毛细力驱动自组装定位模型

自组装是一种无外来因素条件下形成超分子结构或介观超结构的过程。利用毛细力驱动的自组装技术已经被证明是一种把微元件组装到基片上的有效方法。其关键技术是控制粘合区及微元件的亲水、疏水表面。毛细力驱动自组装有如下特点: 1)与平行批量微加工相比非常经济; 2)可以用于微结构和基片材料不同的组装; 3)属于无控制定位技术,消除了定位机构的误差影响。

自1997年Andreas等人利用毛细力驱动自组装了一系列mm量级的组件以来,该技术得到了很大的重视与发展[1]。Srinivasan等人通过实验分析了不同元件的组装结果及精度[2],并且利用该技术成功组装了微执行器上的六边形镜片组[3]。B hringer等人对分批自组装加工的控制进行了研究[4],并且建立了自组装系统能量模型[5],利用软件SurfaceEvolver对系统组装过程能量变化进行了分析。粘合区及微元件的形状对于自组装精度非常重要。本文将通过分析毛细力驱动自组装的机理,建立粘合区的能量模型和仿真模型,从而分析不同形状的微元件定位粘合的过程。

1　毛细力驱动自组装机理

毛细现象是人们熟知的一种表面物理化学现象。当液体与毛细管接触时,在液面的正交方向上存在一个压力差Δp,引起了毛细管中水面的升降。在毛细力驱动自组装加工过程中,需要在待组装表面进行蒸金处理,如图1a所示。由于未处理过的金表面暴露在空气中具有70°的接触角,当与水接触时,水分子受到毛细力作用而被吸引,从而表现出亲水性质。此时分界面处的液体分子被挤到一起,使分界面层分子浓度略变浓,从微观来看使得分子间距离r减小,从而使分子势能减小。

当对蒸金表面用脂类液体处理后,金表面将吸附一层自组装膜,如图1b所示,此时其接触角变为110°。为实现粘合,在基片上再附上一层粘合剂。当把待组装元件及基片放入水中,如图1d所示,由毛细力作用,分界面上的分子受到垂直液面向内的合引力(即内聚力f)的作用而挤入液体内部,使分子浓度略略变稀,从微观来看使得分子间距离r增大,使分子势能增大,从而使表面势能即表面能提高。

在势阱的作用下势能要趋小,分子间受到互吸力的作用使r有恢复到初始状态r0的倾向。这个互吸力的作用显然是各向同性的,在垂直液面的方向上起着平衡内聚力的作用,防止表面层内液体分子进一步挤入内部造成“坍缩”。在平行于液面的方向上互吸力使分子靠拢,液面收缩,从而产生表面外凸变形。

当元件与基片未接触时,由于系统自由能增加,在分界面上出现柔性表面,系统处于亚稳定状态。根据热力学定律,敞开系统在不受外力作用情况下,能量有减小的趋势,即向自然界释放自由能。因此对系统提供一个外界干扰力,使待组装表面产生接触的机会,从而造成柔性表面的再次变形。