微构件粘着接触模型和基于粘着力的微操作方法研究

论文摘要

随着人们对众多工业产品小型化、集成化的不断需求,微操作技术日益凸现其重要性,在微电子工程、精密制造、生物工程等诸多领域均具有广阔应用前景。微纳米技术近年来的快速发展,推动着各类功能化的微器件在多种微操作系统中应用;另一方面,制造组件更加微小、功能更加集成的微光机电系统也对微操作技术提出了更高的要求。由于尺度效应作用,在微米尺度下各种表面粘着力的作用开始占据主导地位。粘着力常会干扰微操作过程,影响微操作的可靠性和高效性,制约着微操作技术的推广应用。本文针对上述问题,结合国家杰出青年基金项目和国家高技术研究发展计划项目,对微操作中构件间的粘着机理和粘着接触模型进行研究,并基于所建立的模型,研究基于粘着力控制的微操作方法。针对微操作中构件间广泛存在的粘着现象,从尺度效应着手,在分析原子和分子间作用力的基础上,获得微操作中各种粘着作用力的机理和特性。在此基础上,分析了在进行微操作工具优化设计和路径规划时考虑粘着现象的方法,并以简化的典型微构件操作配置为例,研究了微构件间范德华作用力的近程作用特性和毛细作用力的环境依赖性。粘着现象是多种作用力共同作用的结果,而每种作用力具有不同的特征。为了定量认识微操作中构件之间的粘着作用力,必须对各种粘着力进行分别分析。本文考虑到实际微构件操作中的配置,重点研究了微构件之间的范德华粘着力和微构件之间的毛细作用力。针对实际表面均不是理想光滑表面的特点,采用分形几何描述对粗糙表面建模,基于单微突体的粘着接触模型建立粗糙表面间的粘着接触模型,并在此基础上分析影响范德华粘着作用力的各种因素。分析结果表明,随着粗糙表面分形维数变大,粗糙表面间的粘着力显著增加;随着分形粗糙度参数的增大,粗糙表面间的粘着力减小;随着固体材料弹性模量增大,粗糙表面间的粘着力减小;随着两表面间粘着能的增大,粘着力急剧增大。另外,基于圆形轮廓近似建立了微构件之间的毛细作用力模型。与基于Laplace方程的复杂数值模型比较结果显示,所建立的模型在构件间距离较小时,具有较高的精度。分析表明:在微观尺度表面张力通常对毛细作用力具有不可忽略的贡献;弯月面轮廓半径对毛细作用力具有重要影响,液体在两微构件上的接触角及构件几何形状也会影响毛细作用力。针对常规微夹持工具和真空吸附式作业工具的不足,考虑到微尺度下粘着力的主导地位,提出了基于粘着力控制的微操作方法。拾取和释放操作中分别需要增强和减弱操作工具和微构件之间的粘着力,为此提出利用粘弹性材料工具通过速度控制改变粘着力,从而实现微构件拾取和释放操作。在微构件转移过程中,依靠粘着力大于重力的特性保持工具和微构件的相对位置。为了可靠释放,提出了利用毛细作用力控制液体种类和体积的方法执行微构件释放操作。为了验证所建立的相关模型和提出的基于粘着力的微操作方法,进行了系列的实验研究。首先测量了粘弹性材料工具和微构件之间的粘着力,表明了其相对于重力的主导地位。其次验证了粘弹性材料工具和固体材料之间的粘着迟滞作用,说明了可以利用运动速度控制执行微构件操作。另外测量了微构件之间的毛细作用力,验证了所提出的毛细作用力模型的正确性。最后,进行了基于粘着力控制的微操作实验,验证了所提出的基于粘着力控制执行微操作任务的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及其意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微操作系统的发展状况
• 1.2.2 微尺度中的粘着问题概述
• 1.2.3 粘着接触力学模型研究现状
• 1.2.4 考虑减弱粘着作用的微操作工具和方法研究现状
• 1.2.5 微操作中对粘着作用的利用方法研究现状
• 1.3 课题来源和本文主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 本文主要研究内容
• 第2章 微构件间粘着机理与粘着力对微操作的影响分析
• 2.1 引言
• 2.2 微构件间作用力的尺度效应及粘着机理分析
• 2.2.1 微构件尺度和本征尺度的比较
• 2.2.2 不同尺度下表面力和体力的比较
• 2.2.3 原子和分子间的作用力与作用势
• 2.2.4 微构件间各种粘着力的作用机理与特性
• 2.3 粘着对微构件操作的影响分析
• 2.3.1 粘着对微操作过程的影响
• 2.3.2 粘着对微夹持工具设计的影响
• 2.3.3 粘着对微操作路径规划的影响
• 2.4 典型微构件操作中的粘着力简化分析
• 2.4.1 典型微构件操作中的范德华力简化分析
• 2.4.2 典型微构件操作中的毛细作用力简化分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 微构件间粘着接触力学模型研究
• 3.1 引言
• 3.2 微构件粗糙表面的分形描述与模拟
• 3.2.1 粗糙表面的描述方法比较
• 3.2.2 粗糙表面的分形描述与模拟
• 3.3 基于DMT理论的粗糙表面间范德华粘着接触模型
• 3.3.1 单微凸体的弹性接触模型
• 3.3.2 基于DMT理论的分形表面粘着接触模型
• 3.3.3 粗糙表面粘着的影响因素分析
• 3.4 对称形状微构件间毛细粘着作用模型
• 3.4.1 微构件-微构件间毛细作用模型建立
• 3.4.2 微构件间毛细作用模型的数值验证
• 3.5 微构件间毛细粘着作用的影响因素分析
• 3.5.1 表面张力对毛细作用力的贡献分析
• 3.5.2 微构件形状对毛细粘着的影响分析
• 3.5.3 接触角对毛细粘着的影响分析
• 3.5.4 分形粗糙表面对毛细粘着的影响分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于粘着力的微操作方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 传统微操作工具的特点与不足
• 4.2.1 微尺度对象操作的特点分析
• 4.2.2 微夹持器的特点和不足
• 4.2.3 真空吸附工具的特点与不足
• 4.3 基于粘着力控制的微操作方案
• 4.3.1 微尺度粘着效应的减弱和克服
• 4.3.2 微尺度粘着效应的增强与应用的可能性分析
• 4.3.3 基于粘着力控制的微尺度对象操作方案
• 4.4 基于粘着力控制的微构件操作方法
• 4.4.1 粘弹性材料的粘着特性分析
• 4.4.2 基于粘着力控制的微构件拾取方法
• 4.4.3 基于粘着力控制的微构件释放方法
• 4.5 基于毛细作用力的微构件释放方法
• 4.5.1 液体体积固定时毛细作用力计算方法
• 4.5.2 液体体积固定时毛细作用力随距离变化关系
• 4.5.3 最大毛细作用力随液体体积的变化情况
• 4.5.4 依靠毛细作用力实现微构件释放的方法
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于粘着力的微操作实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 聚二甲基硅氧烷粘附型工具研制
• 5.2.1 方块状粘附型工具制作
• 5.2.2 球冠状粘附型工具制作
• 5.3 粘附型微操作工具和微对象之间的粘着力实验
• 5.3.1 实验原理与系统建立
• 5.3.2 粘附型工具和微球之间的粘着力实验
• 5.4 PDMS粘弹性材料工具和固体之间的粘着迟滞实验
• 5.4.1 粘着迟滞实验原理和系统建立
• 5.4.2 粘着迟滞实验
• 5.5 微球和平板之间的毛细作用力测量实验
• 5.5.1 毛细作用力测量原理和系统建立
• 5.5.2 接触角和液体体积测量方法
• 5.5.3 毛细作用力测量实验
• 5.6 基于粘着力控制的微操作实验
• 5.6.1 基于粘着力控制的微操作原理
• 5.6.2 基于粘着力控制的微操作系统建立
• 5.6.3 基于粘着力和速度控制的微操作实验
• 5.6.4 基于毛细作用力控制的微对象释放实验
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历