RU2678699C1 - Device for manipulation of micro-and nano-objects with storage function - Google Patents
Device for manipulation of micro-and nano-objects with storage function Download PDFInfo
- Publication number
- RU2678699C1 RU2678699C1 RU2018112436A RU2018112436A RU2678699C1 RU 2678699 C1 RU2678699 C1 RU 2678699C1 RU 2018112436 A RU2018112436 A RU 2018112436A RU 2018112436 A RU2018112436 A RU 2018112436A RU 2678699 C1 RU2678699 C1 RU 2678699C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- actuator
- amorphous
- crystalline
- micro
- nano
- Prior art date
Links
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 20
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 19
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims abstract description 19
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000006870 function Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 15
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 15
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims description 13
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims description 13
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 5
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 claims description 4
- 229910010165 TiCu Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910002056 binary alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 24
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 16
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 3
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 abstract description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000000048 melt cooling Methods 0.000 description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 4
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 239000000109 continuous material Substances 0.000 description 2
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000007578 melt-quenching technique Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 229910018054 Ni-Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018481 Ni—Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 1
- 101100460147 Sarcophaga bullata NEMS gene Proteins 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005280 amorphization Methods 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000003303 reheating Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 102220253765 rs141230910 Human genes 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N telluride(2-) Chemical compound [Te-2] XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 1
- NLLZTRMHNHVXJJ-UHFFFAOYSA-J titanium tetraiodide Chemical compound I[Ti](I)(I)I NLLZTRMHNHVXJJ-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J7/00—Micromanipulators
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
- B32B5/14—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by a layer differing constitutionally or physically in different parts, e.g. denser near its faces
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
- C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
- F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Robotics (AREA)
- Manipulator (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области механики, микросистемной техники и наномеханики, в частности к технике устройств на основе материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ), и может найти применение в области радиоэлектроники, машиностроения, биотехнологии, электронной микроскопии, медицины.The invention relates to the field of mechanics, microsystemic engineering and nanomechanics, in particular to the technique of devices based on materials with shape memory effect (EPF), and can find application in the field of radio electronics, mechanical engineering, biotechnology, electron microscopy, medicine.
Известно изобретение «Композитный функциональный материал» (Патент RU №2381903, МПК В32В 15/01; C22F 1/00, опубликовано 20.02.2010 Бюл. №5), который содержит, по крайней мере, два слоя, прочно соединенных друг с другом по плоскости, один из которых выполнен из материала, обладающего обратимой деформацией при изменении внешнего поля в рабочем диапазоне, а второй слой выполнен из упругопластического материала, имеющего предел текучести, находящийся в интервале деформаций композитного функционального материала, возникающих в нем при изменении внешнего поля в рабочем диапазоне. В качестве внешнего поля используют температурное поле, магнитное поле или поле механических напряжений сжатия или растяжения, при этом материал слоев зависит от используемого внешнего поля.The invention is known "Composite functional material" (Patent RU No. 2381903, IPC BVB 15/01;
Недостатком данного изобретения является низкая надежность и недолговечность полученного композитного функционального материала, обусловленные тем, что из-за соединения разнородных материалов на границе слоя материала с ЭПФ и упругого слоя в процессе больших изгибных деформаций развиваются значительные механические напряжения, которые приводят к расслоению и потере работоспособности устройства, обуславливают неустойчивость устройства к циклическим нагрузкам.The disadvantage of this invention is the low reliability and fragility of the obtained composite functional material, due to the fact that due to the connection of dissimilar materials at the boundary of the material layer with the electron-phase transition and the elastic layer, significant mechanical stresses develop during large bending deformations, which lead to delamination and loss of operability of the device cause instability of the device to cyclic loads.
Известно изобретение «Актюатор, система актюаторов и способ его изготовления» (Патент RU №2305874, МПК Н01Н 61/04, опубликовано 10.09.2007), включающий упругий элемент, преимущественно двумерной конфигурации, и элемент с ЭПФ, прочно механически соединенные друг с другом плоской стороной, причем элемент с ЭПФ имеет одностороннюю деформацию растяжения или сжатия. Система актюаторов выполнена в виде множества актюаторов, соединенных параллельно. Способ изготовления актюатора включает операции изготовления упругого элемента, операцию изготовления элемента с ЭПФ и операцию механически прочного соединения элементов между собой плоскими сторонами. Перед операцией механически прочного соединения элементов с плоскими сторонами элемент с памятью формы тренируют на односторонний ЭПФ до достижения односторонней деформации растяжения или сжатия, а операцию механически прочного соединения элементов проводят при значениях внешних параметров и внешнего поля, отвечающих мартенситному состоянию элемента с памятью формы.The invention “Actuator, actuator system and method for its manufacture” is known (Patent RU No. 2305874, IPC Н01Н 61/04, published September 10, 2007), including an elastic element, mainly of a two-dimensional configuration, and an element with an electron-phase converter, firmly mechanically connected to each other flat side, moreover, the element with an electron phase transition has one-sided tensile or compression strain. The actuator system is made in the form of many actuators connected in parallel. A method of manufacturing an actuator includes operations of manufacturing an elastic element, an operation of manufacturing an element with an electron-phase converter and an operation of mechanically firmly connecting elements to each other with flat sides. Before the operation of mechanically strong connection of elements with flat sides, an element with a shape memory is trained for one-sided EPF until one-way tensile or compression deformation is achieved, and the operation of mechanically strong connection of elements is carried out at external parameters and an external field corresponding to the martensitic state of the element with shape memory.
Недостатками данного изобретения являются низкое быстродействие, сложность применения для управления микроустройством, низкая надежность и недолговечность полученного композитного функционального материала из-за соединения разнородных материалов.The disadvantages of this invention are the low speed, the complexity of the application for controlling a microdevice, low reliability and fragility of the obtained composite functional material due to the connection of dissimilar materials.
Известно изобретение «Термоэлектромеханический преобразователь для микроманипулятора (варианты)» (Патент RU №2259914, МПК 7 B25J 7/00, опубликовано 10.09.2005), в котором преобразователь на основе деформируемого стержня содержит размещенные внутри стержня спиральный электрический нагреватель и пружину изгиба, на концах которой выполнены крепежные приспособления для связывания звеньев микроманипулятора, а также нижний и верхний ряды термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье (элементов Пельтье), закрепленных на противоположных поверхностях деформируемого стержня с возможностью вращения. Деформируемый стержень выполнен из материала с ЭПФ. При исключении спирального электрического нагревателя деформируемый стрежень выполнен из электропроводникового материала с ЭПФ.The invention is known "Thermoelectromechanical transducer for a micromanipulator (options)" (Patent RU No. 2259914, IPC 7 B25J 7/00, published September 10, 2005), in which the transformer based on a deformable rod comprises a spiral electric heater and a bending spring located at the ends which made fixtures for linking the links of the micromanipulator, as well as the lower and upper rows of thermoelectric modules based on the Peltier effect (Peltier elements), mounted on opposite surfaces styah deformable rod rotatably. The deformable core is made of a material with an EPF. With the exception of the spiral electric heater, the deformable rod is made of an electrically conductive material with an electron-phase converter.
Недостатками изобретения являются выполнение его конструкции громоздкой, сложной в управление, имеющей низкое быстродействие, что делает невозможным его использование для управления микроустройством.The disadvantages of the invention are the implementation of its design is cumbersome, difficult to control, having low speed, which makes it impossible to use it to control a microdevice.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, т.е. прототипом, является изобретение «Микромеханическое устройство, способ его изготовления и система манипулирования микро- и нанообъектами» (Патент RU №2458002, МПК В81В 3/00; F03G 7/06, опубликовано 10.08.2012), в котором микромеханическое устройство содержит два плоских элемента, по крайней мере, один из которых выполнен термочувствительным и состоящим из двух прочно соединенных между собой слоев, из которых один изготовлен из сплава с ЭПФ с псевдопластической деформацией растяжения, а другой - из упругого материала. Плоские элементы соединены с одного конца, с другого конца сформирован захват для удержания объекта манипулирования. При изготовлении устройства предварительно изготовляют слой сплава с ЭПФ и вносят в него псевдопластическую деформацию растяжения, а затем соединяют его с упругим слоем, причем соединение слоев производят при температуре ниже температуры мартенситного превращения в сплаве с ЭПФ. Система манипулирования микрообъектами состоит из микромеханического устройства, закрепленного на конце микропроволоки нанопозиционера, рабочего поля с манипулируемым объектом и источника подогрева в виде полупроводникового лазера, излучение которого сфокусировано на рабочее поле системы манипулирования, включая конец микропроволоки с микропинцетом.Closest to the claimed technical solution, i.e. the prototype is the invention "a micromechanical device, a method for its manufacture and a system for manipulating micro- and nano-objects" (Patent RU No. 2458002, IPC
Недостатками данного изобретения является:The disadvantages of this invention is:
- низкая надежность и недолговечность микромеханического устройства, обусловленные тем, что из-за механического соединения разнородных материалов на границе слоя материала с ЭПФ и упругого слоя в процессе циклической работы микромеханического устройства при больших изгибных деформациях развиваются значительные механические напряжения, которые приводят к расслоению слоистого композита и быстрой потере работоспособности устройства;- low reliability and fragility of the micromechanical device, due to the fact that due to the mechanical connection of dissimilar materials at the boundary of the material layer with the EPF and the elastic layer during the cyclic operation of the micromechanical device with large bending deformations, significant mechanical stresses develop, which lead to delamination of the layered composite and rapid loss of device performance;
- низкое быстродействие устройства из-за того, что охлаждение микромеханического устройства (после срабатывания при нагреве) происходит естественным способом, что занимает значительное время в обычных условиях при комнатной температуре, а в условиях высокого вакуума, например, в камере электронного или ионного микроскопа при манипулировании микро- и нанообъектами, это время может возрастать в несколько раз, что приводит к существенному снижению быстродействия устройства и ограничению его функциональных возможностей;- low speed of the device due to the fact that the cooling of the micromechanical device (after being triggered by heating) occurs naturally, which takes considerable time under normal conditions at room temperature, and in high vacuum, for example, in the chamber of an electron or ion microscope during manipulation micro- and nano-objects, this time can increase several times, which leads to a significant decrease in the speed of the device and the limitation of its functionality;
- невозможность длительного удержания и хранения отдельных микро- и нанообъектов без затрат дополнительной энергии.- the impossibility of long-term retention and storage of individual micro- and nano-objects without the cost of additional energy.
Технический результат заключается в повышении быстродействия, надежности, срока службы и расширения функциональных возможностей, в том числе, реализации функции хранения микро- и нанообъектов, устройства для манипулирования микро- и нанообъектами.The technical result consists in increasing speed, reliability, service life and expanding functionality, including the implementation of the storage function of micro- and nano-objects, a device for manipulating micro- and nano-objects.
Технический результат достигается созданием устройства для манипулирования микро- и нанообъектами с функцией хранения, включающего микромеханический актюатор с системой подогрева, причем актюатор содержит неподвижный и подвижный плоские элементы, расположенные вдоль его оси, подвижный элемент выполнен термочувствительным, состоящим из двух слоев, причем один из слоев изготовлен из сплава с эффектом памяти формы, а другой - из упругого материала, при этом оба элемента соединены с одного конца актюатора, а с другого конца сформирован захват для удержания микро- или нанообъектов, микромеханический актюатор выполнен за счет изготовления протяженного сквозного отверстия в слоистом композиционном материале с обратимым эффектом памяти формы, включающем кристаллический и аморфный слои с их сплошным неразрывным соединением на границе между ними и одинаковым химическим составом по обе стороны границы, таким образом, что неподвижный элемент выполнен аморфным, а подвижный термочувствительный элемент - аморфно-кристаллическим с кристаллическим слоем на внешней стороне актюатора, причем кристаллический слой обладает памятью формы и является псевдопластически растянутым, а аморфный слой является упругим, при этом оба элемента выполнены с возможностью увеличения зазора захвата до максимального значения при увеличении температуры в интервале мартенситного превращения в кристаллическом слое и уменьшения зазора захвата до минимального значения при уменьшении температуры в интервале мартенситного превращения в кристаллическом слое; система подогрева представляет собой модуль температурного контроля, включающий контроллер, консоль с контактами, по меньшей мере, один элемент Пельтье, термистор, теплопроводящую пластину, коннектор, выполненный с возможностью установки устройства на микро- или наноманипулятор, на коннекторе одним концом закреплена консоль с контактами, а на другом ее конце размещен элемент Пельтье, на противоположной стороне которого расположена теплопроводящая пластина с закрепленными на ней термистором и микромеханическим актюатором, а контроллер через контакты на консоли электрически соединен с элементом Пельтье и термистором.The technical result is achieved by the creation of a device for manipulating micro- and nano-objects with a storage function, including a micromechanical actuator with a heating system, the actuator containing a fixed and movable flat elements located along its axis, the movable element is made of heat-sensitive, consisting of two layers, and one of the layers made of an alloy with a shape memory effect and the other made of an elastic material, both elements being connected at one end of the actuator and formed at the other end watts for holding micro- or nano-objects, the micromechanical actuator is made by manufacturing an extended through hole in a layered composite material with a reversible shape memory effect, including crystalline and amorphous layers with their continuous inextricable connection on the border between them and the same chemical composition on both sides of the border, so that the fixed element is amorphous, and the movable heat-sensitive element is amorphous-crystalline with a crystalline layer on the outside of the actu torus, moreover, the crystalline layer has a shape memory and is pseudoplastic stretched, and the amorphous layer is elastic, while both elements are configured to increase the capture gap to a maximum value with increasing temperature in the range of martensitic transformation in the crystalline layer and reduce the capture gap to a minimum value at a decrease in temperature in the range of martensitic transformation in the crystalline layer; the heating system is a temperature control module, including a controller, a console with contacts, at least one Peltier element, a thermistor, a heat-conducting plate, a connector configured to install the device on a micro or nanomanipulator, a console with contacts is fixed at one end of the connector, and at its other end there is a Peltier element, on the opposite side of which there is a heat-conducting plate with a thermistor and a micromechanical actuator fixed to it, and the controller p through the contacts on the console is electrically connected to the Peltier element and the thermistor.
В частном случае модуль температурного контроля выполнен с возможностью двунаправленного пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования.In the particular case, the temperature control module is configured to bi-directional proportional-integral-differential control.
Предлагается также способ изготовления микромеханического актюатора, в котором сверхбыстрой закалкой из расплава получают слоистый композиционный материал с обратимым эффектом памяти формы в виде ленты, включающий кристаллический и аморфный слои с их сплошным неразрывным соединением на границе между ними и одинаковым химическим составом по обе стороны границы, при этом в аморфном слое композиционного материала делают протяженное сквозное отверстие вдоль ленты параллельно границе между слоями и формируют подвижный и неподвижный элементы актюатора таким образом, что с одного конца актюатора оставляют оба элемента соединенными, а с другого конца актюатора создают захват для удержания микро- или нанообъектов путем разъединения элементов прорезью на расстояние, которое соответствует минимальному размеру захватываемого объекта, при этом положение и ширину прорези выбирают достаточными для получения неподвижного элемента аморфным, а подвижного элемента - аморфно-кристаллическим термочувствительным, обладающим обратимым эффектом памяти формы, с возможностью обратимо изменять величину зазора захвата при изменении температуры в интервале мартенситного превращения в кристаллическом слое, причем путем варьирования положения и ширины прорези изменяют также соотношение толщин аморфного и кристаллического слоев в термочувствительном подвижном элементе, которое определяет максимальный зазор захвата при нагреве термочувствительного элемента выше температуры конца обратного мартенситного превращения в кристаллическом слое и, соответственно, максимальный размер захватываемого объекта.A method for manufacturing a micromechanical actuator is also proposed in which ultrafast quenching from a melt produces a layered composite material with a reversible shape memory effect in the form of a tape, including crystalline and amorphous layers with their continuous inextricable connection on the border between them and the same chemical composition on both sides of the border, this, in the amorphous layer of the composite material make an extended through hole along the tape parallel to the boundary between the layers and form a movable and fixed electric Actuator copes in such a way that both elements are left connected at one end of the actuator, and a grip is created at the other end of the actuator to hold micro- or nano-objects by separating the elements with a slot at a distance that corresponds to the minimum size of the captured object, while the position and width of the slot are selected sufficient to obtain a fixed element amorphous, and a moving element - amorphous-crystalline heat-sensitive, with a reversible shape memory effect, with the possibility of reversing it is possible to change the size of the capture gap when the temperature varies in the range of the martensitic transformation in the crystalline layer, and by varying the position and width of the slot, the ratio of the thicknesses of the amorphous and crystalline layers in the heat-sensitive movable element also changes, which determines the maximum capture gap when the heat-sensitive element is heated above the temperature of the end of the inverse martensitic transformations in the crystalline layer and, accordingly, the maximum size of the captured object.
В частном случае для изготовления микромеханического актюатора выбирают сплавы квазибинарной системы TiNi-TiCu с содержанием меди от 17 до 34 ат. %.In a particular case, for the manufacture of a micromechanical actuator, alloys of the TiNi-TiCu quasibinary system with a copper content of 17 to 34 at. %
Кроме того, формирование захвата выполняют методом селективного ионного травления.In addition, the capture is carried out by selective ion etching.
Повышение надежности и срока службы предложенного устройства для манипулирования микро- и нанообъектами достигается за счет повышения стабильности и долговечности работы микромеханического актюатора, изготовленного с применением слоистого композиционного материала с обратимым ЭПФ, который получают в одном технологическом процессе, формируя аморфный и кристаллический слои с неразрывным соединением структурных фаз на их границе, поэтому в отличие от прототипа термочувствительный подвижный элемент актюатора представляет собой слоистый аморфно-кристаллический композит без механического соединения слоев и сплошной материал одного химического состава.Improving the reliability and service life of the proposed device for manipulating micro- and nano-objects is achieved by increasing the stability and durability of the micromechanical actuator made using a layered composite material with reversible EPF, which is obtained in one technological process, forming amorphous and crystalline layers with an inextricable connection of structural phases at their boundary, therefore, in contrast to the prototype, the heat-sensitive movable element of the actuator is layers a simple amorphous-crystalline composite without mechanical bonding of layers and a continuous material of the same chemical composition.
При нагреве микромеханического актюатора происходит увеличение зазора захвата до максимального значения, а при охлаждении - уменьшение зазора захвата до минимального значения, поэтому устройство способно захватывать малые объекты, у которых хотя бы один из размеров превышает минимальную величину зазора захвата, например, нанообъекты (углеродная нанотрубка, графеновый лист, вискер и т.п.), и удерживать их неограниченное время без приложения дополнительной энергии, реализуя функцию хранения микро- и нанообъектов.When the micromechanical actuator is heated, the capture gap increases to the maximum value, and when cooling, the capture gap decreases to the minimum value; therefore, the device is capable of capturing small objects with at least one of the sizes exceeding the minimum capture gap, for example, nano-objects (carbon nanotube, graphene sheet, whisker, etc.), and hold them unlimited time without the application of additional energy, realizing the function of storing micro- and nano-objects.
В свою очередь управление актюатором с помощью модуля температурного контроля на основе элементов Пельтье позволяет поддерживать заданную температуру или отрабатывать заданный режим нагрева и охлаждения во времени с высокой точностью и скоростью, обеспечивая повышение быстродействия устройства по сравнению с прототипом.In turn, control of the actuator using a temperature control module based on Peltier elements allows you to maintain a given temperature or work out a given heating and cooling mode in time with high accuracy and speed, providing increased device performance compared to the prototype.
Таким образом, все вышесказанное в совокупности расширяет функциональные возможности устройства для манипулирования микро- и нанообъектами, что увеличивает эффективность его применения в различных областях техники и медицины.Thus, all of the above together expands the functionality of the device for manipulating micro- and nano-objects, which increases the efficiency of its use in various fields of technology and medicine.
Заявленное изобретение поясняется следующими рисунками.The claimed invention is illustrated by the following figures.
Фиг. 1 - показано устройство для манипулирования микро- и нанообъектами.FIG. 1 - shows a device for manipulating micro and nanoobjects.
Фиг. 2 - показан микромеханический актюатор для захвата микро- и нанообъектов (микропинцет) в исходном (а, в) и нагретом (б, г) состояниях.FIG. 2 - shows a micromechanical actuator for capturing micro- and nano-objects (micro-tweezers) in the initial (a, c) and heated (b, d) states.
Фиг. 3 - показано изображение типичного поперечного сечения аморфно-кристаллического композиционного материала в виде ленты (а) и схема установки для получения аморфно-кристаллических лент из сплава с ЭПФ методом быстрой закалки из расплава (б).FIG. 3 shows an image of a typical cross-section of an amorphous-crystalline composite material in the form of a tape (a) and a diagram of a plant for producing amorphous-crystalline ribbons from an alloy with an EPP by fast quenching from a melt (b).
Фиг. 4 - показаны изображения поперечного сечения быстрозакаленных аморфно-кристаллических лент из сплава Ti50Ni50Cu25, полученных при скоростях охлаждения 9⋅105 К/с (а), 7⋅105 К/с (б), 5⋅105 К/с (в).FIG. Figure 4 shows cross-sectional images of rapidly quenched amorphous-crystalline ribbons of Ti 50 Ni 50 Cu 25 alloy obtained at cooling rates of 9⋅10 5 K / s (a), 7⋅10 5 K / s (b), 5⋅10 5 K / s (c).
Фиг. 5 - показано схематическое изображение процесса получения быстрозакаленного слоистого аморфно-кристаллического композита (а, б) и его формоизменения при термоциклировании в интервале мартенситного превращения (в, г).FIG. 5 - shows a schematic representation of the process for producing a rapidly quenched layered amorphous-crystalline composite (a, b) and its shape during thermal cycling in the range of martensitic transformation (c, d).
Фиг. 6 - показан пример обратимого изменения формы отрезка быстрозакаленной аморфно-кристаллической ленты из сплава Ti50Ni50Cu25 в цикле нагрев-охлаждение.FIG. 6 shows an example of a reversible change in the shape of a segment of a rapidly quenched amorphous-crystalline ribbon of an alloy Ti 50 Ni 50 Cu 25 in a heating-cooling cycle.
Фиг. 7 - показан пример микромеханического актюатора, изготовленного на конце отрезка ленты из сплава с обратимым ЭПФ.FIG. 7 shows an example of a micromechanical actuator made at the end of a piece of tape from an alloy with a reversible EPF.
Фиг. 8 - показан пример микромеханического актюатора, закрепленного на конически заостренном конце микропроволоки.FIG. 8 shows an example of a micromechanical actuator mounted on a conically pointed end of a microwire.
Ниже приведен пример конкретной реализации устройства. Устройство для манипулирования микро- и нанообъектами с функцией хранения (Фиг. 1) содержит микромеханический актюатор 1 и систему подогрева, представляющую модуль температурного контроля, включающий контроллер (не показан), по меньшей мере один элемент Пельтье 2, термистор 3, консоль 4 с контактами 5, теплопроводящую пластину 6, коннектор 7, выполненный с возможностью установки устройства на микро- или наноманипулятор с помощью выступающей части 8, на коннекторе 7 одним концом закреплена консоль 4 с контактами 5, а на другом ее конце размещен элемент Пельтье 2, на противоположной стороне которого расположена теплопроводящая пластина 6 с закрепленными на ней термистором 3 и микромеханическим актюатором 1, а контроллер через контакты 5 на консоли 4 электрически соединен с элементом Пельтье 2 и термистором 3.The following is an example of a specific device implementation. A device for manipulating micro- and nano-objects with a storage function (Fig. 1) contains a
В устройстве для манипулирования микро- и нанообъектами с функцией хранения (Фиг. 1) микромеханический актюатор (микропинцет) 1 закрепляют на теплопроводящей пластине 6, сделанной, например, из серебра. Теплопроводящая пластина 6 расположена на элементе Пельтье 2, состоящем из одной или более пар миниатюрных полупроводниковых параллелепипедов - одного n-типа и одного p-типа в паре (например, теллурида висмута Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек, например, ТЕ-12-0.45-1.3, который ее нагревает или охлаждает. Термистор 3, например, NCP03XV103, измеряет температуру на теплопроводящей пластине 6. Элемент Пельтье 2, термистор 3 и теплопроводящая пластина 6 расположены на консоли 4, выполненной из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, например, из нитрида алюминия, с нанесенными на нее, например, напылением, металлическими контактами 5. Консоль 4 закреплена на коннекторе 7, выполненным с возможностью соединения с манипулятором 3D-перемещения (не показан) и служащим теплопроводом для отвода/подвода тепла. Коннектор 7 снабжен выступающей частью 8, например, цилиндрической формы диаметром 0,5 мм и длиной 35-50 мм, для закрепления устройства на микро- или наноманипулятор, например, Omniprobe, Kleindiek или SmarAct MCS-3D. Устройство, закрепленное на микро- или наноманипуляторе, способно перемещать в пространстве захваченный объект. Выбранный (заданный) режим нагрева и охлаждения устройства осуществляют с помощью модуля температурного контроля.In the device for manipulating micro- and nano-objects with the storage function (Fig. 1), the micromechanical actuator (micro forceps) 1 is mounted on a heat-conducting
Модуль температурного контроля содержит контроллер, например, контроллер DX5100, который представляет собой прецизионное программируемое устройство управления термоэлектрическими модулями (элементами Пельтье). В контроллере реализовано двунаправленное (нагрев и охлаждение) ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальное) регулирование. Контроллер позволяет поддерживать заданную температуру модуля с высокой точностью или отрабатывать заданную программу нагрева и охлаждения во времени с высокой скоростью. В контроллер введена функция диагностики объекта регулирования, которая включает измерение сопротивления объекта на переменном токе, термоэлектрической добротности и постоянной времени. Реализована функция автоподстройки параметров ПИД регулятора. Управление контроллером, который в свою очередь подает команду нагрева или охлаждения теплопроводящей пластины 6, осуществляется с помощью программного обеспечения, например, программы DX5100 Vision.The temperature control module contains a controller, for example, a DX5100 controller, which is a precision programmable control device for thermoelectric modules (Peltier elements). The controller implements bidirectional (heating and cooling) PID (proportional-integral-differential) regulation. The controller allows you to maintain the set temperature of the module with high accuracy or to work out the set heating and cooling program in time at high speed. The controller introduced the diagnostic function of the control object, which includes measuring the resistance of the object on alternating current, thermoelectric figure of merit and time constant. The auto-tuning function of the PID controller parameters is implemented. The controller, which in turn gives the command to heat or cool the heat-conducting
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
В исходном состоянии ниже температуры конца прямого мартенситного превращения Мк микромеханический актюатор 1 (микропинцет) выполнен с зазором h между термочувствительным подвижным элементом 10 и неподвижным элементом 11, величина которого определяет минимальный размер захватываемого объекта (Фиг. 2а, в). Технология ФИП позволяет выполнить разрез с минимальной шириной до 2-4 нм. При подаче управляющего сигнала с контроллера на элемент Пельтье 2 через контакты 5 на консоли 4 (Фиг. 1), приводящего к нагреву выше температуры конца обратного мартенситного превращения Ак теплопроводящей пластины 6 с закрепленными на ней термистором 3 и микромеханическим актюатором 1, подвижный элемент 10 (кантилевер) изгибается, увеличивая зазор захвата до величины Н (Фиг. 2б, г), которая определяет максимальный размер захватываемого объекта. Далее модуль температурного контроля на основе элементов Пельтье поддерживает с точностью ±0,5°С заданную температуру актюатора 1, обеспечивая максимальную величину Н зазора захвата до момента помещения захватываемого объекта между подвижным элементом 10 и неподвижным элементом 11. При подаче управляющего сигнала с контроллера на элемент Пельтье 2, приводящего к охлаждению теплопроводящей пластины 6 ниже температуры Мк, актюатор 1 возвращается в исходное состояние (Фиг. 2а) за счет реализации обратимого ЭПФ, захватывая объект, расположенный между подвижным элементом 10 и неподвижным элементом 11 актюатора 1. Повторный нагрев актюатора 1 выше температуры Ак приведет вновь к увеличению зазора захвата до величины Н и освобождению объекта. Таким образом, устройство способно захватывать малые объекты, у которых хотя бы один из размеров превышает величину h, например, нанообъекты (углеродная нанотрубка, графеновый лист, вискер и т.п.), удерживать их неограниченное время без приложения дополнительной энергии, если не допускать нагрева окружающей среды выше температуры начала обратного мартенситного превращения Ан, перемещать в пространстве захваченные объекты при закреплении устройства на микро- или наноманипуляторе и освобождать объекты после доставки их к месту исследования или использования. Таким образом, устройство выполняет полный технологический цикл: выбор микро- или нанообъекта - захват с помощью микромеханического актюатора (микропинцета) - 3D-перемещение микроманипулятором - освобождение. Кроме того, микромеханический актюатор (микропинцет), закрепленный на любом держателе, например, на игле наноманипулятора, может быть использован для длительного хранения отдельных микро- и нанообъектов без затрат дополнительной энергии.In the initial state, below the temperature of the end of the direct martensitic transformation M to micromechanical actuator 1 (micro forceps) is made with a gap h between the heat-sensitive
Далее приведен пример конкретной реализации способа изготовления микромеханического актюатора 1 (Фиг. 2), Предложенный способ включает в себя получение сверхбыстрой закалкой из расплава слоистого композиционного материала 14 с обратимым ЭПФ в виде ленты (Фиг. 3а), содержащего кристаллический 12 и аморфный 13 слои с их сплошным неразрывным соединением на границе между ними и одинаковым химическим составом по обе стороны границы. Получение материала 14 заключается в разливке струи расплава из тигля на цилиндрическую поверхность закалочного медного диска, вращающегося относительно горизонтальной оси (Фиг. 3б). Расплав 15, полученный в тигле 16 с помощью нагревания слитка сплава высокочастотным индуктором 17, выпускается на закалочный медный диск 18 путем подачи избыточного давления инертного газа, например, гелия, в тигель и затвердевает в виде ленты 14. Охлаждение расплава осуществляют со скоростью V, определяющей соотношение толщин аморфного и кристаллического слоев 13, 12, при этом изменение скорости охлаждения расплава V осуществляют путем варьирования скорости вращения закалочного медного диска V0, задавая и контролируя технологические параметры процесса закалки расплава, например, размер и форму выливного отверстия в тигле, температуру расплава, расстояние между местом излива расплава из тигля и закалочным диском, величину избыточного давления для выдавливания расплава из тигля. Скорость вращения V0 изменяют, например, в интервале 1000-2000 оборотов/мин. Скорость охлаждения оценивают по выражению: V≅2π⋅R⋅V0⋅(Tm-Tg)/L, где Tm и Tg - температуры плавления и стеклования; R - радиус закалочного диска; L - размер зоны столкновения струи расплава с поверхностью барабана. Температуру расплава в момент разливки из тигля выставляют, например, 1150°С. Ширину ленты варьируют, например, в диапазоне 1-20 мм, длину ленты - до нескольких десятков метров. Для изготовления материала используют сплав с высокой склонностью к аморфизации, например, сплавы квазибинарной системы TiNi-TiCu с содержанием меди от 17 до 34 ат. %. Слитки из сплавов Ti-Ni-Cu изготавливают в дуговой печи с шестикратной переплавкой в атмосфере аргона в поле токов высокой частоты. Для изготовления слитков используют чистые материалы, например, электродный никель (Ni Н0), бескислородная медь (Cu М0), йодидный титан (чистота 99,999).The following is an example of a specific implementation of the method of manufacturing a micromechanical actuator 1 (Fig. 2). The proposed method includes the production of ultrafast melt quenching layered
При закалке из жидкого состояния с высокими скоростями охлаждения расплава (более 106 К/с) сплав, например, Ti50Ni50Cu25, получают в виде тонкой ленты (20-50 мкм) в аморфном состоянии, однако из-за различия в скоростях закалки на поверхности ленты, контактирующей с закалочным диском-холодильником, и в объеме ленты, при более низких скоростях охлаждения расплава, например, (105÷106 К/с), на неконтактной (свободной) поверхности ленты образуется поверхностный кристаллический слой 12, т.е. такая лента представляет собой слоистый аморфно-кристаллический композит 14 (Фиг. 3а). В зависимости от скорости охлаждения расплава V, которую устанавливают путем подбора скорости вращения V0 медного диска 18, соотношение толщин аморфного 13 и кристаллического слоев 12 варьируется. В частности, снижение V от 9⋅105 до 5⋅105 К/с приводит к увеличению толщины кристаллического слоя dкр от 0,4 до 10 мкм при практически неизменной толщине ленты (Фиг. 4).When quenching from a liquid state with high melt cooling rates (more than 10 6 K / s), an alloy, for example, Ti 50 Ni 50 Cu 25 , is obtained in the form of a thin ribbon (20-50 μm) in an amorphous state, however, due to the difference in quenching rates on the surface of the tape in contact with the quenching disk-cooler and in the volume of the tape, at lower melt cooling rates, for example (10 5 ÷ 10 6 K / s), a surface crystalline layer is formed on the non-contact (free) surface of the
Аморфно-кристаллический композит 14 проявляет обратимый ЭПФ на изгиб, что поясняется следующим образом. В процессе его изготовления часть расплава 15 при попадании на закалочный медный диск 18 затвердевает с образованием аморфной фазы 13, тогда как другая часть расплава затвердевает не на поверхности закалочного диска 18, а на уже образовавшемся аморфном слое 13 (Фиг. 5а). При этом скорость охлаждения внешнего (неконтактного) слоя снижается, что при затвердевании приводит к формированию в этом слое кристаллической структуры 12. Дальнейшее охлаждение кристаллического слоя 12 должно было бы привести к его сокращению из-за процесса термического сжатия, однако аморфный слой 13, имеющий меньший коэффициент термического линейного расширения (КТЛР), более высокую прочность и большую толщину, препятствует этому процессу (Фиг. 56). В результате при охлаждении до комнатной температуры кристаллический слой 12 оказывается псевдопластически растянутым (Фиг. 5в). Если такой композит нагреть выше температуры Ан в материале кристаллического слоя 12, то за счет реализации ЭПФ кристаллический слой 12 будет стремиться к сжатию, что приведет к изгибу композита подобно биметаллической пластине (Фиг. 5г). При охлаждении ниже температуры Мк за счет упругости аморфного слоя 13 композит 14 возвращается в исходное состояние (Фиг. 5в).Amorphous-
Таким образом, слоистый композиционный материал 14 обладает обратимой памятью формы на изгиб (Фиг. 6), обусловленной протеканием термоупругих мартенситных превращений в кристаллическом слое 12 и контрсилы от упругого аморфного слоя 13, причем такой материал не требует какой-либо дополнительной обработки, что упрощает процесс его изготовления и повышает стабильность работы материала при проявлении обратимого ЭПФ.Thus, the layered
Для формирования подвижного 10 и неподвижного 11 элементов актюатора 1 (Фиг. 2) в аморфном слое 13 композиционного материала 14 делают протяженное сквозное отверстие 9 вдоль ленты параллельно границе между слоями 12, 13 таким образом, что с одного конца актюатора 1 оставляют оба элемента 10, 11 соединенными, а с другого конца актюатора создают захват для удержания микро- или нанообъектов путем разъединения элементов 10, 11 прорезью 9 на расстояние h, которое соответствует минимальному размеру захватываемого объекта. При этом положение и ширину прорези 9 выбирают достаточными для получения неподвижного элемента 11 аморфным, а подвижного элемента 10 - аморфно-кристаллическим термочувствительным с кристаллическим слоем 12 на внешней стороне актюатора, причем кристаллический слой 12 обладает памятью формы и является псевдопластически растянутым, а аморфный слой является упругим. В результате формируют подвижный элемент 10 с возможностью увеличения зазора захвата до максимального значения Н при увеличении температуры в интервале мартенситного превращения в кристаллическом слое 12 и уменьшения зазора захвата до минимального значения h при уменьшении температуры в интервале мартенситного превращения в кристаллическом слое 12. Путем варьирования положения и ширины прорези 9 изменяют также соотношение толщин аморфного и кристаллического слоев (dам, и dкр, соответственно) в термочувствительном подвижном элементе 10, которое определяет максимальный зазор захвата Н при нагреве термочувствительного элемента 10 выше температуры Ак в кристаллическом слое 12 и, соответственно, максимальный размер захватываемого объекта.To form a movable 10 and a fixed 11 elements of the actuator 1 (Fig. 2) in the
На Фиг. 2в, г показан пример конкретного выполнения микромеханического актюатора 1, изготовленного методом селективного ионного травления с помощью технологии фокусированных ионных пучков (ФИП) из аморфно-кристаллической ленты 14 толщиной около 4,5 мкм, в исходном «холодном» (ниже температуры Мк) состоянии (Фиг. 2в) и в «горячем» (выше температуры Ак) состоянии после нагрева (Фиг. 2г).In FIG. 2c, d shows an example of a specific implementation of a
Толщины аморфного dам, и кристаллического dкр слоев в подвижном элементе (кантилевере) 10, а также их соотношение варьируют:The thicknesses of amorphous d am and crystalline d cr layers in the movable element (cantilever) 10, as well as their ratio, vary:
1) выбором состава композиционного материала 14 и скоростью охлаждения расплава V;1) the choice of the composition of the
2) расположением и размерами отверстия 9, сделанного в материале 14;2) the location and size of the
3) уменьшением толщин аморфного 13 и кристаллического 12 слоев одновременно или по отдельности, например, с помощью химического или электрохимического травления.3) a decrease in the thickness of the amorphous 13 and crystalline 12 layers simultaneously or separately, for example, by chemical or electrochemical etching.
В данном примере конкретного исполнения микромеханического актюатора 1 (микропинцета) из слоистого композиционного материала 14 с обратимым ЭПФ, изготовленного из сплава Ti50Ni25Cu25 сверхбыстрой закалкой из расплава, приведены характерные размеры данного устройства (Фиг. 2):In this example, a specific implementation of the micromechanical actuator 1 (micro-forceps) of a layered
- толщина кристаллического слоя в кантилевере 10: dкр=0,8 мкм;- the thickness of the crystalline layer in the cantilever 10: d cr = 0.8 μm;
- толщина аморфного слоя в кантилевере 10: dам=1,1 мкм;- the thickness of the amorphous layer in the cantilever 10: d am = 1.1 μm;
- общая толщина кантилевера 10: d=dкр+dам=1,9 мкм;- the total thickness of the cantilever 10: d = d cr + d am = 1.9 μm;
- длина кантилевера 10: - cantilever length 10:
- ширина отверстия 9: b=0,9 мкм:- hole width 9: b = 0.9 μm:
- общая толщина актюатора 1: D=4,4 мкм;- total thickness of the actuator 1: D = 4.4 μm;
- ширина актюатора 1: а=3-5 мкм;- the width of the actuator 1: a = 3-5 microns;
- максимальная ширина зазора варьируется в диапазоне: H=1-5 мкм;- the maximum gap width varies in the range: H = 1-5 microns;
- минимальная ширина зазора варьируется в диапазоне: h=5-1000 нм.- the minimum gap width varies in the range: h = 5-1000 nm.
При такой конфигурации устройство для манипулирования микро- и нанообъектами способно захватывать и хранить микро- и нанообъекты размером в диапазоне от 5 нм до 5 мкм, а при закреплении на микро- или наноманипуляторе перемещать в пространстве захваченный объект.With this configuration, a device for manipulating micro- and nano-objects is capable of capturing and storing micro- and nano-objects ranging in size from 5 nm to 5 μm, and when attached to a micro- or nanomanipulator, move a captured object in space.
Время срабатывания (быстродействие) устройства для манипулирования микро- и нанообъектами определяется быстродействием микромеханического актюатора (микропинцета) и температурными режимами, устанавливаемыми на модуле температурного контроля в зависимости от конкретного применения устройства. В примере конкретного исполнения устройства (Фиг. 2в, г) увеличение зазора захвата до величины H=1,92 мкм при нагреве микропинцета и уменьшение зазора захвата до величины h=0,78 мкм при охлаждении микропинцета происходило за одинаковое время 800 мс.The response time (speed) of the device for manipulating micro- and nano-objects is determined by the speed of the micromechanical actuator (micro-tweezers) and temperature conditions set on the temperature control module, depending on the specific application of the device. In an example of a specific embodiment of the device (Fig. 2c, d), an increase in the capture gap to a value of H = 1.92 μm during heating of the micro-tweezers and a decrease in the capture gap to a value of h = 0.78 μm during cooling of the micro-tweezers took place at the same time 800 ms.
Для упрощения процесса закрепления микромеханического актюатора 1 на теплопроводящей пластине 6, актюатор 1 (микропинцет) формируют, например, методом селективного ионного травления с помощью технологии фокусированных ионных пучков (ФИП), на конце отрезка аморфно-кристаллической ленты 14 из сплава с ЭПФ (Фиг. 7). В другом частном случае, например, с помощью технологии химического осаждения из паровой фазы (CVD) в аппарате ФИП, актюатор 1 закрепляют, например, вольфрамом или платиной 19, к конически заостренному, например, до 5 мкм, концу микропроволоки 20, например, диаметром 500 мкм, с высокой теплопроводностью, например, из металла (меди или вольфрама) или керамики (Фиг. 8).To simplify the process of fixing the
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство для манипулирования микро- и нанообъектами с функцией хранения и способ изготовления микромеханического актюатора существенно повышают надежность и срок службы изделия за счет выполнения термочувствительного подвижного элемента актюатора в виде аморфно-кристаллического композита, представляющего собой сплошной материал одного химического состава без механического соединения слоев. Устройство способно захватывать малые объекты, например, нанообъекты (углеродная нанотрубка, графеновый лист, вискер и т.п.), и удерживать их неограниченное время без приложения дополнительной энергии, реализуя функцию хранения микро- и нанообъектов. Управление актюатором (микропинцетом) посредством модуля температурного контроля на основе элементов Пельтье позволяет поддерживать заданную температуру или отрабатывать заданный режим нагрева и охлаждения во времени с высокой точностью и скоростью. Все вышесказанное обеспечивает повышение устойчивости к циклическим нагрузкам, надежности и быстродействия изделия, расширяет его функциональные возможности по сравнению с прототипом, что имеет определяющее значение для таких современных областей техники как микро- и наномеханика (МЭМС и НЭМС), робототехника, энергетика, приборостроение, авиационные и космические технологии, биомедицина и биоинженерия.Thus, in comparison with the prototype, the proposed device for manipulating micro- and nano-objects with a storage function and a method for manufacturing a micromechanical actuator significantly increase the reliability and service life of the product due to the implementation of the thermosensitive movable element of the actuator in the form of an amorphous-crystalline composite, which is a continuous material of one chemical composition without mechanical connection of the layers. The device is able to capture small objects, for example, nano-objects (carbon nanotube, graphene sheet, whisker, etc.), and hold them unlimited time without the application of additional energy, realizing the function of storing micro- and nano-objects. Actuator control (micro-tweezers) by means of a temperature control module based on Peltier elements allows you to maintain a given temperature or work out a given heating and cooling mode in time with high accuracy and speed. All of the above provides increased resistance to cyclic loads, reliability and speed of the product, expands its functionality compared to the prototype, which is crucial for such modern areas of technology as micro- and nanomechanics (MEMS and NEMS), robotics, energy, instrument making, aviation and space technology, biomedicine and bioengineering.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018112436A RU2678699C1 (en) | 2018-04-06 | 2018-04-06 | Device for manipulation of micro-and nano-objects with storage function |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018112436A RU2678699C1 (en) | 2018-04-06 | 2018-04-06 | Device for manipulation of micro-and nano-objects with storage function |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2678699C1 true RU2678699C1 (en) | 2019-01-31 |
Family
ID=65273600
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018112436A RU2678699C1 (en) | 2018-04-06 | 2018-04-06 | Device for manipulation of micro-and nano-objects with storage function |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2678699C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114109752A (en) * | 2021-11-08 | 2022-03-01 | 上海交通大学 | Shape memory alloy driving element |
RU2788937C1 (en) * | 2021-11-16 | 2023-01-26 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Федеральный Исследовательский Центр Проблем Химической Физики И Медицинской Химии Российской Академии Наук (Фиц Пхф И Мх Ран) | Microtweezers with a magnetic field gradient and method for manufacture thereof |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4919177A (en) * | 1987-03-30 | 1990-04-24 | Dai Homma | Method of treating Ti-Ni shape memory alloy |
RU2259914C1 (en) * | 2004-02-24 | 2005-09-10 | Институт механики Уфимского научного центра Российской академии наук | Thermo-mechanic transducer for micro-manipulator (variants) |
RU2305874C2 (en) * | 2005-05-27 | 2007-09-10 | Институт радиотехники и электроники Российской Академии Наук | Actuator, actuator system, and their manufacturing process |
RU2381903C2 (en) * | 2008-03-19 | 2010-02-20 | Институт радиотехники и электроники Российской Академии Наук | Composite functional material |
JP2010043530A (en) * | 2008-07-15 | 2010-02-25 | National Institute For Materials Science | Shape memory alloy actuator |
US20100219931A1 (en) * | 2007-05-11 | 2010-09-02 | Akira Ishida | Bidirectional shape memory alloy thin film actuator and method for manufacturing shape memory alloy thin film used therefor |
RU2458002C2 (en) * | 2010-08-05 | 2012-08-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Образования И Науки Российской Федерации | Micromechanical device, method for its manufacture and system for manipulation of micro-and nanoobjects |
RU2539605C2 (en) * | 2013-05-06 | 2015-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Российской академии наук | Actuator based on functional material |
RU2617841C1 (en) * | 2015-12-23 | 2017-04-28 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Thermosensitive drive element |
US9833978B2 (en) * | 2011-02-11 | 2017-12-05 | President And Fellows Of Harvard College | Monolithic fabrication of three-dimensional structures |
-
2018
- 2018-04-06 RU RU2018112436A patent/RU2678699C1/en active
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4919177A (en) * | 1987-03-30 | 1990-04-24 | Dai Homma | Method of treating Ti-Ni shape memory alloy |
RU2259914C1 (en) * | 2004-02-24 | 2005-09-10 | Институт механики Уфимского научного центра Российской академии наук | Thermo-mechanic transducer for micro-manipulator (variants) |
RU2305874C2 (en) * | 2005-05-27 | 2007-09-10 | Институт радиотехники и электроники Российской Академии Наук | Actuator, actuator system, and their manufacturing process |
US20100219931A1 (en) * | 2007-05-11 | 2010-09-02 | Akira Ishida | Bidirectional shape memory alloy thin film actuator and method for manufacturing shape memory alloy thin film used therefor |
RU2381903C2 (en) * | 2008-03-19 | 2010-02-20 | Институт радиотехники и электроники Российской Академии Наук | Composite functional material |
JP2010043530A (en) * | 2008-07-15 | 2010-02-25 | National Institute For Materials Science | Shape memory alloy actuator |
RU2458002C2 (en) * | 2010-08-05 | 2012-08-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Образования И Науки Российской Федерации | Micromechanical device, method for its manufacture and system for manipulation of micro-and nanoobjects |
US9833978B2 (en) * | 2011-02-11 | 2017-12-05 | President And Fellows Of Harvard College | Monolithic fabrication of three-dimensional structures |
RU2539605C2 (en) * | 2013-05-06 | 2015-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Российской академии наук | Actuator based on functional material |
RU2617841C1 (en) * | 2015-12-23 | 2017-04-28 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Thermosensitive drive element |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114109752A (en) * | 2021-11-08 | 2022-03-01 | 上海交通大学 | Shape memory alloy driving element |
CN114109752B (en) * | 2021-11-08 | 2023-07-28 | 上海交通大学 | Shape memory alloy driving element |
RU2788937C1 (en) * | 2021-11-16 | 2023-01-26 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Федеральный Исследовательский Центр Проблем Химической Физики И Медицинской Химии Российской Академии Наук (Фиц Пхф И Мх Ран) | Microtweezers with a magnetic field gradient and method for manufacture thereof |
RU2790934C1 (en) * | 2022-10-14 | 2023-02-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Device control system with shape memory effect for manipulation of micro- and nano-objects |
RU2798620C1 (en) * | 2022-11-29 | 2023-06-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" | Binary space vehicle for searching and collecting extraterrestrial low temperature nano-objects in the surroundings of libration points of the planets in the solar system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Chen et al. | Hierarchical structures advance thermoelectric properties of porous n-type β-Ag2Se | |
US5825275A (en) | Composite shape memory micro actuator | |
Ishida et al. | Sputter-deposited shape-memory alloy thin films: properties and applications | |
EP1612492B1 (en) | Thermal transfer device and method of manufacturing and operating same | |
Winzek et al. | Recent developments in shape memory thin film technology | |
US7687108B2 (en) | Methods for manufacturing stressed material and shape memory material MEMS devices | |
Shelyakov et al. | Nanostructured thin ribbons of a shape memory TiNiCu alloy | |
US6710238B1 (en) | Thermoelectric material and method for manufacturing the same | |
US20020043456A1 (en) | Bimorphic, compositionally-graded, sputter-deposited, thin film shape memory device | |
WO1991000608A1 (en) | Shape-memory alloy micro-actuator | |
RU2678699C1 (en) | Device for manipulation of micro-and nano-objects with storage function | |
JP2010166053A (en) | Electrothermal nanowire and method of manufacturing the same | |
Kohl et al. | SMA foils for MEMS: From material properties to the engineering of microdevices | |
JP5757531B2 (en) | Bidirectional shape memory alloy thin film actuator and method of manufacturing shape memory alloy thin film used therefor | |
RU2458002C2 (en) | Micromechanical device, method for its manufacture and system for manipulation of micro-and nanoobjects | |
Shelyakov et al. | Design of microgrippers based on amorphous-crystalline TiNiCu alloy with two-way shape memory | |
WO2008050354A2 (en) | A nanopositioner and method to nano position an object thereof | |
Shelyakov et al. | Micromechanical device based on amorphous-crystalline TiNiCu alloy | |
Nakamura et al. | A three-dimensional shape memory alloy loop actuator | |
Wang et al. | Residual stress-loaded titanium–nickel shape-memory alloy thin-film micro-actuators | |
Shelyakov et al. | Development of micromechanical device on the base of two-way shape memory alloy Ribbon | |
Johnson et al. | Fabrication of silicon-based shape memory alloy micro-actuators | |
RU2713527C2 (en) | Device for manipulating micro- and nano-objects | |
WO2008104961A2 (en) | Ferromagnetic shape-memory wires, production method thereof and use of same | |
Shelyakov et al. | Microtweezers on the basis of two-way shape memory alloy ribbon |