液滴操控型微对象转移工具设计与实验研究

摘要

微对象转移操作是微器件装配、微对象测试的关键环节之一。在微对象转移操作中，由于操作对象尺寸微小且结构脆弱，当采用常规微夹持工具进行拾取时容易受到夹持工具的损坏。进行微对象释放时，在起主导作用的粘着力影响下，难以依靠重力实现可靠释放。因此研究具有无损拾取、可靠释放特性的微对象转移工具具有重要意义。
　　本文设计了一种液滴操控型微对象转移工具，利用液体弯月面与微对象接触后形成的液桥来拾取微对象，通过精确控制单个微液滴的形成来释放微对象。由于液体介质的柔顺变形，微对象拾取过程中不会产生应力集中现象，从而实现无损拾取；通过对单液滴进行有效控制，实现微对象可靠释放。
　　首先，建立毛细管末端弯月面和液桥的简化模型，求解弯月面和液桥的轮廓以及微对象所受到的毛细力，分析弯月面内外的压强差对弯月面高度、液桥高度以及毛细力的影响。根据微对象拾取要求，确定适用于拾取微对象的最佳压强差，并分析接触角对最佳压强差的影响。在此基础上，确定弯月面调控以及液滴形成的方案，完成微对象转移工具的结构设计。
　　其次，依据所设计的微对象转移工具结构，在COMSOL软件中建立弯月面调控仿真模型和液滴形成仿真模型，分析压强差及其加载速度对弯月面的影响，得到弯月面体积随压强的变化曲线以及形成稳定弯月面的临界压强差。分析脉冲电压波形对液滴形成的影响，得到形成单个液滴所需的脉冲电压波形。
　　最后，建立液滴操控型微对象转移工具的实验系统。通过调节储液瓶与喷嘴的液面高度差，研究弯月面体积与液面高度差的关系。在不同的脉冲电压波形和液面高度差参数下，进行液滴形成实验研究，得到相关参数对液滴体积的影响。进行直径300μm锡球的转移实验，分析脉冲电压波形参数、液面高度差以及释放高度对锡球释放可靠性和精确度的影响，从而确定锡球转移的最佳控制条件。进行直径为200μm的锡球和聚苯乙烯微球的转移实验，结果表明该转移工具具有一定的通用性。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状与分析

1.3 课题来源

1.4 主要研究内容

第2章 液滴操控型微对象转移工具的建模及方案设计

2.1 引言

2.2 毛细管末端弯月面及液桥形态的建模

2.3 微对象的典型受力分析

2.4针对不同微对象的压强差影响分析

2.5拾取微对象的最佳压强差的确定及接触角的影响分析

2.6 微对象转移的方案设计

2.7 液滴操控型微对象转移工具的方案设计

2.8 本章小结

第3章 液滴操控型微对象转移工具的仿真研究

3.1 引言

3.2 仿真中的控制方程

3.3 仿真模型的建立

3.4 基于压强差的弯月面调控仿真结果及分析

3.5 基于压电驱动的液滴形成仿真结果及分析

3.6 本章小结

第4章 液滴操控型微对象转移工具的实验研究

4.1 引言

4.2 基于液滴操控的微对象转移的实验系统

4.3 弯月面调控实验

4.4 单个液滴的形成实验及影响因素分析

4.5 微对象转移实验研究

4.6 影响微对象释放的相关因素分析

4.7 不同微对象的转移实验

4.8 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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