CN112757257A - 一种电润湿微夹持器及小微物体的夹持方法 - Google Patents

Abstract

一种电润湿微夹持器及小微物体的夹持方法，包括夹持器基体、疏水性介电材料层、上电极和下电极，所述夹持器基体开设有上下贯通的流道，所述流道的上部为压力调节孔，下部为吸附面开孔，所述夹持器基体底面的内侧及所述流道内壁的下部均铺设下电极，所述下电极的表面铺设疏水性介电材料层，其他流道的内壁铺设有亲水层，所述流道内工作液体，所述上电极伸至工作液体内，所述上电极和下电极连接有电润湿电源。本发明的微夹持器可实现对小微物体的夹持和释放；被夹持的小微物体没有形状和内应力状态的改变，能适应小微物体的多种表面形貌，适应性广。

Description

一种电润湿微夹持器及小微物体的夹持方法

技术领域

本发明涉及微装配和微加工领域的一种小微夹持器件，尤其涉及一种电润湿微夹持器及小微物体的夹持方法。

背景技术

在微装配和微加工领域中，微夹持器是处理微机械零件、器件等微操作对象的关键工具。其性能的稳定性与适用性直接决定了微操作过程的成功率，是评判微操作系统好坏的重要指标，对于微操作过程的成功有着决定性的作用。

微夹持器的传统方法之一是采用真空吸附，利用真空负压来吸附工件以达到夹持微小目标的目的。真空吸附式微夹持器通常与控制气路相连，气路提供真空负压力进行拾取操作，释放时，气路提供正压力以克服粘着力的影响进行释放。

另一种方法是采用压电驱动，基于压电材料的逆压电效应，使压电材料在电场作用下产生驱动力及位移。当压电材料加电伸长时推动放大机构的外悬臂梁，由杠杆原理，使得运动方向改变而且使位移量增加，带动微夹持臂动作。

另一种方法是采用静电驱动，采用了梳状静电驱动结构，施加电压使得微夹持臂发生位移，撤掉电压后，微夹持臂依靠自身弹性回复到平衡位置。

另一种方法是采用静电吸附，其采用具有双极结构的转移头，在转移过程中，分别施加正负电压，当从衬底上抓取微器件时，对一硅电极通正电，微器件就会吸附在转移头上，当需要把微器件放到既定位置时，对另外一个硅电极通负电，即可完成转移。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出电润湿微夹持器，具体技术方案为：

一种电润湿微夹持器，包括夹持器基体、疏水性介电材料层、上电极和下电极，所述夹持器基体开设有上下贯通的流道，所述流道的上部为压力调节孔，所述压力调节孔上连接有气压控制装置，所述流道的下部为吸附面开孔，靠近吸附面开孔的所述夹持器基体底面的内侧形成吸附面，所述吸附面及所述流道内壁的下部均铺设下电极，所述下电极的表面铺设疏水性介电材料层，所述疏水性介电材料层以外的流道内壁铺设有亲水层，所述夹持器基体底面的外侧铺设疏水层，所述流道在铺设亲水层的区域内充满可夹持小微物体的工作液体，所述上电极从夹持器基体的顶面延伸至工作液体内，且始终与工作液体保持接触，所述上电极和下电极通过导线或电路布线连接有可施加或消除电势差的电润湿电源。

进一步地，所述工作液体为水、无机水溶液、有机水溶液、植物油、矿物油或液态金属中的一种。

进一步地，所述工作液体的表面能不大于所述亲水层的表面能和施加电势差时的疏水性介电材料层的表面能，且大于所述疏水层表面能和未施加电势差时的疏水性介电材料层表面能。

进一步地，所述亲水层的材料为环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯腈、聚砜或聚乙烯醇中的一种。

进一步地，所述疏水层的材料为聚四氟乙烯或聚六氟丙稀，或为纳米表面疏水结构的材料。

进一步地，所述疏水性介电材料层的材料为聚四氟乙烯或聚六氟丙稀。

进一步地，在铺设亲水层的所述流道内设置有可存储、缓冲工作液体的蓄液腔。

进一步地，所述亲水层由上至下设置成多段，多段亲水层的亲水性强度由上至下逐渐增大。

进一步地，所述吸附面开孔处设置成可使工作液体能平缓流动的圆弧倒角。

进一步地，所述夹持器基体上设置有延伸至工作液体内的液体隔断装置。

进一步地，所述液体隔断装置为可使局部工作液体迅速气化的电加热器。

进一步地，所述微夹持器所夹持的小微物体的尺度范围为0.1微米数量级至厘米数量级。

一种小微物体的夹持方法，基于电润湿效应实现对小微物体的夹持和释放，其步骤包括：

（1）利用电润湿电源给所述上电极和下电极之间施加电势差，由于电润湿效应，疏水性介电材料层由疏水性转变为亲水性，所述工作液体浸润此区域，并在所述吸附面开孔处形成突出的液滴；

（2）用此突出的液滴触碰小微物体，粘附力和液体表面张力使得小微物体可跟随微夹持器移动，实现对小微物体的夹持；

（3）利用电润湿电源消除所述上电极和下电极之间的电势差，所述下电极表面铺设的疏水性介电材料层重新由亲水性转变为疏水性，所述工作液体不能浸润此区域而具有离开疏水性介电材料层，回流到所述流道内的亲水层区域；小微物体表面粘附的工作液体和流道中的工作液体断开，吸附面和小微物体之间不再有工作液体，小微物体从吸附面脱落，实现对小微物体的释放。

本发明的有益效果：

（1）本发明公开的对小微物体的夹持与释放方法，将电润湿这一物理现象应用于小微物体的夹持与释放。

（2）本发明实施例提供的通过改变电极电压，实现工作液体在夹持器的流道与吸附面上亲水性和疏水性改变，这属于介电润湿效应，能量消耗低，反应速度快。

（3）本发明实施例提供的工作液体吸附小微物体，并且将小微物体和夹持器粘附，被拾取的小微物体几乎只与工作液体接触，不会受到机械夹持力的损坏，夹持后对小微物体没有形状和内应力状态的改变。

（4）本发明实施例提供的采用工作液体粘附小微物体，能适应小微物体表面多种形貌。

附图说明

图1是本发明基于的物理现象：电润湿效应示意图图示。

图2是根据本发明的实施例的微夹持器的截面侧视图图示。

图3是根据本发明的实施例的微夹持器的带剖面等距视图图示。

图4是根据本发明的实施例的充液微夹持器施加电压过程工作液体流动情况示意图图示。

图5是根据本发明的实施例的微夹持器消除电压过程工作液体流动情况示意图图示。

图6是根据本发明的实施例的微夹持器夹持与释放物体过程示意图图示。

图7是根据本发明的一种实施例的微夹持器的截面侧视图图示。

图8是根据本发明的一种实施例的具有电热丝微夹持器的截面侧视图图示。

图中：101亲水层；

102疏水层；

103疏水性介电材料；

104流道；

105蓄液腔；

106吸附面；

107吸附面开孔；

108压力调节孔；

109夹持器基体；

110亲水层a；

111亲水层b；

112亲水层c；

201上电极；

202下电极；

203电润湿电源；

204加热电源；

205电热丝；

300小微物体；

400工作液体。

具体实施方式

以下将以图示展示本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。而然，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图示起见，一些惯用的结构与组件在图示中将以简单的示意方式绘示之。

本发明采用的词语“夹持”，表示夹持器拾取并使对象物体移动这一动作过程，并不仅仅指狭义的机械式夹持，如采用“吸附”、“粘附”“拾取”等词语也可表达同样的动作过程。

如图1所示，电润湿效应的原理：液滴置于下电极202上，下电极202板表面铺设一层疏水性介电材料层103，液滴在疏水性介电材料层103上形成类似荷叶表面水珠的形状，液滴接触角θ较大；在液滴中插入上电极201，上、下电极202之间施加电势差，下电极202板表面铺设的疏水性介电材料层103转变为亲水性，液滴铺展，液滴接触角θ变小。

基于上述的电润湿效应，可设计一种电润湿微夹持器，以实现对小微物体300的夹持和释放。

以下实施例一为微夹持器的结构，进而根据其结构说明基于电润湿效应的小微物体300夹持方法。

如图2、3所示，包括夹持器基体109、疏水性介电材料层103、上电极201和下电极202，所述夹持器基体109开设有上下贯通的流道104，所述流道104的上部为压力调节孔3，所述压力调节孔3上连接有气压控制装置，所述流道104的下部为吸附面开孔107；靠近吸附面开孔107的所述夹持器基体109底面的内侧形成吸附面106，所述吸附面106及所述流道104内壁的下部均铺设下电极202，所述下电极202的表面铺设疏水性介电材料层103，所述疏水性介电材料层103以外的流道104内壁铺设有亲水层101，所述夹持器基体109底面的外侧铺设疏水层102，所述流道104在铺设亲水层101的区域内充满可夹持小微物体300的工作液体400，所述上电极201从夹持器基体109的顶面延伸至工作液体400内，且始终与工作液体400保持接触，所述上电极201和下电极202通过导线或电路布线连接有可施加或消除电势差的电润湿电源203。

其中，所述夹持器基体109为微夹持器各功能部件提供承载作用，其在保证强度、刚度、结构的同时，不干扰电润湿效应。夹持器基体109所用材料可以包括但不限于聚四氟乙烯（PTFE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等高分子聚合物材料，石英、玻璃、硅、陶瓷等无机材料，金属以及金属合金，以及多种材料的组合。

如图2、3所示，所述微夹持器内设置有可存储、缓冲工作液体400的蓄液腔105，所述蓄液腔105设置在铺设亲水层101的流道104内；蓄液腔105制作成明显大于流道104的膨大空腔，所述上电极201插入蓄液腔105内，以使上电极201始终可保持与工作液体400接触。所述蓄液腔105为可选的结构，如流道104容积足够满足工作液体400的流动过程，则可取消蓄液腔105。

所述夹持器基体109底面的外侧铺设成疏水层102，可以保持微夹持器外表面的干净，不沾染工作液体400，防止对拾取对象以外的物体产生粘附作用。

在电润湿电源203在上电极201与下电极202之间施加电势差时，流道104内充入的工作液体400，布满除疏水性介电材料层103所在流道104以外的其它流道104区域。

图4和图5分别示意性的显示了夹持器中工作液体的变化，图6示意性的显示了夹持器吸附和释放小微物体的过程。利用电润湿效应实现微夹持器夹持小微物体300的夹持方法或操作过程如下：

夹持小微物体300：如图4(a)-(c)所示，利用电润湿电源203对所述上电极201和下电极202施加一定电势差时，由于电润湿效应，下电极202表面铺设的疏水性介电材料层103由疏水性转变为亲水性，工作液体400从所述流道104中的亲水层101区域向下部的流道104区域浸润，并通过吸附面开孔107漫出到夹持器基体109的表面，直到浸润满整个吸附面106区域，并相对于微夹持器的下表面形成一定的液滴高度。

如图6(a)-(c)所示，通过移动台使微夹持器靠近小微物体300，若吸附面106上的液滴碰到到小微物体300时，会浸润所述小微物体300的表面而吸附小微物体300，工作液体400成为所述微夹持器与所述小微物体300之间“粘合剂”；工作液体400通过表面张力，使得微夹持器和小微物体300之间具有较大力的作用，此力的作用大于将小微物体300保持在载体衬底的力，该力可以包括但不限于重力、毛细力、粘滞效应、弹性恢复力、范德华力、静摩擦力。此时小微物体300通过粘附在工作液体400上，被微夹持器拾取并跟随微夹持器移动，实现对小微物体300的夹持。

释放小微物体300：如图5(a)-(c)所示，利用电润湿电源203对所述上电极201和下电极202消除电势差，下电极202表面铺设的疏水性介电材料层103由亲水性重新变为疏水性，工作液体400将从下电极202所在的区域收缩回流道104内。如图6(d)-(f)所示，当工作液体400回流到一定程度时，小微物体300表面粘附的工作液体400将和流道104中的工作液体400断开，工作液体400不再将小微物体300和微夹持器粘附，小微物体300从吸附面106脱落，实现微夹持器对小微物体300的释放。

实现上述夹持和释放操作时，所述工作液体400的表面能不大于所述亲水层101的表面能和施加电势差时的疏水性介电材料层103的表面能，且大于所述疏水层102表面能和未施加电势差时的疏水性介电材料层103表面能。等价的表述为：所述工作液体400和亲水层101、施加电势差时的疏水性介电材料层103表现为亲水性，所述工作液体400和疏水层102、未施加电势差时的疏水性介电材料层103表现为疏水性。此处所用的“疏水”、“亲水”，不仅仅表示狭义的对水（H₂O）的浸润性或排斥性，而且表示对所述工作液体400的浸润性或排斥性。

其中，所述小微物体300的尺度范围为0.1微米数量级至厘米数量级。小于这个数量级，所述工作液体400的粘度和表面张力将阻碍电润湿效应的表现；大于这个数量级，所述工作液体400的表面张力难以承受工作液体400自身重力或惯性力。

具体地，所述工作液体400包括但不限于水、无机水溶液、有机水溶液、植物油、矿物油或液态金属等液态材料；所述亲水层101的材料包括但不限于环氧树脂（EP）、聚乙烯（PE）、聚丙烯腈（PAN）、聚砜（PS），聚乙烯醇（PEG）等带极性基团的的高分子聚合物材料；所述疏水层102和疏水性介电材料层103的材料包括但不限于聚四氟乙烯（PTFE）或聚六氟丙稀等低表面能材料，所述疏水层102也可以为纳米表面疏水结构的材料。

所述工作液体400、亲水层101、疏水层102、疏水性介电材料层103以及其可夹持的小微物体300，其材料具有多种组合方式，包括但不限于表1中的组合：

然而应当理解的是，所述工作液体400、亲水层101、疏水层102、疏水性介电材料层103的组合不限于上述表1所列举的组合，只要符合上述所提出的条件所形成的组合，都理应为本发明的各种实施例的组合，在此不一一列出。

优选的，基于电润湿效应的微夹持器，本发明提供实施例二：

如图7所示，其整体结构与实施例一结构的不同之处在于：流道104内可不设置蓄液腔105，所述亲水层101由上至下设置成多段，多段亲水层的亲水性强度由上至下逐渐增大。所述吸附面开孔107处设置成圆弧倒角，使工作液体400能平缓地在流道104与吸附面开孔107之间流动；所述夹持器基体109底面的外侧及其外侧面的底部均铺设疏水层102。

蓄液腔105为可选的，如流道容积足够，则可取消蓄液腔105。

具有弧度的吸附面开孔107，使得上电极201和下电极202施加一定电势差时，工作液体400能平缓的从流道104浸润到吸附面106；取消上电极201和下电极202之间的电势差时，工作液体400能平缓的从吸附面106收缩回流到流道104。

图中，把所述亲水层101由上至下设置成亲水层a 110、亲水层b 111和亲水层c112，其亲水性的强弱为亲水层a 110 ＜亲水层b 111 ＜亲水层c 112。

其中，亲水层a 110具有较弱的亲水性，保证电润湿电源203给上电极201和下电极202施加电势差后，亲水层a 110对工作液体400的粘附阻力较小，流道104内的工作液体400能迅速流向吸附面开孔107处。亲水层c 112具有较强的亲水性，对工作液体400有较大的粘附阻力，保证工作液体400在吸附拾取对象后，工作液体400不容易从流道104中脱落。

所述亲水层a 110、亲水层b 111和/或亲水层c 112的材料包括但不限于表2的组合：

然而应当理解的是，所述亲水层a 110、亲水层b 111和/或亲水层c 112的组合不限于上述表2所列举的组合，只要符合上述所提出的条件所形成的组合，都理应为本发明的各种实施例的组合，在此不一一列出。

优选地，基于电润湿效应的微夹持器，本发明提供实施例三：

如图8所示，在实施例一或实施例二的基础上，在所述夹持器基体109上设置延伸至工作液体400内的液体隔断装置。当电润湿电源203消除上电极201与下电极202之间的电势差时，工作液体400从吸附面106收缩回到流道104中，若小微物体300表面粘附工作液体400的能力较强，且工作液体400表面张力较大，则工作液体400可能在回流过程中难以实现与小微物体300的断开，从而无法实现微夹持器对小微物体300的释放。为了防止此种现象发生，可以设置所述液体隔断装置。

本实施例中，所述液体隔断装置为可使局部工作液体400迅速气化的电加热器，电加热器的电热丝205设置在工作液体400内；通过加热电源204让电热丝205迅速升温，使局部工作液体400迅速气化，流道104内工作液体400形成分隔，工作液体400不再将小微物体300和微夹持器粘附，实现微夹持器对小微物体300的释放。

基于上述实施例，提出一种小微物体的夹持方法，此方法基于电润湿效应实现对小微物体的夹持和释放，其步骤包括：

（1）利用电润湿电源203给所述上电极201和下电极202之间施加电势差，由于电润湿效应，疏水性介电材料层103由疏水性转变为亲水性，所述工作液体400浸润此区域，并在所述吸附面开孔107处形成突出的液滴；

（2）用此突出的液滴触碰小微物体300，粘附力和液体表面张力使得小微物体300可跟随微夹持器移动，实现对小微物体300的夹持；

（3）利用电润湿电源203消除所述上电极201和下电极202之间的电势差，所述下电极202表面铺设的疏水性介电材料层103重新由亲水性转变为疏水性，所述工作液体400不能浸润此区域而具有离开疏水性介电材料层103，回流到所述流道104内的亲水层101区域；小微物体300表面粘附的工作液体400和流道104中的工作液体400断开，吸附面106和小微物体300之间不再有工作液体400，小微物体300从吸附面106脱落，实现对小微物体300的释放。

Claims (13)

1.一种电润湿微夹持器，其特征在于：包括夹持器基体、疏水性介电材料层、上电极和下电极，所述夹持器基体开设有上下贯通的流道，所述流道的上部为压力调节孔，所述压力调节孔上连接有气压控制装置，所述流道的下部为吸附面开孔，靠近吸附面开孔的所述夹持器基体底面的内侧形成吸附面，所述吸附面及所述流道内壁的下部均铺设下电极，所述下电极的表面铺设疏水性介电材料层，所述疏水性介电材料层以外的流道内壁铺设有亲水层，所述夹持器基体底面的外侧铺设疏水层，所述流道在铺设亲水层的区域内充满可夹持小微物体的工作液体，所述上电极从夹持器基体的顶面延伸至工作液体内，且始终与工作液体保持接触，所述上电极和下电极通过导线或电路布线连接有可施加或消除电势差的电润湿电源。

2.根据权利要求1所述的一种电润湿微夹持器，其特征在于：所述工作液体为水、无机水溶液、有机水溶液、植物油、矿物油或液态金属中的一种。

3.根据权利要求2所述的一种电润湿微夹持器，其特征在于：所述工作液体的表面能不大于所述亲水层的表面能和施加电势差时的疏水性介电材料层的表面能，且大于所述疏水层表面能和未施加电势差时的疏水性介电材料层表面能。

4.根据权利要求1所述的一种电润湿微夹持器，其特征在于：所述亲水层的材料为环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯腈、聚砜或聚乙烯醇中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种电润湿微夹持器，其特征在于：所述疏水层的材料为聚四氟乙烯或聚六氟丙稀，或为纳米表面疏水结构的材料。

6.根据权利要求1所述的一种电润湿微夹持器，其特征在于：所述疏水性介电材料层的材料为聚四氟乙烯或聚六氟丙稀。

7.根据权利要求1所述的一种电润湿微夹持器，其特征在于：在铺设亲水层的所述流道内设置有可存储、缓冲工作液体的蓄液腔。

8.根据权利要求1所述的一种电润湿微夹持器，其特征在于：所述亲水层由上至下设置成多段，多段亲水层的亲水性强度由上至下逐渐增大。

9.根据权利要求8所述的一种电润湿微夹持器，其特征在于：所述吸附面开孔处设置成可使工作液体能平缓流动的圆弧倒角。

10.根据权利要求1所述的一种电润湿微夹持器，其特征在于：所述夹持器基体上设置有延伸至工作液体内的液体隔断装置。

11.根据权利要求10所述的一种电润湿微夹持器，其特征在于：所述液体隔断装置为可使局部工作液体迅速气化的电加热器。

12.根据权利要求1所述的一种电润湿微夹持器，其特征在于：所述微夹持器所夹持的小微物体的尺度范围为0.1微米数量级至厘米数量级。

13.一种如权利要求1至12任一项所述的小微物体的夹持方法，其特征在于，基于电润湿效应实现对小微物体的夹持和释放，其步骤包括：

（1）利用电润湿电源给所述上电极和下电极之间施加电势差，由于电润湿效应，疏水性介电材料层由疏水性转变为亲水性，所述工作液体浸润此区域，并在所述吸附面开孔处形成突出的液滴；

（2）用此突出的液滴触碰小微物体，粘附力和液体表面张力使得小微物体可跟随微夹持器移动，实现对小微物体的夹持；

（3）利用电润湿电源消除所述上电极和下电极之间的电势差，所述下电极表面铺设的疏水性介电材料层重新由亲水性转变为疏水性，所述工作液体不能浸润此区域而具有离开疏水性介电材料层，回流到所述流道内的亲水层区域；小微物体表面粘附的工作液体和流道中的工作液体断开，吸附面和小微物体之间不再有工作液体，小微物体从吸附面脱落，实现对小微物体的释放。

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