微構(gòu)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(duì)眾多工業(yè)產(chǎn)品小型化、集成化的不斷需求，微操作技術(shù)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(lǐng)域均具有廣闊應(yīng)用前景。微納米技術(shù)近年來的快速發(fā)展，推動(dòng)著各類功能化的微器件在多種微操作系統(tǒng)中應(yīng)用；另一方面，制造組件更加微小、功能更加集成的微光機(jī)電系統(tǒng)也對(duì)微操作技術(shù)提出了更高的要求。
　　由于尺度效應(yīng)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(dǎo)地位。粘著力常會(huì)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(shù)的推廣應(yīng)用。本文針對(duì)上述問題，結(jié)合國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目和國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目，對(duì)微操作中構(gòu)件間的粘著機(jī)理和粘著接觸模型進(jìn)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(duì)微操作中構(gòu)件間廣泛存在的粘著現(xiàn)象，從尺度效應(yīng)著手，在分析原子和分子間作用力的基礎(chǔ)上，獲得微操作中各種粘著作用力的機(jī)理和特性。在此基礎(chǔ)上，分析了在進(jìn)行微操作工具優(yōu)化設(shè)計(jì)和路徑規(guī)劃時(shí)考慮粘著現(xiàn)象的方法，并以簡(jiǎn)化的典型微構(gòu)件操作配置為

3、例，研究了微構(gòu)件間范德華作用力的近程作用特性和毛細(xì)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(jié)果，而每種作用力具有不同的特征。為了定量認(rèn)識(shí)微操作中構(gòu)件之間的粘著作用力，必須對(duì)各種粘著力進(jìn)行分別分析。本文考慮到實(shí)際微構(gòu)件操作中的配置，重點(diǎn)研究了微構(gòu)件之間的范德華粘著力和微構(gòu)件之間的毛細(xì)作用力。
　　針對(duì)實(shí)際表面均不是理想光滑表面的特點(diǎn)，采用分形幾何描述對(duì)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(chǔ)上分析影響范德華粘著作用力的各種因素。分析結(jié)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小；隨著固體材料彈性模量增大，粗糙表面間的粘著力減?。浑S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(gòu)件之間的毛細(xì)作用力模型。與基于Laplace方程的復(fù)雜數(shù)值模型比較結(jié)果顯示，所建立的模型在構(gòu)件間距離較小時(shí)，具有較高的精度。分析

5、表明：在微觀尺度表面張力通常對(duì)毛細(xì)作用力具有不可忽略的貢獻(xiàn)；彎月面輪廓半徑對(duì)毛細(xì)作用力具有重要影響，液體在兩微構(gòu)件上的接觸角及構(gòu)件幾何形狀也會(huì)影響毛細(xì)作用力。
　　針對(duì)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(dǎo)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(qiáng)和減弱操作工具和微構(gòu)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(shí)現(xiàn)微構(gòu)件拾取和釋放操作。在微構(gòu)件轉(zhuǎn)移過

6、程中，依靠粘著力大于重力的特性保持工具和微構(gòu)件的相對(duì)位置。為了可靠釋放，提出了利用毛細(xì)作用力控制液體種類和體積的方法執(zhí)行微構(gòu)件釋放操作。
　　為了驗(yàn)證所建立的相關(guān)模型和提出的基于粘著力的微操作方法，進(jìn)行了系列的實(shí)驗(yàn)研究。首先測(cè)量了粘彈性材料工具和微構(gòu)件之間的粘著力，表明了其相對(duì)于重力的主導(dǎo)地位。其次驗(yàn)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(yùn)動(dòng)速度控制執(zhí)行微構(gòu)件操作。另外測(cè)量了微構(gòu)件之間的毛細(xì)作用力，驗(yàn)證了所