基于表面張力的復(fù)合微組裝技術(shù)研究

常 博， 徐 彬， 王彬開(kāi)， 李 席， 王 敏

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

0 引言

微組裝是微納機(jī)電系統(tǒng)集成、柔性電路及微型傳感器制造過(guò)程中關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，其組裝精度直接制約著微納機(jī)電系統(tǒng)及微型設(shè)備的性能.然而在微觀尺度下，與微器件[1,2]質(zhì)量、體積相關(guān)的力(如重力)遠(yuǎn)小于與其表面積相關(guān)的力(如表面張力、范德華力等)[3]，造成了微型器件黏附在微型夾持器上，難以準(zhǔn)確釋放及定位.常見(jiàn)微組裝方法有機(jī)器人微組裝[4,5]、流體自組裝[6,7]、基于表面張力的自組裝[8-12]等.機(jī)器人微組裝通常借助于各類(lèi)夾持器，如壓電夾持器、真空夾持器、電磁夾持器等，該類(lèi)方法的組裝速率高，但組裝精度往往取決于機(jī)器人本身的精度.流體自組裝通常是在流體表面或內(nèi)部進(jìn)行，該類(lèi)自組裝的精度較高，但操作相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)組裝環(huán)境要求較高.表面張力自組裝是利用液滴的表面張力驅(qū)動(dòng)微器件完成與基底的自組裝，組裝精度可優(yōu)于1微米[13].

本文提出一種復(fù)合微組裝方法，將機(jī)器人微組裝技術(shù)與表面張力自組裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，利用機(jī)器人微組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)微器件的快速拾取及初次定位，利用表面張力自組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)微型器件的釋放以及與基底的高精度自對(duì)齊，最終達(dá)到同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效高精度的微器件組裝.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

本文中的微器件是尺寸為500μm × 500μm × 200μm的方形鋁制芯片(如圖1(a)所示).芯片通過(guò)激光打標(biāo)機(jī)(HG-LU-5，武漢華工)切割鋁片獲得，激光加工參數(shù)為：速度1 000 mm/s，頻率150 KHz，單向掃描填充方式.芯片待組裝的目標(biāo)區(qū)域定義為基底，基底是在不銹鋼片上加工制成，尺寸與芯片尺寸匹配(500μm × 500μm).為了把液滴限制在基底上，基底加工成如圖1(b)所示的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)形狀、大小、尺寸需與微芯片保持一致，可通過(guò)激光打標(biāo)機(jī)的填充工藝獲得，凸臺(tái)的激光加工參數(shù)為：速度1 000 mm/s，頻率200 KHz，單向掃描填充方式.

(a)500 μm×500 μm×200 μm鋁制芯片

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文提出的復(fù)合微組裝方法是將機(jī)器人微組裝與表面張力自組裝相結(jié)合，基本操作流程如圖2所示.首先利用精密注射裝置在基底上(凸臺(tái)結(jié)構(gòu))注射定量液滴(如圖2(a)～(c)所示)；然后利用微夾持器拾取微芯片，將其轉(zhuǎn)移到目標(biāo)位置并釋放(如圖2(d)～(e)所示)，微芯片與液滴接觸后，微芯片與基底之間形成了一個(gè)液橋，在液橋表面張力的作用下，微芯片與基底對(duì)齊；最后，液滴蒸發(fā)，完成微芯片與基底的自組裝(如圖2(f)～(h)所示).

(a)基底與凸臺(tái) (b)液滴注射

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

復(fù)合微組裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖3所示.主要由電動(dòng)位移平臺(tái)、手動(dòng)位移臺(tái)、壓電夾持器、精密注射裝置、視覺(jué)系統(tǒng)五部分組成.電動(dòng)位移平臺(tái)(X/Z軸M-122.2DD1，Y軸M-414.3PD，Physik Instrumente)用于實(shí)現(xiàn)樣品的高精度快速移動(dòng).手動(dòng)位移臺(tái)用于視覺(jué)系統(tǒng)的調(diào)焦及定位.壓電夾持器由壓電彎曲片(PSt150/5x5/7，芯明天)和微夾持器兩部分組成，用于微芯片的拾取與釋放.精密注射裝置(CENTRIS CG 3P 1/4-28，TECAN)實(shí)現(xiàn)微量液滴的精密注射.視覺(jué)系統(tǒng)由工業(yè)相機(jī)(BFLY-U3-236C-C，Edmund Optics)和顯微鏡頭(VZM 1000i，Edmund Optics)兩部分組成，可對(duì)微組裝過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄.

2 結(jié)果與討論

2.1 液橋表面自由能及表面張力仿真

表面張力自組裝是液滴表面自由能最小化的結(jié)果.如圖4所示，微芯片與基底上的液滴接觸后，基底與微芯片之間形成液橋.根據(jù)能量最小化原理，液體表面張力總是試圖通過(guò)收縮系統(tǒng)液氣界面表面積，使系統(tǒng)向著能量最小的方向發(fā)展并達(dá)到平衡狀態(tài)[14].在此過(guò)程中產(chǎn)生的力被稱為恢復(fù)力 ，將驅(qū)動(dòng)微芯片與基底完成自對(duì)齊.

液橋的總能量E可表示為：

E=ES+Eg

(1)

式(1)中:ES為界面能量;Eg表示液橋所具有的勢(shì)能.考慮到各個(gè)界面的能量，ES為：

ES=γSlv+γlvSlv+γlrSlr

(2)

式(2)中:γ為液體表面張力;Slv為液氣界面面積;γlc為液體與芯片的表面張力;Slc為液體與芯片的接觸面積;γlr為液體與基底的表面張力;Slr為液體與基底的接觸面積.液滴所具有的勢(shì)能：

Eg=ρghV

(3)

式(3)中:ρ為液體的密度;V為液滴體積;g為重力加速度.在整個(gè)自組裝過(guò)程中，假設(shè)豎直方向高度不變，即可忽略勢(shì)能Eg的變化對(duì)恢復(fù)力的影響.芯片在水平方向上是由X方向和Y方向受到的恢復(fù)力構(gòu)成，X方向受到的恢復(fù)力[15]可表示為：

(4)

Y方向受到的恢復(fù)力可表示為：

(5)

2.2 自組織邊界條件

液滴能否被局限在基底上是表面張力自組裝成功與否的關(guān)鍵[16]，這與基底結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性及液滴體積有密切關(guān)系.本文中使用的自組裝基底為不銹鋼凸臺(tái)結(jié)構(gòu).可通過(guò)吉布斯準(zhǔn)則[17]預(yù)測(cè)液滴在具有凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的基底上的最大接觸角，從而得出基底上可局限的最大液滴量.如圖5(a)所示，θ是液滴在邊緣的最大接觸角，θ0是靜態(tài)接觸角，α是凸臺(tái)結(jié)構(gòu)相鄰邊的夾角，最大接觸角θ的表達(dá)式為：

θ=(180 °-α)+θ0

(6)

經(jīng)測(cè)量，純凈水在不銹鋼基底上的靜態(tài)接觸角θ0為48 °，基底相鄰邊的夾角α為90 °.因此，可得純凈水在不銹鋼基底上最大的接觸角為138 °.

(a)液滴在具有凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的基底上的接觸角

局限在基底上的液滴可被認(rèn)為是圖5(b)所示的球冠，其體積可根據(jù)式(7)來(lái)計(jì)算.

V=πH*(3r2+H2)/6

(7)

H=R+R*sin(θ-90 °)

(8)

R=r/cos(θ-90 °)

(9)

式(7)、(8)、(9)中:r代表基底邊長(zhǎng)的一半;H代表球冠的高度;R代表球冠的半徑.根據(jù)式(7) 、(8) 、(9)以及基底邊長(zhǎng)d是500μm，可得本文所使用的基底可限制的最大液滴量為335 nL.

2.3 仿真結(jié)果

2.3.1 仿真模型

本文利用Surface Evolver[18]軟件建立了如圖6所示的微芯片自組裝仿真模型.模型包括三個(gè)關(guān)鍵元素：微芯片、基底、液橋.建立模型的初始條件如下：芯片與基底的距離(液橋高度)h=0.2 mm，微芯片尺寸為500μm× 500μm × 100μm，基底的幾何尺寸為500μm × 500μm，X方向的錯(cuò)動(dòng)量Δx為0～0.2 mm，液滴表面張力為0.072 8 N/m，密度為1 000 Kg/m3.錯(cuò)動(dòng)量為微芯片中心和基底中心之間的距離.

圖6 微芯片與基底存在水平錯(cuò)動(dòng)時(shí)的仿真模型

2.3.2 錯(cuò)動(dòng)量對(duì)表面自由能及恢復(fù)力的影響

芯片相對(duì)于基底在X、Y、Z方向上的錯(cuò)動(dòng)量分別為Δx、Δy、Δz.本文以X方向?yàn)槔?，分析了液滴體積、錯(cuò)動(dòng)量對(duì)微芯片自組裝過(guò)程中液橋表面自由能E和恢復(fù)力Fx的影響.

圖7(a)展示了液滴體積、X方向錯(cuò)動(dòng)量對(duì)液橋表面自由能E的影響，結(jié)果表明：液滴體積不變時(shí)，液橋表面自由能隨著X方向錯(cuò)動(dòng)量的增加而變大；錯(cuò)動(dòng)量相同時(shí)，液橋表面自由能隨著液滴體積的增加而變大.當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量為零時(shí)，液橋表面自由能最小，這個(gè)模型解釋了表面張力自組裝的表面能最小化機(jī)理——即液滴總是趨向于使其表面能最小化狀態(tài)演化.

(a)不同錯(cuò)動(dòng)量及不同液滴體積下的液橋表面自由能

恢復(fù)力Fx可通過(guò)對(duì)能量E求X方向的偏導(dǎo)得到，圖7(b)展示了液滴體積、X方向錯(cuò)動(dòng)量對(duì)恢復(fù)力的影響.結(jié)果表明：液滴體積不變時(shí)，微芯片受到的恢復(fù)力隨著錯(cuò)動(dòng)量的增加而變大；相同錯(cuò)動(dòng)量下，微芯片受到的恢復(fù)力隨液滴體積的增加而變大.這是因?yàn)橐旱误w積或錯(cuò)動(dòng)量增大時(shí)，液橋的表面積變大，系統(tǒng)的表面自由能也就隨之增大，從而引起恢復(fù)力的增大.當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量為零時(shí)，恢復(fù)力為零，這意味著芯片最終會(huì)停留在與基底完全對(duì)齊的位置.

2.3.3 旋轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)量對(duì)表面自由能和恢復(fù)力的影響

旋轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)量是指微芯片對(duì)角線相對(duì)于基底對(duì)角線的旋轉(zhuǎn)角度.本文建立了如圖8所示的微芯片自組裝模型，分析了旋轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)量對(duì)微芯片自組裝過(guò)程中液橋表面自由能和恢復(fù)力的影響.設(shè)定X、Y方向的錯(cuò)動(dòng)量均為0，液橋高度為0.1 mm，液滴體積為25 nL.以芯片與基底的中點(diǎn)為原點(diǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向定義為正向，旋轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)量在0 °～45 °之間.

圖8 微芯片與基底存在旋轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)時(shí)的仿真模型

圖9展示了旋轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)量與液橋表面自由能和恢復(fù)力之間的關(guān)系.結(jié)果顯示：隨著旋轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)量的增加，液橋的表面自由能增加，微芯片所受的恢復(fù)力變大.這是因?yàn)樾D(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)量的增加使液橋的表面積變大，液橋的表面自由能隨之增加，進(jìn)而引起了恢復(fù)力的增加.當(dāng)旋轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)量為零的時(shí)候，液橋表面自由能最小，也就是芯片與基底完全對(duì)齊的位置.

圖9 旋轉(zhuǎn)錯(cuò)動(dòng)量與表面能及自組裝恢復(fù)力的關(guān)系

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合微組裝方法的可行性，本文使用500μm × 500μm× 100μm的方形微芯片，進(jìn)行如圖10所示的復(fù)合微組裝實(shí)驗(yàn)，研究了液滴體積、錯(cuò)動(dòng)量對(duì)復(fù)合微組裝成功率的影響.每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次.圖10展示了錯(cuò)動(dòng)量為200μm、液滴體積為30 nL時(shí)的微芯片復(fù)合微組裝過(guò)程，其中(a)～(c)為側(cè)視圖，(d)～(f)為俯視圖.首先將微芯片運(yùn)送到基底上方，芯片與液滴接觸形成液橋(如圖10(a)、(d)所示)；當(dāng)芯片從微夾持器中釋放后，微芯片在液橋表面張力的作用下完成與基底的自對(duì)齊(如圖10(b)、(e)所示)；當(dāng)液滴蒸發(fā)后，微芯片與基底實(shí)現(xiàn)組裝(如圖10(c)、(f)所示).

(a)芯片與液滴接觸主視 (d)芯片與液滴接觸俯視

表1顯示了不同液滴體積下的自組裝成功率.該實(shí)驗(yàn)中錯(cuò)動(dòng)量恒定為200μm，液滴體積范圍為10～200 nL，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次.結(jié)果表明液滴體積處于20～110 nL之間時(shí)，自組裝成功率可達(dá)100%.當(dāng)液滴量為10 nL時(shí)，自組裝失敗，這是因?yàn)橐旱翁伲舭l(fā)太快，造成了芯片與基底的干接觸，摩擦力增大，從而阻礙了芯片與基底的自對(duì)齊.當(dāng)液滴量達(dá)到200 nL時(shí)，自組裝失敗.根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，200 nL的液滴無(wú)法被限制在基底上，液滴溢出是自對(duì)齊失敗的主要原因.此外，液滴體積對(duì)自組裝時(shí)間也有影響，液滴體積越大，所需要蒸發(fā)的時(shí)間越長(zhǎng)，自組裝時(shí)間也越長(zhǎng).因此，為提高自組裝的成功率與速率，應(yīng)盡可能采用較小體積的液滴.

表1 液滴量對(duì)表面張力自組裝的影響

表2為不同錯(cuò)動(dòng)量下的微芯片自組裝成功率，該實(shí)驗(yàn)中液滴體積恒定為30 nL，錯(cuò)動(dòng)量范圍為50 ～ 500μm，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次.結(jié)果表明錯(cuò)動(dòng)量即使增大到與微芯片本身尺寸一樣，自組裝成功率仍為100%.此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示不同錯(cuò)動(dòng)量下的自組裝時(shí)間在100 ms～500 ms之間，這表明微芯片的自組裝時(shí)間受到液滴體積影響較大，錯(cuò)動(dòng)量對(duì)組裝時(shí)間影響較小.

表2 錯(cuò)動(dòng)量對(duì)表面張力自組裝的影響

3 結(jié)論

本文提出一種復(fù)合微組裝技術(shù)，將機(jī)器人微組裝與表面張力自組裝技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)高效高精度的微芯片與基底的自組裝.本文通過(guò)建立表面張力自組裝有限元仿真模型，研究了錯(cuò)動(dòng)量以及液滴體積對(duì)自組裝過(guò)程中表面自由能和恢復(fù)力的影響.結(jié)果表明：隨著錯(cuò)動(dòng)量和液滴體積的增加，表面自由能和恢復(fù)力變大.

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了液滴體積以及錯(cuò)動(dòng)量對(duì)自組裝成功率的影響.結(jié)果表明當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量在50 ～ 500μm范圍內(nèi)，液滴體積在30 ～ 110 nL范圍內(nèi)時(shí)，自組裝成功率可達(dá)100%.錯(cuò)動(dòng)量對(duì)自組裝的成功率影響不大，只要在滿足條件液滴量下，自組裝成功率均可達(dá)100%.這表明該技術(shù)允許微器件與基底之間存在較大的錯(cuò)動(dòng)量.本文提出的復(fù)合微組裝方法為微納機(jī)電系統(tǒng)及柔性可拉伸設(shè)備的高效高精度集成提供了一個(gè)嶄新的思路.