CN210575891U - 一种基于毛细力的微器件操作装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于毛细力的微器件操作装置，属于微操作技术领域，将液滴生成机构、移动操作机构和顶视图机构均设置在减振台上，在减振台上进行操作能够减小外部振动对微器件操作的影响，从而在毛细力的作用下完成对微器件的高效、高精度拾取、转移和释放。通过计算机能够集成控制微量推进泵、工业相机及三维电动位移平台，可实现微器件操作过程的自动化控制。本实用新型的基于毛细力的微器件操作装置结构简单，能够实现自动化控制，操作方便，易于实现工业化生产。

Description

一种基于毛细力的微器件操作装置

技术领域

本实用新型属于微操作设备技术领域，具体涉及一种基于毛细力的微器件操作装置。

背景技术

随着智能设备与可穿戴设备的出现，进一步促进了电子产品向微小型化、多功能化、柔性化的方向发展，人们对电子产品的质量也提出了越来越高的要求。然而由于尺度效应的存在，使得对微器件的操作变得十分具有挑战性。目前常见的微操作技术主要分为接触式和非接触式：接触式微操作方法是基于压电、真空等。非接触式的微操作方法则是基于场力，例如电场、磁场、光、声波。

但是，现有技术中，接触式微操作方法容易对微型器件造成损坏，而基于场力的非接触式微操作装置易受外部因素干扰，且通常对器件材料有特殊要求，如基于磁场力，通常需要微器件本身具备磁性或做磁化处理；基于静电力，会产生静电破坏；基于光镊，会产生光损伤。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于毛细力的微器件操作装置，采用常规材料和部件，利用非接触的方式实现对微器件的高效、高精度拾取、转移、释放。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

本实用新型公开的一种基于毛细力的微器件操作装置，包括减振台，液滴生成机构，移动操作机构，斜视图机构，控制器以及计算机；

所述液滴生成机构包括微量推进泵和注射针头，微量推进泵上设置有第一注射器及第二注射器，使用时，第一注射器及第二注射器能够与注射针头连接；

所述移动操作机构包括电动移动平台和手动移动平台，电动移动平台为XYZ 三维电动位移平台，手动移动平台包括XY二维手动移动平台和XYZ三维手动移动平台，上述三个移动平台均通过其各自的Y轴移动台固定在减振台上；

注射针头可拆卸固定在XYZ三维电动位移平台上，在XY二维手动移动平台上可拆卸固定有载物台；

在所述XYZ三维手动移动平台上设有第一显微镜头，在第一显微镜头上可拆卸连接有第一工业相机；

所述斜视图机构，包括第二显微镜头及与其可拆卸相连的第二工业相机，以及用于调整第二显微镜头和第二工业相机的位置及角度的调节机构；

所述控制器与计算机电性相连，计算机能够集成控制微量推进泵、XYZ三维电动位移平台、第一工业相机及第二工业相机作业。

优选地，所述第一显微镜头通过第一镜头夹持器可拆卸固定在所述XYZ三维手动移动平台上。

优选地，所述调节机构包括安装在减振台上的连接块，连接块上设有支撑杆，第二显微镜头通过第二镜头夹持器连接在支撑杆上。

优选地，所述注射针头设有若干个，所述第一注射器及第二注射器能够通过不同直径的塑料软管与若干个注射针头密封连接。

优选地，所述注射针头通过针头夹持器固定在XYZ电动位移平台上。

优选地，所述微量推进泵上还设置有手动操作面板，能够利用手动输入的方式对液体的输送量与速度进行控制。

优选地，所述控制器为四通道伺服控制器，XYZ三维电动位移平台的三个马达分别接至四通道伺服控制器的其中三个通道上。

优选地，微量推进泵、第一工业相机及第二工业相机均采用自带电缆与所述计算机相连。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型公开的基于毛细力的微器件操作装置，将液滴生成机构、移动操作机构和顶视图机构均设置在减振台上，在减振台上进行操作能够减小外部振动对微器件操作的影响，从而在毛细力的作用下完成对微器件的高效、高精度拾取、转移和释放。该操作装置可通过设置多个载物台来实现对微器件的大范围内操作，其中，三维电动位移平台用来控制注射针头的快速、高精度三维运动，从而实现微器件的快速、高精度转移，三维手动位移台和斜视图机构则主用来调整相机位置或者角度，使工作台处于工业相机的焦距范围内；装置通过安装工业相机和显微镜头，能够对微器件的整个操作过程进行实时监测并记录操作结果。此外，通过计算机能够集成控制微量推进泵、工业相机及三维电动位移平台，可实现微器件操作过程的自动化控制。该装置结构简单，操作方便，且能够进行自动化控制，易于实现工业化生产。

进一步地，还可以通过增加注射针头的数量来实现对多个微器件的同时操作，从而显著提高微器件操作效率。

附图说明

图1为本实用新型基于毛细力的微器件操作装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中微器件操作过程示意图；

图3为本实用新型实施例中微器件操作过程示意图；

图4为本实用新型实施例中微器件操作过程示意图；

其中：1-第三Y轴手动位移台，2-第二X轴手动位移台，3-第二L型连接板， 4-第一工业相机，5-第一镜头夹持器，6-第一显微镜头，7-Z轴手动位移台，8- 第二工业相机，9-支撑杆，10-第二镜头夹持器，11-滑块，12-第二显微镜头，13- 注射针头，14-载物台，15-注射针头夹持器，16-第二连接板，17-Z轴电动位移台， 18-第一L型连接板，19-X轴电动位移台，20-第二注射器，21-第一注射器，22-微量推进泵，23-减振台，24-塑料软管，25-第一连接板，26-Y轴电动位移台，27- 第一X轴手动位移台，28-第一Y轴手动位移台，29-连接块，30-释放基底，31- 第一液滴，32-第二液滴，33-微器件，34-第一液桥，35-微器件承载基底，36-第二液桥。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

如图1所示，本实用新型的公开的一种基于毛细力的微器件操作装置，包括减振台23，液滴生成机构，移动操作机构，斜视图机构，控制器以及计算机；

所述液滴生成机构包括微量推进泵22和注射针头13，微量推进泵22上设置有第一注射器21及第二注射器20，使用时，第一注射器21及第二注射器20能够与注射针头13连接；所述移动操作机构包括电动移动平台和手动移动平台，电动移动平台为XYZ三维电动位移平台，手动移动平台包括XY二维手动移动平台和XYZ三维手动移动平台，上述三个移动平台均通过其各自的Y轴移动台固定在减振台23上；注射针头13可拆卸固定在XYZ三维电动位移平台上，在 XY二维手动移动平台上可拆卸固定有载物台14；在所述XYZ三维手动移动平台上设有第一显微镜头6，在第一显微镜头6上可拆卸连接有第一工业相机4；所述斜视图机构，包括第二显微镜头12及与其可拆卸相连的第二工业相机8，以及用于调整第二显微镜头12和第二工业相机8的位置及角度的调节机构；所述控制器与计算机电性相连，计算机能够集成控制微量推进泵22、XYZ三维电动位移平台、第一工业相机4及第二工业相机8作业。

所述第一显微镜头6通过第一镜头夹持器5可拆卸固定在所述XYZ三维手动移动平台上；所述调节机构包括安装在减振台23上的连接块29，连接块29 上设有支撑杆9，第二显微镜头12通过第二镜头夹持器10连接在支撑杆9上；

所述注射针头13可设置多个，所述第二注射器20及第一注射器21能够通过不同直径的塑料软管24与注射针头13密封连接；所述计算机集成控制第一工业相机4、第二工业相机8及XYZ电动位移平台工作；所述注射针头13通过针头夹持器15上的螺纹固定在XYZ电动位移平台上；

所述微量推进泵22上还设置有手动操作面板，也能够利用手动输入的方式对泵内液体输送的量与速度进行控制。

实施例

参见图1，在减振台23上固定有Y轴电动位移台26，Y轴电动位移台26的载物块上固定有第一连接板25，第一连接板25通过内六角螺栓固定有X轴电动位移台19，X轴电动位移台19的载物块上通过内六角螺栓固定有第一L型连接板18，第一L型连接板18通过内六角螺栓固定有Z轴电动位移台17，Z轴电动位移台17的载物块上通过螺栓固定有第二连接板16，第二连接板16通过内六角螺栓固定有注射针头夹持器15，针头夹持器15上设置有注射针头13，注射针头可设置多个；

X轴电动位移台19的载物块能够沿X轴方向移动，Y轴电动位移台26的载物块能够沿Y轴方向移动，Z轴电动位移台17的载物块能够沿Z轴方向移动； X轴电动位移台19、Y轴电动位移台26和Z轴电动位移台17组合成XYZ三维电动位移平台；

减振台23通过内六角螺栓固定有第一Y轴手动位移台28、第二Y轴手动位移台31，两个Y轴手动位移台的载物块上通过内六角螺栓分别固定第一X轴手动位移台27、第二X轴手动位移台2，第一X轴手动位移台27通过内六角螺栓分别固定有载物台14，第二X轴手动位移台2和通过内六角螺栓别固定有第二L 型连接板3，第二L型连接板3通过内六角螺栓分别固定有Z轴手动位移台7， Z轴手动位移台7的载物块上通过内六角螺栓固定有第一镜头夹持器5，第一镜头夹持器5支撑有第一显微镜头6，减振台23上通过内六角螺栓固定有连接块29，连接块29通过自带螺纹固定有支撑杆9，支撑杆9上设置有滑块11，滑块 11上设置有第二镜头夹持器10，第二镜头夹持器10上支撑有第二显微镜头12，第一显微镜头6与第二显微镜头12均通过自带螺纹分别与第一工业相机4和第二工业相机8连接；

第一Y轴手动位移台28和第三Y轴手动位移台1均可通过手动控制沿Y轴移动，第一X轴手动位移台27和第二X轴手动位移台2均可通过手动控制沿X 轴移动，Z轴手动位移台7均7可通过手动控制沿Z轴移动，第一Y轴手动位移台28与第一X轴手动位移台27形成XY二维手动移动平台，第二Y轴手动位移台1、第二X轴手动位移台2与Z轴手动位移台7形成XYZ三维手动移动平台；

减振台23上设置有微量推进泵22，微量推进泵22上设置有第一注射器21 和第二注射器20，第一注射器21、第二注射器20可与注射针头13通过不同直径的塑料软管24密封连接；

X轴电动位移台19、Y轴电动位移台26和Z轴电动位移台17均通过电缆与控制器连接；

所用控制器为四通道伺服控制器，控制器通过RS232直接串口线与计算机 COM口连接，微量控制泵22、第一工业相机4、第二工业相机8均采用自带电缆与计算机相连。

X轴电动位移台19、Y轴电动位移台26和Z轴电动位移台17均通过直流电机驱动滚珠丝杠来带动载物块实现往复直线运动，主要参数：行程25mm，最大速度20mm/s，最小位移0.2μm。

上述基于毛细力的微器件操作装置的操作方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按照制备工艺制造微器件及释放基底样品；

步骤2，将制备好的样品安装到载物台14上，微器件的拾取、转移、释放既可在一个载物台内进行，也可在多个载物台之间实现，可根据实际需求决定；

步骤3，通过控制器控制X轴电动位移台19、Y轴电动位移台26和Z轴电动位移台17，使得注射针头13处于释放基底上目标位置的正上方；

步骤4，使用微量推进泵22通过第一注射器21将液体输送至注射针头13，并在释放基底上的目标位置注射一个液滴；

步骤5，控制注射针头13运动，使注射针头13处于待拾取微器件的正上方，使用微量推进泵22通过第一注射器21将液体输送至注射针头13，并形成液滴；

步骤6，控制注射针头13向下运动，使得液滴与微器件接触并形成液桥，控制注射针头13向上抬起，完成微器件的拾取；

步骤7，控制注射针头13运动，将微器件带动至释放基底上目标位置的正上方，完成微器件的转移；

步骤8，控制注射针头13向下运动，使得微器件与释放基底上的液滴相接触并形成液桥；

步骤9，控制注射针头13向上运动，由于微器件与基底之间的毛细力大于微器件与注射针头之间的毛细力，当注射针头上升到一定位置时，上方液桥发生断裂，也就完成了微器件的释放；

步骤10，重复上述步骤，可完成对多个微器件的拾取、转移、释放。

上述的基于毛细力的微器件操作装置的工作原理是：

微量推进泵22、X轴电动位移台17、Y轴电动位移台26和Z轴电动位移台 17的驱动程序安装到计算机上后，便可在各自的控制软件面板下进行操作来独立控制，将以上驱动程序集成为一体便能够实现对硬件的统一控制。控制器控制XYZ三维电动位移平台运动，从而带动注射针头13在X、Y和Z三个维度上进行移动，微量推进泵22将第一注射器21或第二注射器20中的液体输送至注射针头13处并形成液滴。5个手动位移台均为手动控制，XY二维手动位移平台和 XYZ三维手动位移平台的整体位置可以通过改变第一Y轴手动位移台28、第三 Y轴手动位移台1在减振台23上的安放位置来调整，之后再通过手动调整X/Y/Z 轴的位置来确定载物台14、第一工业相机4的位置，并保证载物台14以及第一工业相机4在操作过程中保持不动，以便XYZ三维电动位移平台做相应运动来完成对微器件的操作。顶视图机构中由连接块29、支撑杆9、滑块11、第二镜头夹持器10组成的调节机构，可用于调整第二工业相机8与第二显微镜头12的位置及角度。第一工业相机4和第二工业相机8及第一显微镜头6和第二显微镜头 12主要负责对操作过程进行实时监测，并观测、记录操作结果。

具体地操作过程，参见图2～图4，包括以下步骤：

步骤1，按照制备工艺制造微器件33及释放基底30，将制备好的微器件33 放置于微器件承载基底35上，再将释放基底30及微器件承载基底35安装到载物台14上，微器件的拾取、转移、释放既可在一个载物台内进行，也可在多个载物台之间实现，可根据实际需求决定，通过控制器控制X轴电动位移台19、Y 轴电动位移台26和Z轴电动位移台17，使得注射针头13处于释放基底30上目标位置的正上方，使用微量推进泵22通过第一注射器21将液体输送至注射针头 13，如图2所示，在释放基底30上的目标位置上注射第一液滴31，控制注射针头13运动，使其处于待拾取微器件33的正上方，使用微量推进泵22通过第一注射器21将液体输送至注射针头13，并形成第二液滴32；

步骤2：如图3所示，控制注射针头13向下运动，使得第二液滴32与微器件33接触并形成第一液桥34，控制注射针头13向上抬起，完成对微器件33的拾取；

步骤3：控制注射针头13运动，将微器件33带动至释放基底30上目标位置的正上方，完成对微器件33的转移；

步骤4：如图4所示，控制注射针头13向下运动，使得微器件33与目标位置上的第一液滴31相接触并形成第二液桥36，控制注射针头13向上运动，由于第二液桥36产生的毛细力大于第一液桥34产生的毛细力，当注射针头13上升到一定位置时，第一液桥34发生断裂，完成微器件33的释放；

根据需求重复上述步骤，可完成对多个微器件的拾取、转移、释放。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于毛细力的微器件操作装置，其特征在于，包括减振台(23)，液滴生成机构，移动操作机构，斜视图机构，控制器以及计算机；

所述液滴生成机构包括微量推进泵(22)和注射针头(13)，微量推进泵(22)上设置有第一注射器(21)及第二注射器(20)，使用时，第一注射器(21)及第二注射器(20)能够与注射针头(13)连接；

所述移动操作机构包括电动移动平台和手动移动平台，电动移动平台为XYZ三维电动位移平台，手动移动平台包括XY二维手动移动平台和XYZ三维手动移动平台，上述三个移动平台均通过其各自的Y轴移动台固定在减振台(23)上；

注射针头(13)可拆卸固定在XYZ三维电动位移平台上，在XY二维手动移动平台上可拆卸固定有载物台(14)；

在所述XYZ三维手动移动平台上设有第一显微镜头(6)，在第一显微镜头(6)上可拆卸连接有第一工业相机(4)；

所述斜视图机构，包括第二显微镜头(12)及与其可拆卸相连的第二工业相机(8)，以及用于调整第二显微镜头(12)和第二工业相机(8)的位置及角度的调节机构；

所述控制器与计算机电性相连，计算机能够集成控制微量推进泵(22)、控制XYZ三维电动位移平台、第一工业相机(4)及第二工业相机(8)作业。

2.根据权利要求1所述的基于毛细力的微器件操作装置，其特征在于，所述第一显微镜头(6)通过第一镜头夹持器(5)可拆卸固定在所述XYZ三维手动移动平台上。

3.根据权利要求1所述的基于毛细力的微器件操作装置，其特征在于，所述调节机构包括安装在减振台(23)上的连接块(29)，连接块(29)上设有支撑杆(9)，第二显微镜头(12)通过第二镜头夹持器(10)连接在支撑杆(9)上。

4.根据权利要求1所述的基于毛细力的微器件操作装置，其特征在于，所述注射针头(13)设有若干个，所述第一注射器(21)及第二注射器(20)能够通过不同直径的塑料软管(24)与若干个注射针头(13)密封连接。

5.根据权利要求1所述的基于毛细力的微器件操作装置，其特征在于，所述注射针头(13)通过针头夹持器(15)固定在XYZ电动位移平台上。

6.根据权利要求1所述的基于毛细力的微器件操作装置，其特征在于，所述微量推进泵(22)上还设置有手动操作面板，能够利用手动输入的方式对液体的输送量与速度进行控制。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的基于毛细力的微器件操作装置，其特征在于，所述控制器为四通道伺服控制器，XYZ三维电动位移平台的三个马达分别接至四通道伺服控制器的其中三个通道上。

8.根据权利要求1～6中任意一项所述的基于毛细力的微器件操作装置，其特征在于，所述微量推进泵(22)、第一工业相机(4)及第二工业相机(8)均采用自带电缆与所述计算机相连。

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