基于疏水表面冷凝和振動(dòng)粘著控制的微對(duì)象操作方法研究.pdf

1、微型化、集成化的產(chǎn)品需求促使操作對(duì)象從宏觀延伸至微觀，微操作技術(shù)的重要性日益凸顯，在微系統(tǒng)制造、生物顯微操作、光學(xué)調(diào)整等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。面對(duì)微操作進(jìn)程中的日益微型化、精細(xì)化和復(fù)雜化，微操作對(duì)象的特征尺寸更加微小，對(duì)微操作工具和操作方法提出了更高的挑戰(zhàn)和要求。微尺度對(duì)象質(zhì)量輕、質(zhì)地脆的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)械式夾持方式具有嚴(yán)格的出力要求，否則易造成表面局部應(yīng)力集中，造成微對(duì)象變形，甚至損壞。
　　基于液滴毛細(xì)力的操作方法具有柔順性和自校

2、準(zhǔn)功能，但實(shí)時(shí)獲取操作液滴是實(shí)現(xiàn)微操作系統(tǒng)自動(dòng)化的先決條件。同時(shí)，尺寸效應(yīng)引起的粘著力主導(dǎo)作用常干擾微操作進(jìn)程，特別是在微對(duì)象操作的終端釋放環(huán)節(jié)，阻礙微對(duì)象的順利脫落。針對(duì)上述問題，本文研究疏水表面冷凝液滴的生成機(jī)理，提出基于疏水表面冷凝和振動(dòng)粘著控制的微對(duì)象轉(zhuǎn)移方法分別作用于微對(duì)象拾取和釋放進(jìn)程，研制冷凝微執(zhí)行器和柔順微操作系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)研究。分別對(duì)冷凝液滴生長模型、柔順可控拾取方法、振動(dòng)控制和輔助液滴釋放策略以及操作實(shí)驗(yàn)等方面開展了深

3、入研究。
　　在微尺度粘著特性分析和疏水表面冷凝機(jī)理方面，通過典型配置分析粘著力的產(chǎn)生和計(jì)算方法。提出基于冷凝控制的毛細(xì)力操作液滴獲取方法，分析親疏水表面液滴冷凝特性。研究疏水端面冷凝液滴生長機(jī)理，建立冷凝液滴生長模型，包括單液滴的直接生長、液滴合并和液滴移動(dòng)模型，分析過冷度和飽和溫度對(duì)冷凝能力的影響。研究探針曲率半徑、溫度梯度和探針邊緣效應(yīng)對(duì)冷凝液滴移動(dòng)特性的作用，獲得穩(wěn)定液滴形成所需的條件，解決毛細(xì)力操作液滴穩(wěn)定獲取的問題，并

4、實(shí)驗(yàn)分析冷凝液滴的移動(dòng)特性對(duì)穩(wěn)定單液滴獲取的影響。
　　在微對(duì)象柔順拾取方面，提出基于疏水表面冷凝的可控毛細(xì)力拾取方法，分析毛細(xì)力拾取控制的可行性。確立單針式毛細(xì)力微操作工具的實(shí)施方式和基于疏水表面冷凝控制的微對(duì)象拾取進(jìn)程。建立疏水表面冷凝進(jìn)程的液橋模型，研究冷凝各階段液橋的變化，分析冷凝粘著滯后對(duì)毛細(xì)力的影響。建立平面-球面、凹面-球面、錐面-球面三種配置方式下的靜態(tài)液橋模型，通過精確迭代求解，研究接觸角、液橋體積、液橋高度和操

5、作工具形狀因子等參數(shù)對(duì)毛細(xì)力拾取能力的影響，用以指導(dǎo)冷凝控制的毛細(xì)力拾取進(jìn)程。通過對(duì)冷凝液橋的控制，實(shí)驗(yàn)分析微對(duì)象拾取的可控性。
　　在振動(dòng)控制和液滴輔助的微對(duì)象釋放策略方面，研究粗糙度表面的粘著作用，提出表面改性和振動(dòng)粘著控制相結(jié)合的主動(dòng)釋放策略，建立基于慣性釋放的動(dòng)態(tài)模型。研究具有自校準(zhǔn)功能的液滴輔助釋放策略，分析輔助釋放的雙液橋模型和自校準(zhǔn)模型，利用自校準(zhǔn)能力解決釋放后的偏移問題。研究基于冷凝控制的輔助液滴動(dòng)態(tài)分配方法，建立

6、動(dòng)態(tài)仿真模型，研究分離速度、接觸角、基底曲率半徑等因素對(duì)基底輔助液滴獲取率和斷裂距離的影響。并實(shí)驗(yàn)研究各參數(shù)對(duì)輔助液滴獲取能力的影響，調(diào)控不同的參數(shù)配置可實(shí)現(xiàn)輔助液滴的動(dòng)態(tài)分配控制。
　　在基于疏水表面冷凝和振動(dòng)粘著控制的微對(duì)象操作實(shí)驗(yàn)方面，首先研制了冷凝微執(zhí)行器，對(duì)影響冷凝液滴形成能力的結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)測量毛細(xì)拾取力，以微球和微平板元件作為測試對(duì)象，完成柔順拾取實(shí)驗(yàn)。研制具有振動(dòng)釋放功能的真空吸附微操作工具，實(shí)驗(yàn)