CN108275646B - 一种用于微操作的低粘附力末端执行器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于微操作的低粘附力末端执行器及其制作方法，该执行器为细长结构，且末端为1/2球体或1/4球体。本发明末端执行器的末端为1/2或1/4球体，扩大了末端执行器的操作空间，使其对沉积在底部的微小目标也可以进行有效操作。

Description

一种用于微操作的低粘附力末端执行器及其制作方法
技术领域
本发明属于微纳操作技术领域，具体涉及一种在微操作中能够降低与物体之间黏附力的末端执行器及其制作方法。
背景技术
当今世界，精密操作已经不仅仅限于宏观世界，在微尺度下对于微小目标的操作在微器件的组装测试以及生物医学领域的单细胞测量与组装等领域都发挥了重要作用。对微目标的抓取与释放是微操作当中最为基本的也是最为重要的地两个操作。，在宏观世界里，对物体的精确抓取是主要要解决的问题，对物体的释放在重力作用下相对简单。而在微尺度下，则恰恰相反，微小目标的抓取较为容易，而释放很难实现。这主要是因为在微尺度下物体之间的粘附力包括范德华力、毛细力、表面张力、静电力等已经起到关键性甚至决定性作用，重力则微乎其微，在抓取过程当中粘附力的存在使得被抓取目标直接粘附在末端执行器上，而在释放过程当中则要克服这种粘附力。在微纳操作过程中，要实现在微尺度下对于微小目标的成功释放，主要难点就集中在克服末端操作器与微小目标之间的黏附力。目前，已有的方法主要分为两种，主动释放和被动释放。其中主动释放主要就是利用末端执行器的震动来克服末端执行器与微小目标之间的粘附力，这种方式有一定的缺点，如释放精度低、控制方式复杂、耗时等。而被动释放是通过改变末端执行器表面性质或者利用基底的辅助作用等方式进行微物体的释放。现有的方式依赖于对末端执行器复杂加工或者表面处理，且可重复性较差。因此需要一种简单的新型方法来实现微尺度下对微小目标的高精度快速释放，克服现有方法的主要的缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是为了降低微观尺度下末端执行器与微小目标之间的黏附力，在微尺度下实现对微小目标的高精度的快速抓取和释放操作。提出了一种末端执行器及其制作方法，其有效的解决了由微小目标与末端执行器之间黏附力引起的难以释放的问题，使得对微小目标操作步骤趋于简单化，同时操作精度与效率得以提高。
实现本发明的技术方案如下
一种用于微操作的低粘附力末端执行器，所述执行器为细长结构，且末端为1/2球体或1/4球体。
进一步地，本发明所述1/2球体或1/4球体的直径为1um-100um。
一种用于微操作的低粘附力末端执行器的制作方法，具体过程为：
一、将毛细玻璃管两端固定，并向两端同时施加向外的拉力，在施加拉力的同时在毛细玻璃管的中心进行加热，通过对毛细玻璃管拉伸熔断获得两段同样长度的具备细长的尖端的玻璃管，将尖端作为末端执行器与微小目标即操作对象的接触端；
二、将两根玻璃管的尖端进行高温加热并通过调节加热角度和位置使末端融化成球形；
三、通过所获得的球形末端沿毛细玻璃管方向进行打磨，使其成为半球体。
进一步地，本发明还包括沿玻璃管方向与半球体的平面部分垂直的平面继续打磨，使末端成为四分之一球体。
进一步地，本发明还包括对末端执行器用氢氟酸进行腐蚀，改变其表面粗糙度。
进一步地，本发明所述步骤二中融化成直径约为20um的球形。
有益效果：
本发明末端执行器的末端为1/2或1/4球体，扩大了末端执行器的操作空间，使其对沉积在底部的微小目标也可以进行有效操作。
本发明末端执行器的制作过程，具有实现方式简单、操作快速、释放精度高、耗时短、可重复性高等诸多优点，实现了末端执行器对微小目标的准确快速操作，同时操作效率显著提高。
附图说明
图1为本发明末端执行器制作过程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
本发明一种用于微操作的低粘附力末端执行器，所述执行器为细长结构，且末端为1/2球体或1/4球体的末端执行器。
本发明采用末端为1/2或1/4球体，扩大了末端执行器的操作空间，使其对沉积在底部的微小目标也可以进行有效操作。
本发明一种用于微操作的低粘附力末端执行器的制作方法，如图1所示，具体过程为：
由于毛细玻璃管是微操作领域中制作末端执行器最常用的材料，本发明采用毛细玻璃管制作末端执行器。通过对毛细玻璃管进行拉伸熔断，末端融化成球，打磨，酸蚀等一系列的操作之后，改变执行器末端的形态以及表面性质。进而提高末端执行器对微小目标的操作精度和效率。
步骤1，由于毛细玻璃管自身尺寸较大，不满足末端执行器在微观环境下操作的尺度要求。要制作可进行微纳操作的末端执行器就需要对毛细玻璃管进行一定的处理，缩小毛细玻璃管末端的尺寸。本发明采用的方法是在毛细玻璃管的两端施加拉力，与此同时在玻璃管的中部加热到一定的温度。玻璃管的中部会因为温度的升高硬度变小，可塑性增强，因此容易拉伸成为尖端，避免断裂。在这个过程中，可以通过控制拉力的大小和温度的高低来控制拉伸熔断后所形成的末端的尺寸。操作所获得的毛细玻璃管具备了进行微纳操作的尺寸条件。这一步骤可以利用拉针仪来实现。利用拉针仪内部部件的重力作为作用在毛细玻璃管两端的拉力，通过铂金电阻进行加热。
步骤2，若对步骤1中所示的末端执行器不作处理，那么在对微小目标释放的操作过程中，由于黏附力的作用，微小目标总是黏附在其中一只末端执行器上，导致难以释放。因此需要改变执行器末端的表面性质。尖端的表面积过小，表面性质的改变不具备好的可观性和可控性。因此，为了解决这一问题，本发明选择将末端加工成为球体。采用的方式是加热融化。用高温铂金电阻丝靠近执行器末端。在融化的过程中，由于融化的毛细玻璃管的表面张力以及重力作用，需要不断地调节末端角度和位置才能逐渐融化成形成球体并控制其末端直径在20um左右，这样制作的末端可以抓取和释放10um-200um的微小目标，这一步骤可以通过使用MF-900微型锻造装置来实现。
步骤3，经过了步骤2之后，为了使末端的表面性质更容易改变，将球形打磨成半球形，来增大末端面积以便于表面处理。具体方法是用一个高速旋转的水平面在显微镜观察下逐渐的靠近执行器末端，沿毛细玻璃管轴向逐渐打磨成为半球体。这一步骤可以通过使用EG-401微型打磨装置来实现。
步骤4，由于部分微小目标可能在操作环境的基底上沉积，要想对沉积的微小目标进行操作，半球体形状不能够很好的贴合于基底，因此，需要对末端进行进一步处理使其可以夹取沉积在基底的微小目标。采用的方法是沿着毛细玻璃管的轴向，打磨出垂直于步骤3得到的平面的另一平面，使执行器末端成为四分之一球体，处理后获得的末端可以更好的贴近基底，有效的扩大了末端执行器的操作空间，这一步骤仍然通过使用EG-401微型打磨装置来实现。
在进行了末端执行器的形态制作以后，需要对其表面性质进行处理。由于表面张力是操作过程中主要需要克服的力。而使接触面变粗糙是克服表面张力的有效方法。因此，需要对打磨好的接触面进行粗糙化处理。本发明采用氢氟酸凝胶来对末端执行器的末端四分之一球体的平面进行腐蚀。由于氢氟酸是唯一可以腐蚀玻璃的强酸。可以破坏玻璃表面的Si--O化学键，在玻璃的表面形成一个个筛状的坑洼，从而改变玻璃的表面粗糙度。因此，可以利用氢氟酸酸蚀末端执行器的平面。化学反应的方程式为：SiO2+4HF＝SiF4↑+2H2O。
氢氟酸对玻璃的腐蚀效果会随着时间的变化而变化。不平整度在1um左右的时候，可以有效的克服黏附力。因此为了使末端执行器粗糙化以便于对微小目标进行操作，本发明采用9.5％的氢氟酸凝胶来腐蚀打磨好的末端执行器。腐蚀时间为120s左右时，平面的不平整度刚好达到1um左右。符合对末端执行器的表面性质要求。
本发明采用的这种方式是在改变执行器末端形态以及表面性质的基础上，降低物体与末端执行器之间的粘附力以利于微操作。具体来说就是，采用拉伸熔断毛细玻璃管缩小了末端执行器的尺度使其符合微操作的要求；使用高温融化、打磨成半球形改变执行器末端形状，使其有更大的表面；打磨成四分之一球体有效的扩大了末端执行器的操作空间，使其对沉积在底部的微小目标也可以进行有效操作；使用氢氟酸有效的改善了末端执行器的表面粗糙度，有效减弱了黏附力对微操作的影响。
总体来说，此方法克服了目前已有方式的诸多缺点，提高了释放的精度，简化了控制算法，提高了释放微小目标的成功率，进而也就提高了微操作的效率。对微纳操作领域具有十分重要的意义，比较已有的方法来看，具有相当优势。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于微操作的低粘附力末端执行器的制作方法，其特征在于，具体过程为：
一、将毛细玻璃管两端固定，并向两端同时施加向外的拉力，在施加拉力的同时在毛细玻璃管的中心进行加热，通过对毛细玻璃管拉伸熔断获得两段同样长度的具备细长的尖端的玻璃管，将尖端作为末端执行器与微小目标即操作对象的接触端；
二、将两根玻璃管的尖端进行高温加热并通过调节加热角度和位置使末端融化成球形；
三、通过所获得的球形末端沿毛细玻璃管方向进行打磨，使其成为半球体。
2.根据权利要求1所述末端执行器的制作方法，其特征在于，还包括沿玻璃管方向与半球体的平面部分垂直的平面继续打磨，使末端成为四分之一球体。
3.根据权利要求1或2所述末端执行器的制作方法，其特征在于，还包括对末端执行器用氢氟酸进行腐蚀，改变其表面粗糙度。
4.根据权利要求3所述末端执行器的制作方法，其特征在于，所述步骤二中融化成直径约为20um的球形。
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