通过微量液体动态获取仿真计算，获得初始液体体积、分离速度、液桥接触角等参数对获取的微量液体体积、液桥断裂距离的影响规律。微构件动态释放仿真表明，通过合理设置微构件上下端液桥体积、接触角等参数，可以实现微构件的释放操作。最后，建立基于微力传感单探针和液滴辅助的微构件转移实验系统。微量液体的获取实验表明，通过合理控制探针的提升速度、基底材料等参数，可以调节微量液体的获取能力；微构件拾取实验表明，根据微构件特征尺寸和基底材料润湿特性合理控制微量液体的体积，可以实现微构件的拾取操作；微构件释放实验表明，针对微构件特征尺寸，合理减小辅助液体的体积，可以提高微构件的释放精度。通过直径为20μm、40μm和75μm的微球转移实验，验证了基于单探针和液滴辅助的微构件转移方法的可行性及有效性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源

1.4 主要研究内容

第2章 基于单探针和液滴辅助的微构件转移方法

2.1 引言

2.2 基于毛细作用的微构件转移原理

2.3 基于单探针和液滴辅助的微构件转移方法

2.4 基于单探针和液滴辅助的微构件转移过程

2.5 本章小结

第3章 基于单探针和液滴辅助的微构件转移仿真研究

3.1 引言

3.2 面向微构件转移的探针末端微量液体获取方法静态仿真

3.3 单探针式微构件柔顺拾取方法静态仿真

3.4 液滴辅助式微构件柔顺释放方法静态仿真

3.5 面向微构件转移的探针末端微量液体获取过程动态仿真

3.6 液滴辅助式微构件柔顺释放过程动态仿真

3.7 本章小结

第4章 基于单探针和液滴辅助的微构件转移实验研究

4.1 引言

4.2 基于单探针和液滴辅助式的微构件转移系统建立

4.3 实验参数确定方案

4.4 面向微构件转移的探针末端微量液体获取实验研究

4.5 单探针式微构件柔顺拾取实验研究

4.6 液滴辅助式微构件释放实验研究

4.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢