CN108108509A - 基于电化学的微构件可靠无损操作 - Google Patents

Abstract

本发明以研究微构件可靠无损操作的新方法为目标，对基于电化学理论的微构件拾取及释放的理论、方法和微电极制造等关键技术展开研究：首先分析利用管状微电极通过电化学沉积可靠拾取和通过电解无损准确释放微构件时需克服的微观作用力，建立拾取及释放时的受力模型；基于上述理论模型，对微构件的操作过程进行有限元分析，找出在无损条件下的最佳操作角度、操作点和最有利操作的微电极形状并进行微电极的制备；找出无析出时最快速度沉积的条件，获取沉积拾取及电解释放时电流与各参数之间的关系，得出高效无损操作的最佳拾取及释放时间。最后搭建电化学微操作平台，对以微Cu、Ag线为代表的微构件进行实验操作，修正和验证所提出的理论和方法。

Description

基于电化学的微构件可靠无损操作

技术领域

本发明属于微纳操作，具体涉及一种基于电化学的微构件可靠无损操作设计方案。

背景技术

近年来，微电子工艺和传统的超精密加工方法的快速发展使得微/纳制造技术得到了飞跃性的发展，微/纳制造技术已成为衡量一个国家制造水平的标志，代表着制造科学发展的最前沿。微操作是微制造的关键技术之一，在微米尺度功能器件/产品的制造和可控生产过程中发挥着日益重要的作用。微操作是在微观尺度上通过施加外部场能或者作用力实现对微米尺度结构与器件的推/拉、拾取/释放、定位、定向等操纵，进一步完成其装配与封装等作业，是微制造科学与技术研究的重要内容之一，是国际机器人学和微米科技领域广泛关注的热点研究领域。利用微操作技术制造可靠性好、适应性强、技术附加值高、市场回报率大于传统产业的微/纳产品，在机电工程、光电、信息存储、医疗、生物工程、材料工程、仿生以及军事等领域具有广阔的应用前景。因此，对微观结构与器件的操作、装配的有关理论和方法展开研究具有重要的理论意义和实用价值。

由于在操作过程中由尺寸不断减小而产生的尺度效应、表面/界面效应和量子效应及多场耦合作用，使得微/纳操作与宏观操作不同且具有力的特殊性；另外，在实际的微尺度功能器件装配过程中，通常需要对微/纳构件或者器件的装配，而不是简单的粒子的组装，并且待装配构件通常会处于多构件环境中，这使得实际应用中的微操作具有特有的复杂性。由于上述操作对象尺度上的特殊性引起的一系列问题，实现可靠高成功率的微操作还存在很多理论和实际问题。因此，在对微操作基础知识研究的基础上，研究新的基于电化学的微构件可靠无损操作方法，对操作过程中的关键技术和有关理论、模型进行研究，对解决上述微操作问题、促进微纳技术发展及实现微构件的自动装配具有重要的意义。

发明内容

本发明以实现金属微构件的可靠拾取和稳定无损释放为目标，对基于电化学的微构件拾取及释放的有关理论、方法、微电极的制造等关键技术展开研究，具体研究内容如下。

1. 研究适合金属微构件的电化学可靠拾取及无损准确释放的方法，分析利用管状微电极通过电化学沉积可靠拾取和通过电解无损准确释放微构件时需克服的微观作用力，在此基础上建立拾取及释放时的受力模型，进一步找出微构件尺寸和所需微电极尺寸之间对应关系。

2. 基于上述受力模型和对应关系，对微构件的操作过程进行有限元分析，研究以微铜线为代表的微构件的操作角度、操作点、微电极形状对操作成功率的影响，从而找出在无损条件下的最佳操作角度、操作点和最有利操作的微电极（微操作工具）形状并进行微电极的制备。

3. 找出无析出时最快速度沉积的条件，获取沉积拾取及电解释放时电流与各参数之间的关系，找出沉积拾取过程中盐溶液的电流密度与溶液的浓度、微电极尺寸及所加电压之间的关系及电解释放过程中电流密度与溶液的浓度、微电极尺寸及所加电压之间的关系，从而得出高效率无损操作的最佳拾取及释放时间。

最后搭建电化学微操作平台，采用上述方法、模型及有关参数，对以微Cu、Ag线为代表的微构件进行多次实验操作，对所提出的理论和方法进行修正和验证。

本发明的有益效果。

1. 提出一种新的微操作方法，解决目前微纳操作领域操作对象绝大多数是粒子或者是细胞等非构件形状并且对其拾取和释放也不是完全可控，即操作成功率较低的问题。

2. 通过电化学的方法，解决微金属构件操作过程中的拾取不稳定、不能释放或者释放时必须要克服操作工具和操作对象间的粘着力等问题。

3. 通过获取沉积及电解过程中电流密度与各参数间的关系，确保金属离子以最快的速度无析出沉积及所沉积的金属完全恰当电解，即保证操作对象无污染、不受损伤并且实现操作效率的最大化。

附图说明

图1为总体技术路线图。

具体实施方式

本发明采用理论研究、仿真模拟和实验验证相结合的研究方法，从研究微尺度下表/界面粘着机理和液面张力模型入手，注重多学科交叉，运用电化学、材料力学、弹性力学、摩擦学、物理力学、数值分析、现代控制、MEMS技术等多学科研究理论，建立微构件拾取及释放的理论模型，使用ANSYS、MATLAB等软件进行理论建模和仿真模拟验证，并进行实验验证；利用微电极拉制器多次拉制微电极，找出不同尺寸操作工具（微电极）所需的制造参数，便于最高效率的操作不同尺寸的微构件；利用静电计提供沉积及电解的电压并检测微电极与操作对象的接触与否，同时测量操作过程中的电流变化情况，用Labview编写上位机采集程序，获取沉积及电解过程中电流密度与电压、时间等参数之间的关系，从而确定可靠拾取所需的最短沉积时间及释放时恰好完全电解的时间，从而实现最高效率的可靠无损微构件操作。最后，采用搭建的平台对实际微构件进行操作，根据实验结果修正理论模型，真正实现对微构件的可靠、无损、高效及高成功率操作。

具体实施例1。

首先对电化学理论和操作对象与基底间的作用力进行研究，分析论证通过将微电极内盐溶液中的金属离子沉积，在操作电极中形成与操作对象完全结合的牢固微金属柱体来克服操作对象和基底间作用力的可行性；以及通过电解拾取过程中形成的微金属柱体进行准确无损释放的可行性，并通过实际操作验证该方法的可行性。在此基础上建立通过电化学拾取及释放时的准确受力模型，基于该模型和物理力学、材料力学、弹性力学等相关理论，得出微构件尺寸和拾取及释放所需微电极尺寸之间对应关系，从而计算分析出某一确定尺寸微构件拾取时所需的微电极的最小尺寸和能完全释放该操作对象的最大尺寸。进一步确定某一确定尺寸的微电极所能拾取的最大操作对象和能释放的最小操作对象。

具体实施例2。

如果拾取时操作点选取不当，容易产生滑落情况，导致操作的失败且容易损坏操作电极。但也并非只有构件的中间点是最佳操作点，也能很好的拾取操作对象，还有可能使得释放变得更为容易(因为操作对象的一端先接触操作基底)，因此需要依据所建立的拾取及释放的力学模型，建立对沉积拾取和电解释放的有限元模型，进行模拟仿真分析，依据理分析论和仿真模拟进一步修正所建立的受力模型，从而找出在可靠无损条件下的最佳操作角度、操作点和最有利操作的微电极形状，依据仿真结果利用微电极拉制器多次试制微电极，找出不同尺寸微电极对应的制造参数。

具体实施例3。

由于通过盐溶液进行沉积时，受湿度、温度及溶液的浓度及所加电压影响较大，一旦操作条件不满足，极易产生析出现象，一旦有盐析出，便会导致释放时的失败，因此在实际操作时，首先要依据理论分析和实际操作找出既无盐析出又能以较快速度沉积的各参数。另外，恰当高度的微金属沉积关系到微构件的可靠拾取及操作的效率。因此，根据所拉制的合理的微电极形状及尺寸，通过所建立的操作力学模型，计算出可靠拾取所需沉积的最小微金属柱高度，然后通过Labview上位机程序与静电计通讯，获取沉积过程中电离密度的实时监测值，找出给定电压和溶液浓度条件下电流密度与沉积时间及沉积高度的对应关系；同样的过程找出电解释放时电流与各关系量的关系，从而得出最高效率无损操作的最佳沉积及点解时间。

以上模型及算法建立后，基于微定位器、上位机、keithley_6517B静电计、减震台、显微镜等仪器，搭建电化学微操作平台，基于有限元仿真的最佳操作点及操作角度对上述方法、模型及有关参数进行实际实验验证。

Claims (3)

1.基于电化学的微构件可靠无损操作，其特征在于，首次提出将微构件作为微操作对象，使微纳制造技术突破了传统的光刻、电子束光刻和纳米压印只能进行二维结构制造的局限，使不同材料的复杂微系统的制造成为可能。

2.基于电化学的微构件可靠无损操作，其特征在于，首次提出利用电化学的方法对微构件进行稳定拾取和无损可靠释放，尤其是金属离子沉积的拾取方法形成牢固的结合，有效的克服了拾取过程中的粘着力；在释放过程中将需要克服的操作工具和操作对象间的粘着力巧妙的转化为液体的表面张力，使操作的成功率大幅提升，这是本发明的又一大创新。

3.基于电化学的微构件可靠无损操作，其特征在于，通过获取沉积及释放过程中的电流密度与所加电压、微电极尺寸等参数间的关系，从而确定某一尺寸操作对象的最佳沉积与电解时间，在保证无损、无污染操作的同时使操作的效率最高。