基于毛细力的微操作方法研究

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。

目录

1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题主要研究内容

2 基于毛细力的微操作方案设计

2.1 引言

2.2 基于毛细力的微操作机理介绍

2.3 基于液滴辅助的微操作方法

2.4 基于毛细力的微操作过程划分

2.5 本章小结

3 液桥形态的建模及微对象受力分析

3.1 引言

3.2 双迭代法分析液桥形态

3.3 建立液桥的解析模型

3.4 液桥力的变化情况

3.5 毛细力微操作拾取与释放过程的原理分析

3.6 本章小结

4 基于毛细力的微操作系统搭建

4.1 引言

4.2 微操作系统总体方案设计

4.3 微操作系统的搭建

4.4 毛细力微操作系统的自动化控制

4.5 本章小结

5 基于毛细力的微操作实验研究

5.1 引言

5.2 实验准备

5.3 接触角对液滴量的影响实验

5.4 微对象拾取实验

5.5 微对象释放实验

5.6 多形状微对象操作实验

5.7 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读期间发表的学术论文

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