CN105858598A - 一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法 - Google Patents

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Abstract

一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法，先制作磁性微纳米颗粒的图形化模板，再将聚合物涂覆在非磁性衬底表面，将图形化模板表面的微纳米颗粒接触并嵌入聚合物，提拉图形化模板，使聚合物被拉伸为蘑菇状微纳米柱阵列，加热图形化模板使图形化的磁性微纳米颗粒脱离水溶胶粘附层，得到顶端带有磁性微纳米颗粒的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列，即柔性微驱动器，将需要被操纵微纳米粒子滴至柔性的蘑菇状微纳米柱阵列表面，调控非磁性衬底下面磁铁的位置与水平/竖直移动速率实现微纳米颗粒的平移、抓取、跳跃操纵，调控非磁性衬底上面的一对磁铁的位置以及旋转速率实现微纳米颗粒的旋转操纵，本发明柔性驱动器制作简单，可控性好。

Description

一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法。
背景技术
目前，对微纳米粒子的操纵方法主要有：基于声表面波的声操控法、基于原子力显微镜法、介电泳法、光摄法、压电换能器等。其中，基于声表面波声操控法主要是利用声场中的颗粒对声波产生反射、折射、吸收等效应，使声场携带的动量在声波与颗粒之间发生交换，进而颗粒受到力的作用使其运动被操纵。基于原子力显微镜法是借助于原子力显微镜的成像和探针的驱动实现对微纳米粒子的操纵。介电泳法是指微纳米粒子在非均匀电场中被介电极化而受力而产生的定向移动。光摄基本原理是使用一束强汇聚的激光作用在折射率大于介质的微粒上，由于经过微粒后光的传播方向发生了改变，从而使微粒在一瞬间获得动量产生运动。压电换能器是利用材料压电效应对微纳米级粒子进行操纵。
现阶段对微纳米粒子的操纵方法存在以下问题：基于声表面波声控法需要微纳米叉指电极的制备，工艺复杂，成本高；基于原子力显微镜法，由于在操作过程中扫描和成像不能同时进行，导致原子力显微镜操作效率不高，难以实现大规模批量化纳米操作；介电泳的缺点是其电极需要根据不同的操纵目的单独设计且金属物理电极制备工艺复杂，时间长，成本高；光镊技术能够操控纳米粒子，且操控精度高。但由于光波特性存在局限，使其不能操控非透明媒质内的物体，同时强光场带来的热效应易引起生物组织产生光损伤，且光学系统结构较复杂光路不易微型化和集成化；压电换能器需要压电材料，成本高，这些问题严重制约了操纵微纳米粒子所需器件的功能可靠性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法，可以快速、高精度操纵微纳米粒子，实现对微纳米粒子的抓取、传输、旋转以及跳跃等姿态控制，工艺简单、成本低。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法，包括以下步骤：
1)先在基底表面涂覆水溶胶粘附层，然后在水溶胶粘附层上通过光刻工艺获取微纳米图形化的光刻胶；再在光刻胶表面通过刮涂法得到粒径为D1的磁性微纳米颗粒图形化，然后去除光刻胶，得到磁性微纳米颗粒的图形化模板；
2)将聚合物涂覆在非磁性衬底表面，然后对非磁性衬底进行预加热，预加热参数：温度60-90℃、时间为2-10分钟，将图形化模板表面的微纳米颗粒接触并嵌入聚合物，嵌入深度为T，其中T＜D1；
3)提拉图形化模板，使聚合物被拉伸为蘑菇状微纳米柱阵列，蘑菇状微纳米柱阵列间距为S，提拉速率为10-1000μm/s，时间为1-10s，然后对非磁性衬底加热使蘑菇状微纳米柱阵列固化，加热温度100-180℃，时间为10-30分钟；
4)加热图形化模板，加热温度为100-200℃，时间为1-5分钟，使图形化的磁性微纳米颗粒脱离水溶胶粘附层，得到顶端带有磁性微纳米颗粒的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列，磁性微纳米颗粒和柔性的蘑菇状微纳米柱阵列构成柔性微驱动器。
5)将需要被操纵的粒径为D2微纳米粒子滴至柔性的蘑菇状微纳米柱阵列表面；
6)通过改变非磁性衬底与非磁性衬底下方的磁铁间距L1实现磁性微纳米颗粒所受磁场力大小的调控，完成柔性的蘑菇状微纳米柱阵列变形程度的调控，L1＝0-20mm；然后通过改变磁铁的平移速率V1，完成微纳米粒子的平移运动操纵，V1＝0.005-5mm/s；
通过改变非磁性衬底与非磁性衬底下方的磁铁间距L2，使得柔性的蘑菇状微纳米柱阵列间距S＞D2，L2＝0-50mm，将微纳米粒子嵌入柔性的蘑菇状微纳米柱阵列的间隙中；然后垂直方向移动磁铁位置至非磁性衬底与磁铁间距L3，L3＝1-100mm，使得柔性的蘑菇状微纳米柱阵列包裹微纳米粒子，完成微纳米粒子的抓取操纵；
通过改变非磁性衬底与非磁性衬底下方的磁铁间距L4使得微纳米粒子位于变形后的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列表面，L4＝2-25mm；然后垂直方向移动磁铁，移动速率为V2，V2＝5-20mm/s，使磁铁远离非磁性衬底至L5，L5＝30-60mm，实现快速降低磁场力，柔性的蘑菇状微纳米柱阵列回弹，进而完成微纳米粒子的跳跃运动方式操纵；
通过改变非磁性衬底上方的一对磁铁间距L6实现微纳米颗粒的操纵区域选择，L6＝3-20mm；然后改变该对磁铁与非磁性衬底之间的间距L7，L7＝0.5-10mm；旋转该对磁铁提供变化的磁场力，磁场力带动顶端带有磁性微纳米颗粒的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列旋转运动，进而通过柔性的蘑菇状微纳米柱阵列驱动微纳米粒子运动；通过调节该对磁铁的旋转速率n实现微纳米粒子的旋转操纵，n＝1-200转/秒。
所述的步骤1)磁性微纳米颗粒为粒径D1＝5-500μm的钴粉、铁粉或氧化铁粉。
所述的步骤2)聚合物为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、Polystyrene(聚苯乙烯)或Polyurethane(聚氨酯)。
所述的步骤5)微纳米粒子为粒径D2＝6-600μm的非磁性PS、SiO2、PMMA微纳米颗粒。
本发明的有益效果为：
顶端带有磁性颗粒的柔性蘑菇状微纳米阵列的微驱动器制造工艺简单，且可靠性高，避免了传统冗长的聚合物掺杂磁性粒子结合翻模工艺制备磁性微结构的不足；同时，微纳米磁性颗粒位于柔性蘑菇状微纳米柱顶端，更易于磁场驱动；通过调控位于非磁性衬底下面磁铁的位置与水平/竖直移动速率可以精准实现微纳米颗粒的平移、抓取、跳跃运动操纵；通过调控位于非磁性衬底上面的一对磁铁的位置以及其旋转速率实现微纳米颗粒的旋转操纵，本发明柔性驱动器制作简单，可控性好。
附图说明
图1是磁性微纳米颗粒的图形化模板与聚合物接触示意图。
图2是提拉图形化模板拉伸聚合物示意图。
图3是微纳米颗粒脱离粘附层示意图。
图4是微纳米粒子滴至柔性蘑菇状微纳米阵列表面示意图。
图5是柔性微驱动器对微纳米粒子的平移运动操纵示意图。
图6是柔性微驱动器对微纳米粒子的抓取示意图，其中图6(a)为微纳米粒子嵌入柔性蘑菇状微纳米阵列间隙的示意图，图6(b)为微纳米粒子被抓取示意图。
图7是柔性微驱动器对微纳米粒子的弹跳操纵示意图，其中图7(a)为柔性蘑菇状微纳米阵列弯曲示意图；其中图7(b)为微纳米粒子被柔性蘑菇状微纳米阵列弹起示意图。
图8是柔性微驱动器对微纳米粒子的旋转操纵示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法，包括以下步骤：
1)先在基底2表面涂覆水溶胶粘附层1，然后在水溶胶粘附层1上通过光刻工艺获取微纳米图形化的光刻胶；再在光刻胶表面通过刮涂法得到磁性微纳米颗粒3图形化，然后去除光刻胶，得到磁性微纳米颗粒3的图形化模板，磁性微纳米颗粒3为粒径D1＝5μm的钴粉；
2)参照图1，将聚合物4涂覆在非磁性衬底6表面，然后对非磁性衬底6进行预加热，预加热参数：温度60℃、时间为10分钟；再将图形化模板表面的磁性微纳米颗粒3接触并嵌入聚合物4，嵌入深度为T＝3μm，其中T＜D1，聚合物4为PDMS(聚二甲基硅氧烷)；
3)参照图2，提拉图形化模板，使聚合物4被拉伸为蘑菇状微纳米柱阵列5，蘑菇状微纳米柱阵列5间距为S＝5μm，提拉速率为10μm/s，时间为10s，然后对非磁性衬底6加热使蘑菇状微纳米柱阵列5固化，加热温度100℃，时间为30分钟；
4)参照图3，再加热图形化模板，加热温度为100℃，时间为5分钟，使图形化的磁性微纳米颗粒3脱离水溶胶粘附层1，得到顶端带有磁性微纳米颗粒3的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列5，磁性微纳米颗粒3和柔性的蘑菇状微纳米柱阵列5构成柔性微驱动器；
5)参照图4，将需要被操纵的粒径为D2＝6μm的PS的微纳米粒子7滴至柔性的蘑菇状微纳米柱阵列5表面；
6)参照图5，通过改变非磁性衬底6与非磁性衬底6底部下方的磁铁8间距L1实现磁性微纳米颗粒3所受磁场力大小的调控，完成柔性的蘑菇状微纳米柱阵列5变形程度的调控，L1＝0mm；然后通过改变磁铁8的平移速率V1，完成微纳米粒子7的平移运动操纵，V1＝0.005mm/s；
参照图6，通过改变非磁性衬底6与非磁性衬底6底部下方的磁铁8间距L2使得柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6间距S＝8μm，L2＝0mm，S＞D2，将微纳米粒子7嵌入柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6的间隙中，参照图6(a)；垂直方向移动磁铁位置至非磁性衬底与磁铁间距L3，L3＝1mm，使得柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6包裹微纳米粒子7，进而完成微纳米粒子7的抓取操纵，参照图6(b)；
参照图7，通过改变非磁性衬底6与非磁性衬底6底部下方的磁铁8间距L4使得微纳米粒子7位于变形后的柔性蘑菇状微纳米柱阵列6表面，L4＝2mm参照图7(a)；然后垂直方向移动磁铁8，移动速率V2＝5mm/s，使磁铁8远离非磁性衬底5至L5，L5＝30mm，实现快速降低磁场力，柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6回弹，进而完成微纳米粒子7的跳跃运动方式操纵，参照图7(b)；
参照图8，通过改变柔性微驱动器上方的一对磁铁9、10间距L6实现微纳米粒子7的操纵区域选择，L6＝3mm；然后改变该对磁铁9、10与非磁性衬底5之间的间距L7，L7＝0.5mm；旋转该对磁铁9、10提供变化的磁场力，磁场力带动顶端带有磁性微纳米颗粒3的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6旋转运动，进而通过柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6驱动微纳米粒子7运动；通过调节磁铁9、10的旋转速率n实现微纳米粒子7的旋转操纵，n＝1转/秒。
本实施例的有益结果为：精确的完成了粒径为6μm微纳米粒子7的平移、抓取、跳跃以及旋转操纵。
实施例2
一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法，包括以下步骤：
1)先在基底2表面涂覆水溶胶粘附层1，然后在水溶胶粘附层1上通过光刻工艺获取微纳米图形化的光刻胶；再在光刻胶表面通过刮涂法得到磁性微纳米颗粒3图形化，然后去除光刻胶，得到磁性微纳米颗粒3的图形化模板，磁性微纳米颗粒3为粒径D1＝20μm的铁粉；
2)参照图1，将聚合物4涂覆在非磁性衬底6表面，然后对非磁性衬底6进行的预加热，预加热参数：温度75℃、时间为6分钟；再将图形化模板表面的磁性微纳米颗粒3接触并嵌入聚合物4，嵌入深度为T＝10μm，其中T＜D1，聚合物4为Polystyrene(聚苯乙烯)；
3)参照图2，提拉图形化模板，使聚合物4被拉伸为蘑菇状微纳米柱阵列5，蘑菇状微纳米柱阵列5间距为S＝30μm，提拉速率为80μm/s，时间为4s，然后对非磁性衬底6加热使蘑菇状微纳米柱阵列5固化，加热温度140℃，时间为20分钟；
4)参照图3，再加热图形化模板，加热温度为150℃，时间为3分钟，使图形化的磁性微纳米颗粒3脱离水溶胶粘附层1，得到顶端带有磁性微纳米颗粒3的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列5，磁性微纳米颗粒3和柔性的蘑菇状微纳米柱阵列5构成柔性微驱动器；
5)参照图4，将需要被操纵的粒径为D2＝50μm的SiO2的微纳米粒子7滴至柔性的蘑菇状微纳米柱阵列5表面；
6)参照图5，通过改变非磁性衬底6与非磁性衬底6底部下方的磁铁8间距L1实现磁性微纳米颗粒3所受磁场力大小的调控，完成柔性的蘑菇状微纳米柱阵列5变形程度的调控，L1＝10mm；然后通过改变磁铁8的平移速率V1，完成微纳米粒子7的平移运动操纵，V1＝2mm/s；
参照图6，通过改变非磁性衬底6与非磁性衬底6底部下方的磁铁8间距L2使得柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6间距S＝60μm，L2＝20mm，S＞D2，将微纳米粒子7嵌入柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6的间隙中，参照图6(a)；垂直方向移动磁铁位置至非磁性衬底与磁铁间距L3，L3＝30mm，使得柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6包裹微纳米粒子7，进而完成微纳米粒子7的抓取操纵，参照图6(b)；
参照图7，通过改变非磁性衬底6与非磁性衬底6底部下方的磁铁8间距L4使得微纳米粒子7位于变形后的柔性蘑菇状微纳米柱阵列6表面，L4＝12mm参照图7(a)；然后垂直方向移动磁铁8，移动速率V2＝12mm/s，使磁铁8远离非磁性衬底5至L5，L5＝45mm，实现快速降低磁场力，柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6回弹，进而完成微纳米粒子7的跳跃运动方式操纵，参照图7(b)；
参照图8，通过改变柔性微驱动器上方的一对磁铁9、10间距L6实现微纳米粒子7的操纵区域选择，L6＝11mm；然后改变该对磁铁9、10与非磁性衬底5之间的间距L7，L7＝7mm；旋转该对磁铁9、10提供变化的磁场力，磁场力带动顶端带有磁性微纳米颗粒3的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6旋转运动，进而通过柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6驱动微纳米粒子7运动；通过调节磁铁9、10的旋转速率n实现微纳米粒子7的旋转操纵，n＝20转/秒。
本实施例的有益结果为：精确的完成了粒径为50μm微纳米粒子7的平移、抓取、跳跃以及旋转操纵。
实施例3
一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法，包括以下步骤：
1)先在基底2表面涂覆水溶胶粘附层1，然后在水溶胶粘附层1上通过光刻工艺获取微纳米图形化的光刻胶；再在光刻胶表面通过刮涂法得到磁性微纳米颗粒3图形化，然后去除光刻胶，得到磁性微纳米颗粒3的图形化模板，磁性微纳米颗粒3为粒径D1＝150μm的钴粉；
2)参照图1，将聚合物4涂覆在非磁性衬底6表面，然后对非磁性衬底6进行预加热，预加热参数：温度90℃、时间为2分钟；再将图形化模板表面的磁性微纳米颗粒3接触并嵌入聚合物4，嵌入深度为T＝50μm，其中T＜D1，聚合物4为Polyurethane(聚氨酯)；
3)参照图2，提拉图形化模板，使聚合物4被拉伸为蘑菇状微纳米柱阵列5，蘑菇状微纳米柱阵列5间距为S＝160μm，提拉速率为1000μm/s，时间为4s，然后对非磁性衬底6加热使蘑菇状微纳米柱阵列5固化，加热温度180℃，时间为10分钟；
4)参照图3，再加热图形化模板，加热温度为200℃，时间为1分钟，使图形化的磁性微纳米颗粒3脱离水溶胶粘附层1，得到顶端带有磁性微纳米颗粒3的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列5，磁性微纳米颗粒3和柔性的蘑菇状微纳米柱阵列5构成柔性微驱动器；
5)参照图4，将需要被操纵的粒径为D2＝300μm的PMMA的微纳米粒子7滴至柔性的蘑菇状微纳米柱阵列5表面；
6)参照图5，通过改变非磁性衬底6与非磁性衬底6底部下方的磁铁8间距L1实现磁性微纳米颗粒3所受磁场力大小的调控，完成柔性的蘑菇状微纳米柱阵列5变形程度的调控，L1＝20mm；然后通过改变磁铁8的平移速率V1，完成微纳米粒子7的平移运动操纵，V1＝5mm/s；
参照图6，通过改变非磁性衬底6与非磁性衬底6底部下方的磁铁8间距L2使得柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6间距S＝200μm，L2＝50mm，S＞D2，将微纳米粒子7嵌入柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6的间隙中，参照图6(a)；垂直方向移动磁铁位置至非磁性衬底与磁铁间距L3，L3＝100mm，使得柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6包裹微纳米粒子7，进而完成微纳米粒子7的抓取操纵，参照图6(b)；
参照图7，通过改变非磁性衬底6与非磁性衬底6底部下方的磁铁8间距L4使得微纳米粒子7位于变形后的柔性蘑菇状微纳米柱阵列6表面，L4＝25mm参照图7(a)；然后垂直方向移动磁铁8，移动速率V2＝20mm/s，使磁铁8远离非磁性衬底5至L5，L5＝60mm，实现快速降低磁场力，柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6回弹，进而完成微纳米粒子7的跳跃运动方式操纵，参照图7(b)；
参照图8，通过改变柔性微驱动器上方的一对磁铁9、10间距L6实现微纳米粒子7的操纵区域选择，L6＝20mm；然后改变该对磁铁9、10与非磁性衬底5之间的间距L7，L7＝10mm；旋转该对磁铁9、10提供变化的磁场力，磁场力带动顶端带有磁性微纳米颗粒3的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6旋转运动，进而通过柔性的蘑菇状微纳米柱阵列6驱动微纳米粒子7运动；通过调节磁铁9、10的旋转速率n实现微纳米粒子7的旋转操纵，n＝200转/秒。
本实施例的有益结果为：精确的完成了粒径为300μm微纳米粒子7的平移、抓取、跳跃以及旋转操纵。

Claims (4)

1.一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)先在基底表面涂覆水溶胶粘附层，然后在水溶胶粘附层上通过光刻工艺获取微纳米图形化的光刻胶；再在光刻胶表面通过刮涂法得到粒径为D1的磁性微纳米颗粒图形化，然后去除光刻胶，得到磁性微纳米颗粒的图形化模板；
2)将聚合物涂覆在非磁性衬底表面，然后对非磁性衬底进行预加热，预加热参数：温度60-90℃、时间为2-10分钟，将图形化模板表面的微纳米颗粒接触并嵌入聚合物，嵌入深度为T，其中T＜D1；
3)提拉图形化模板，使聚合物被拉伸为蘑菇状微纳米柱阵列，蘑菇状微纳米柱阵列间距为S，提拉速率为10-1000μm/s，时间为1-10s，然后对非磁性衬底加热使蘑菇状微纳米柱阵列固化，加热温度100-180℃，时间为10-30分钟；
4)加热图形化模板，加热温度为100-200℃，时间为1-5分钟，使图形化的磁性微纳米颗粒脱离水溶胶粘附层，得到顶端带有磁性微纳米颗粒的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列，磁性微纳米颗粒和柔性的蘑菇状微纳米柱阵列构成柔性微驱动器。
5)将需要被操纵的粒径为D2微纳米粒子滴至柔性的蘑菇状微纳米柱阵列表面；
6)通过改变非磁性衬底与非磁性衬底下方的磁铁间距L1实现磁性微纳米颗粒所受磁场力大小的调控，完成柔性的蘑菇状微纳米柱阵列变形程度的调控，L1＝0-20mm；然后通过改变磁铁的平移速率V1，完成微纳米粒子的平移运动操纵，V1＝0.005-5mm/s；
通过改变非磁性衬底与非磁性衬底下方的磁铁间距L2，使得柔性的蘑菇状微纳米柱阵列间距S＞D2，L2＝0-50mm，将微纳米粒子嵌入柔性的蘑菇状微纳米柱阵列的间隙中；然后垂直方向移动磁铁位置至非磁性衬底与磁铁间距L3，L3＝1-100mm，使得柔性的蘑菇状微纳米柱阵列包裹微纳米粒子，完成微纳米粒子的抓取操纵；
通过改变非磁性衬底与非磁性衬底下方的磁铁间距L4使得微纳米粒子位于变形后的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列表面，L4＝2-25mm；然后垂直方向移动磁铁，移动速率为V2，V2＝5-20mm/s，使磁铁远离非磁性衬底至L5，L5＝30-60mm，实现快速降低磁场力，柔性的蘑菇状微纳米柱阵列回弹，进而完成微纳米粒子的跳跃运动方式操纵；
通过改变非磁性衬底上方的一对磁铁间距L6实现微纳米颗粒的操纵区域选择，L6＝3-20mm；然后改变该对磁铁与非磁性衬底之间的间距L7，L7＝0.5-10mm；旋转该对磁铁提供变化的磁场力，磁场力带动顶端带有磁性微纳米颗粒的柔性的蘑菇状微纳米柱阵列旋转运动，进而通过柔性的蘑菇状微纳米柱阵列驱动微纳米粒子运动；通过调节该对磁铁的旋转速率n实现微纳米粒子的旋转操纵，n＝1-200转/秒。
2.根据权利要求1所述的一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法，其特征在于：所述的步骤1)磁性微纳米颗粒为粒径D1＝5-500μm的钴粉、铁粉或氧化铁粉。
3.根据权利要求1所述的一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法，其特征在于：所述的步骤2)聚合物为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、Polystyrene(聚苯乙烯)或Polyurethane(聚氨酯)。
4.根据权利要求1所述的一种操纵微纳米粒子的柔性微驱动器的制造操控方法，其特征在于：所述的步骤5)微纳米粒子为粒径D2＝6-600μm的非磁性PS、SiO2、PMMA微纳米颗粒。
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