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基于单探针和液滴辅助的微构件转移方法和实验研究

苏凤婷  
【摘要】:随着微机电系统构件的进一步微型化、结构的日益复杂化和精密化,利用机械夹持、真空吸附等方式转移微构件时,由于局部应力集中,容易使微构件表面变形,甚至产生严重的划伤。因此,探索新型的微构件转移方法具有重要意义。为实现100μm尺度下微构件的转移操作,本文提出基于微力传感单探针和液滴辅助的微构件转移方法。分析基于毛细作用的微构件转移方法的可行性,动静态仿真验证微构件转移方法的可行性,并通过实验实现微构件的精确可靠转移。首先,提出基于微力传感单探针和液滴辅助的微构件转移方法。从毛细作用机理入手,阐释润湿特性与接触角之间的关系,分析基于毛细作用的微构件转移方法的可行性,剖析液桥自校准原理,并估算自校准过程中恢复力大小。在此基础上,确定基于微力传感单探针和液滴辅助的微操作方法,通过液滴蘸取方案,实现单探针末端微量液体的获取;通过探针-微构件之间的液桥作用力,实现微构件可靠拾取和转移;通过微构件上端和下端双液桥的竞争作用,实现其柔顺释放。并进一步划分微构件转移过程,确定各子过程中的基本操作策略。其次,基于液桥轮廓的精确计算方法,建立微构件转移的液桥静态无量纲模型。通过幂律曲面-平面液桥静态模型,分析微量液体获取率的影响因素;通过幂律曲面-球液桥静态模型和JKR球-平面粘着接触静态模型,分析液桥体积等参数对毛细力的影响,验证单探针式微构件拾取的可行性;通过幂律曲面-微球体和微球体-平面的双液桥静态模型,分析接触角对辅助液桥毛细力的影响,验证液滴辅助式微构件释放的可行性。基于多相流VOF(Volume of Fluid)模型,建立微构件转移的动态模型。通过微量液体动态获取仿真计算,获得初始液体体积、分离速度、液桥接触角等参数对获取的微量液体体积、液桥断裂距离的影响规律。微构件动态释放仿真表明,通过合理设置微构件上下端液桥体积、接触角等参数,可以实现微构件的释放操作。最后,建立基于微力传感单探针和液滴辅助的微构件转移实验系统。微量液体的获取实验表明,通过合理控制探针的提升速度、基底材料等参数,可以调节微量液体的获取能力;微构件拾取实验表明,根据微构件特征尺寸和基底材料润湿特性合理控制微量液体的体积,可以实现微构件的拾取操作;微构件释放实验表明,针对微构件特征尺寸,合理减小辅助液体的体积,可以提高微构件的释放精度。通过直径为20μm、40μm和75μm的微球转移实验,验证了基于单探针和液滴辅助的微构件转移方法的可行性及有效性。


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