微構件粘著接觸模型和基于粘著力的微操作方法研究.pdf

1、隨著人們對眾多工業(yè)產品小型化、集成化的不斷需求，微操作技術日益凸現(xiàn)其重要性，在微電子工程、精密制造、生物工程等諸多領域均具有廣闊應用前景。微納米技術近年來的快速發(fā)展，推動著各類功能化的微器件在多種微操作系統(tǒng)中應用；另一方面，制造組件更加微小、功能更加集成的微光機電系統(tǒng)也對微操作技術提出了更高的要求。
　　由于尺度效應作用，在微米尺度下各種表面粘著力的作用開始占據(jù)主導地位。粘著力常會干擾微操作過程，影響微操作的可靠性和高效性，制約著

2、微操作技術的推廣應用。本文針對上述問題，結合國家杰出青年基金項目和國家高技術研究發(fā)展計劃項目，對微操作中構件間的粘著機理和粘著接觸模型進行研究，并基于所建立的模型，研究基于粘著力控制的微操作方法。
　　針對微操作中構件間廣泛存在的粘著現(xiàn)象，從尺度效應著手，在分析原子和分子間作用力的基礎上，獲得微操作中各種粘著作用力的機理和特性。在此基礎上，分析了在進行微操作工具優(yōu)化設計和路徑規(guī)劃時考慮粘著現(xiàn)象的方法，并以簡化的典型微構件操作配置為

3、例，研究了微構件間范德華作用力的近程作用特性和毛細作用力的環(huán)境依賴性。
　　粘著現(xiàn)象是多種作用力共同作用的結果，而每種作用力具有不同的特征。為了定量認識微操作中構件之間的粘著作用力，必須對各種粘著力進行分別分析。本文考慮到實際微構件操作中的配置，重點研究了微構件之間的范德華粘著力和微構件之間的毛細作用力。
　　針對實際表面均不是理想光滑表面的特點，采用分形幾何描述對粗糙表面建模，基于單微突體的粘著接觸模型建立粗糙表面間的粘著

4、接觸模型，并在此基礎上分析影響范德華粘著作用力的各種因素。分析結果表明，隨著粗糙表面分形維數(shù)變大，粗糙表面間的粘著力顯著增加；隨著分形粗糙度參數(shù)的增大，粗糙表面間的粘著力減??；隨著固體材料彈性模量增大，粗糙表面間的粘著力減小；隨著兩表面間粘著能的增大，粘著力急劇增大。
　　另外，基于圓形輪廓近似建立了微構件之間的毛細作用力模型。與基于Laplace方程的復雜數(shù)值模型比較結果顯示，所建立的模型在構件間距離較小時，具有較高的精度。分析

5、表明：在微觀尺度表面張力通常對毛細作用力具有不可忽略的貢獻；彎月面輪廓半徑對毛細作用力具有重要影響，液體在兩微構件上的接觸角及構件幾何形狀也會影響毛細作用力。
　　針對常規(guī)微夾持工具和真空吸附式作業(yè)工具的不足，考慮到微尺度下粘著力的主導地位，提出了基于粘著力控制的微操作方法。拾取和釋放操作中分別需要增強和減弱操作工具和微構件之間的粘著力，為此提出利用粘彈性材料工具通過速度控制改變粘著力，從而實現(xiàn)微構件拾取和釋放操作。在微構件轉移過

6、程中，依靠粘著力大于重力的特性保持工具和微構件的相對位置。為了可靠釋放，提出了利用毛細作用力控制液體種類和體積的方法執(zhí)行微構件釋放操作。
　　為了驗證所建立的相關模型和提出的基于粘著力的微操作方法，進行了系列的實驗研究。首先測量了粘彈性材料工具和微構件之間的粘著力，表明了其相對于重力的主導地位。其次驗證了粘彈性材料工具和固體材料之間的粘著遲滯作用，說明了可以利用運動速度控制執(zhí)行微構件操作。另外測量了微構件之間的毛細作用力，驗證了所