利用液体桥力的微球转移操作

微操作是实现微机电系统(MEMS)装配和测试必不可少的手段[1]。随着操作对象尺寸的减小,发生接触的表面之间的粘着会使一个被抓取的微小对象粘附在操作执行器上,无法被释放。有时,可以用简单的探针型操作执行器代替夹持型操作器,通过推动实现简单的位移或者旋转操作[2],从而有效地减小微小对象被粘附的可能,然而此时又出现另一个问题,就是很难实现单个对象大范围的转移。本文研究了一种利用液体桥力的操作方法,既克服了表面粘着的影响,又实现了微球的转移。操作过程是:利用操作臂和微球之间的液体桥力将微球粘在探针型操作臂上,抬起操作臂并移至目标点(距离可以很远),然后利用目标平面和微球之间的液体桥力将微球和操作臂分离,使微球留在目标平面上。

1　微操作中的相关作用力

通常,微操作对象的尺寸为微米或者亚微米级。在这个尺度下,表面粘着力、静电力、液体桥力、重力等因素相互耦合,影响操作过程。下面逐一分析各个作用力。

1.1　表面粘着力

微操作过程中必然存在两个固体接触,它们之间的表面粘着力起源于表面层分子之间的van derWaals力,用Dupré粘着能表征两个表面粘着的强度[3]:

w=γ1+γ2-γ12. (1)

其中:γ1和γ2为两个固体的表面自由能,γ12为它们的界面能。如果两个固体为同种材料,则

w= 2γ1. (2)

　　对于一个光滑的球和平面接触的情况, DMT(Derjaguin, Muller, Toporov)理论给出的粘着力表达式为[4]

Pmax=- 2πwR. (3)

对于两个球接触的情况,可以等效为一个球和一个平面接触,等效半径为R=(1/R1+1/R2)-1,其中R1和R2分别为两个球的半径。

1.2　静电力

微操作中静电力包括以下3种[5]: 1)不带电球体接触产生的静电力; 2)带电体和不带电平板之间的静电力; 3)两个带电球体之间的静电力。根据各种静电力相应的来源,在实际操作中,可以通过相应的技术手段减小或者消除静电。在本文的微操作方法分析中,由于存在液体介质,基本可以忽略静电的影响。

1.3　液体桥力

当少量的液体聚集在两个弹性体的接触区时,在接触点附近会形成液体桥和弯月面(如图1所示)。此时,在两个弹性体之间存在着液体桥力。

根据Young-Laplace公式,在弯月面的两侧存在一定的压力差,称为毛细管力(又叫Laplace压力),可以表示为[6]

其中:rK是弯月面的平均曲率半径,γL是液体在空气中的表面张力。

微球和平面之间由液体桥力粘附在一起时,可能出现图1所示的3种情况。