（机械电子工程专业论文）面向微流控芯片的微装配系统及相关技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微流控芯片作为生物芯片的发展前沿，是当前微全分析系统( “t a s ) 发展的重 点。它具有快速、高效、低耗等优点，在生物学、高通量药物合成筛选、疾病诊断等众 多领域应用具有广阔的前景。微型功能器件以及对外接口器件在微流控芯片上的应用， 加快了微流控芯片实现产业化、商品化的进程。自动微装配系统是实现微型功能器件， 对外接口器件与微流控芯片装配的关键设备。 本文综述了微装配技术产生、发展、国内外的研究现状以及微装配技术存在的问题 和难点，对微流控芯片的装配设备及装配中的问题进行了研究，完成了如下几个方面的 工作： 1 本文采用“自上而下”的方式设计微装配系统。系统除了必备三维工作平台、 显微镜和微夹持器外，由于装配中需要粘接，系统还包括自动点胶系统和紫外 固化光源。根据微流控芯片装配特点，采用模块化和面向对象的设计思想，设 计了微装配系统的系统软件。实现了对三维工作台、自动点胶系统的高精度控 制。 2 分析了微流控芯片与毛细管各自特点，并对紫外固化技术进行了阐述。进行了 “轴插孔”、紫外光照、粘结等一系列试验，确定了胶体注射时间、紫外光照 时间等工艺参数，并对紫外光照时间和强度对芯片材料( p m m a ) 的影响进行 了研究。 3 对毛细管与微流控芯片联接实验中存在胶体堵塞毛细管的问题进行了深入的研 究，提出了增加胶体粘度的方法解决问题，并通过了实验的验证。 4 针对商精度位移、压力控制过程中存在非线性摩擦影响控制精度的问题，本文 采用了脉冲对位移和压力控制的方法。在实验设备上，对于不同的矩形脉冲产 生的位移、压力等进行实验研究，建立了脉冲形状与位移、脉冲形状与压力关 系的模型。 关键词：微流控芯片：毛细管；微装配；联接 i 耍塑堂堂生堕堕鳌璺墨塑塑叁堡塑塞 r e s e a r c ho n a s s e m b l ys y s t e m f o rm i c r o f l u i d i c c h i p s a n dr e l a t e d t e c h n i q u e s a b s t r a c t a st h e d e v e l o p m e n t f x o n t o f b i o c h i p ，m i c r o f l u l d i cc h i p i so n eo f t h e i m p o r t a n ta s p e c t s o f i a - t a s ( m i n i a t u r i z e d t o t a l a n a l y s i ss y s t e m ) i t h a sg o o d c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h 嬲h i g hs p e e d ， 1 1 i g he f f i c i e n c y , l o wr e a g e n tc o n s u m p t i o n e t c i th a sw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h ef i e l d so f b i o l o g y , h i g h f l u xm e d i c i n e f o r m a t t i n ga n ds c r e e m n g , m e d i c a ld i a g n o s i se t c m i n i a t u r ef u n c t i o n d e v i c ea n di n t e r f a c ed e v i c ea r ea p p l i e dt om i c r o f l u i d i cc h i p ，w h i c hh a sa c c e l e r a t e dt h ep r o c e s s t h a tt h em i c r o f l u i d i cc h i pr e a l i z e si n d u s t r i a l i z a t i o na n dc o m m e r c i a l i z e s a u t o m a t i cm i c r o a s s e m b l ys y s t e m i sa 姆e q u i p m e n t ，w h i c h r e a l i z e s t h a t t h e m i n i a t u r e f u n c t i o n d e v i c e a n d i n t e r f a c ed e v i c ea r ea s s e m b l e d t h e d e v e l o p m e n t , c u r r e r t t r e s e a r c hs i t u a t i o na n d p r o b l e m a r es u m m a r i z e d a s s e m b l y d e v i c ea n d p r o b l e m w h i l e a s s e m b l i n g m i c r o f l u i d i c c h i p a r es t u d i e d t h e f o l l o w i n g i st h em a i n c o n t e n t s ： 1 m i c r oa s s e m b l y s y s t e m i sd e s i g n e dw i t h f r o mt o pt ob o t t o m ”b e s i d e st h et h r e e d i m e n s i o n a l w o r k b e n c h , m i c r o s c o p e a n dm i c r o g r i p p e r ，s y s t e m h a si n c l u d e d a u t o m a t i cd i s p e n s e ro f g l u ea n d u v s p o tl i g h ts o u r c e ，w h i c hi su s e di ng l u e a s s e m b l y o f m i c r o f l u i d i cc h i p a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro f m i c r o a s s e m b l y ， s y s t e m ss o f t w a r ea d o p t sm o d u l e a n do o d p h i l o s o p h y n el l i g ha c c u r a t ec o n t r o l o f t h r e e - d i m e n s i o n a lw o r k b e n c ha n d d i s p e n s e ri sr e a l i z e d 2 t h ec h a r a c t e ro f m i c r o f l u i d i c c h i pa n dc a p i l l a r y i sa n a l y z e d a n du v c u r i n g t e c h n o l o g y i se x p o u n d e d as e r i e so f e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e s u c ha s a x l e j a c k ”，u v - l i g h te x p o s u r ea n dg l u e t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s h a v eb e e nc o n f i r m e d ， s u c h 踮i n j e c t i o nt i m e , u v - l i g h t t i m ee r e a n dh o w v v - l i g h t l i m ea n d i n t e n s i t y i m p a c t o i lc h i p p o l y m e rm a t e r i a l ( p m 5 4 a ) h a s b e e ns t u d i e dt o o 3 r e s e a r c h o n t h e p r o b l e m s t h a t a d h e s i v e s m a y p e n e t r a t e i n t o t h ec a p i l l a r y d u e t o t h e c a p i l l a r y f o r c e i sc a r r i e d o u t t h e m e t h o d o f i n c r e a s i n g t h e v i s c o s i t y o f a d h e s i v e s h a sb e e nu s e dt os o l v et h i sp r o b l e m ，w h i c hh a sb e e n p r o v e d t ob ef e a s i b l ei n e x p e r i m e n b 4 a i m i n g a tp r o b l e m st h a t h i g h - a c c u r a c yd i s p l a c e m e n t a n d p r e s s u r ec o n t r o li s i n f l u e n c e dw i t hn o n l i n e a r f r i c t i o n ，p u l s ec o n 虹o l i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r a 大连理工大学硕士学位论文 d e t a i l e ds t u d y o f d i s p l a c e m e n t a n d p r e s s f o r c ec a u s e d b y d i f f e r e n t t o r q u ep u l s e s 1 1 a p e si sp r e s e n t e d f o rd e v i c e t h em o d e l so f r e l a t i o nb e t w e e n p u l s es h a p e a n d d i s p l a c e m e n t a n dr e l a t i o nb e t w e e n p u l s es h a p ea n dp r e s sa r eb a s e d k e y w o r d s ：m i c r o f l u i d i c c h i p ；c a p i l l a r y ；m i c r oa s s e m b l y ；j o i n i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：地乏塾日期：型：! ：= 本文由辽宁省自然科学基金项目“微流控芯片的微组装问题 与自动微组装系统研究”( n o 2 0 0 3 2 1 3 1 ) 资助完成，特此感谢l 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 微流控芯片 1 1 1 微流控芯片基本概念 微型全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s i ss y s t e m 即ut a s ) 或称芯片实验室 ( l a b o r a t o r y - o n - a - c h i p ，简称l o c ) 是一跨学科的新领域，其目的是通过分析化学、微 机电加工( m 卧d s ) 、计算机、电子学、材料学及生物学、医学的交叉实现化学分析系 统从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与便携化。四十年前微电子技术在 信息科学的发展中引发了一场革命，并对2 0 世纪的信息科学发展起了重要的推动作 嗣。最近的发展表明，9 0 年代初提出的以微电子加工技术为依托的微型全分析系统， 将对分析科学乃至整个科学技术的发展发挥相似的作用。它不仅可以使珍贵的生物试样 与试剂消耗降低到微升甚至纳升级，而且使分析速度成十倍、百倍的提高，费用成十 倍、百倍的下降，从而为分析测试技术普及到千家万户，实现分析实验室的“家庭 化”、“个人化”创造了条件【1 。当前微型全分析系统可分为芯片式与非芯片式两大类 ( 如图1 1 所示) 。 微分析系统 e r o a n a i y t i e a ls y s t e m s 徽阵列芯片( 生物芯片) jl 徽全分析系统 m i c r o a r r a yc h t p s ( b i o c h i p s ) it t t a s l v c 徽r o 流f l u 控i d i 芯cc 片h i p sli 非芯片系统 ll “ 毛细管电泳芯片ii 其他分离芯片ii 反应罴芯片ii 细胞计数莓片ii 集成多功能芯片 图1 1 微分析系统的分类【2 】 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no f t h em i c r oa n a l y t i c a ls y s t e m 1 面向微流控芯片的微装配系统及相关技术研究 微流控芯片主要以分析化学和分析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以 微管道网络为结构特征，是当前微全分析系统 发展的重点。它把整个化验室的功能，包括采 样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成 在微芯片上，且可多次使用，具有广泛的适用 性。微流控分析( m a c r o f l u i d i ca n a l y s i s ) 是微 型全分析系统的主要组成部分，而将化学分析 的多种分析功能集成在邮票大小的芯片上的微 流控芯片( m i c r o f l u i d i cc h i p s ) 又是当前最活跃 的发展前沿，代表着2 1 世纪分析仪器走向微型 化、集成化的发展方向，已成为国内外许多著 名实验室的奋斗目标 1 】。 微流控芯片分析系统优点： 图1 2 微流控芯片 f i g 1 2m i c r o f l u i d i ec h i p a 微流控分析系统具有极高的效率，许多微流控芯片可在数秒至数十秒时间内完成测 定、分离或其他更复杂的操作。分析和分离速度常高于相对应的宏观分析方法一至 二个数量级。其高分析和处理速度既来源于微米级通道的高导热和传质速率( 均与 通道直径平方成反比) ，也直接来源于结构尺寸的缩小。 b 微流控分析的试样与试剂消耗已降低到微升水平，并随着技术水平的提高，还有可 能进一步减少。 c 用微加工技术制作的微流控芯片部件的微小尺寸使多个部件与功能有可能集成在数 平方厘米的芯片上。 d 微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚少。 1 1 2 微流控芯片应用领域 微流控芯片在分析仪器微型化、集成化和便携化方面的巨大潜力为其在生物学、高 通量药物合成筛选、农作物的优选优育、环境检测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物 战剂的侦检和天体生物学研究等众多领域应用提供了广阔的前景。【3 】 1 2 微装配技术的研究 1 2 1 微装配技术概述 所谓微装配主要指对亚毫米尺寸( 通常在几微米到几百微米之间) 的零部件进行的 装配作业。它很早就存在于人们的生活中，例如钟表的装配。但随着微机电系统 2 大连理工大学硕士学位论文 ( m e m s ) 和纳米技术( n a n o t c c h n o l o g y ) 的发展，以及人们在生活中对微产品的迫切 需求，使得微装配技术的地位越来越重要 4 。 1 2 2 微装配系统的特点 微装配系统是完成微观领域的超精密装配的系统，因此其有以下一些与普通宏观装 配系统不同的特点： 微装配系统的装配对象是微小物体。装配对象的尺寸般从亚毫米级到亚微米级， 质量从克到毫克。 微装配系统本身可以是宏观物体。目前而言，将微装配系统整体实现微型化还有很 大困难，所以目前一般采用的方案便是微装配系统本身具有宏观尺寸，而微夹钳或 微夹钳的某一部分具有微观尺寸。 与宏观装配系统相比，微装配系统对位置精度的要求要高的多。通常宏装配的定位 精度为几百微米。 微观世界的物理法则十分复杂，在微观世界，运动学及力学特性不大服从于现有的 物理法则，有些控制策略也不能机械地用到微装配中。 1 2 3 微装配技术主要的应用领域 随着现代科学技术的发展，许多微机电产品应用于生物医学、汽车工业、航空航 天、环境监测等领域，随之带来的装配问题需要微装配系统来提高装配精度，降低劳动 强度。因此，微装配系统有着广泛的应用前景和研究价值。 1 ) 在微机械零件装配方面 现代机电产品微型化带来了深刻的技术革命，手提电话、光纤耦合、计算器、 精密手表，微型照相机、小型摄像机零件的组装面f 临着新的挑战。微装配系统通过 采用专门设计的工具、定位装置、照明装置和便于操作者的遥控作业或自动作业系 统可以方便地完成上述作业，并大大提高生产效率和装配质量。 2 ) m e m s 的组装和封装方面 随着m b m s 的飞速发展，m e m s 技术及其产品正在迅速增长。m e m s 器件一 般都有活动部件，比较脆弱，在封装前不利于运输。所以m e m s 器件芯片制造与 封装应统一考虑。因此，能够完成m e m s 器件组装和封装的微装配系统将成为需 求热点。 3 ) 在医学领域 在医学领域中，医疗机器人与计算机辅助外科手术技术是近年来多学科交叉领 域中兴起的前沿研究课题之一。 3 - 面向微流控芯片的微装配系统及相关技术研究 1 2 4 微装配技术的国内外研究现状 由于微细加工技术等半导体集成电路工艺的发展，导致了微机械技术的产生。并由 此出现了在微尺度上集成机械和电子系统的微机电系统( m e m s ) ，如微型药泵、微传 感器、微驱动器、喷墨打印机喷嘴、汽车安全气囊加速度计以及其它光电子器件等。并 且这些微机电系统目趋复杂，其中许多包含了不同的材料或者需要经过多种工序加工， 因此针对微机电系统的微装配和微操作研究日益引起国内外研究人员的重视。 图1 3 光纤装配系统 f i g 1 3a s s e m b l ys y s t e mo f o p t i cf i b r e 国际上己有的主要研究包括：美国国家标淮局的柔性支承一压电驱动微调工作台 ( 分辨率l n m ，行程5 0 i n n ，用于航天技术) ；日本日立制作所的三自由度微动工作 台，用于投影光刻机和电子曝光机，租动台行程为2 5 0 r a m 2 5 0 m m ，位移分辨率为 o 5 u m ，三维微动工作台被固定在粗动台上，两个方向的移动行程为2 0 a x t ，位移分辨 率为l ( k a n ，角度行程为1 4 m r a d 分辨率为2 z a d t 4 ；日本工程研究实验室、东京大学 5 、长冈技术科技大学分别研制出高精度的六维精密工作台、六自由度微动机构等；加 拿大m c g - i l l 大学研制的遥控纳米机器人，用于生物操作( 直线电机、压电无线驱动的 平行铰链机构，高分辨率为1 0 r i m ) ；瑞典u p p s a l a 大学的微操作机器人，在电子显微 镜下工作完成2 0 0 p m 的硅片切割、熔接和单晶硅微型针的制作等 4 。美国s a n d i a 实验 室研制了用于l i g a 零件装配的实验系统，它由4 d o fa m t i 装配机器人、4 d o f 精密 工组台、微动镊子和长工作空间的显微镜组成，通过遥控操作，可以完成采用l i f g a 技术加工的微型齿轮的抓取和释放操作，齿轮的外径1 0 0 p m a ，中心孔直径5 0 “m 6 1 。美 国华盛顿大学生物机器人研究室研制了用于蛋白晶体操作和处理的微细作业系统【7 。日 4 大连理工大学硕士学位论文 本东京大学m a r n o r u 等人研制了用于微外科手术的机器人微操作系统 8 。汽车测量距离 和速度的雷达传感器( r 矗d a rs e n s o r ) 上g b a s 芯片的安装 9 。其组装允许公差为+ 5 岫。用 于传感器中光纤的安装，其定位精度优于3 肛m 1 0 。慕尼黑工业大学开发研制的微组装 系统s a t u r n ( s e n s o r - b a s e dm i c r oa s s e m b l yt o o lu s i n gr o b o tv i s i o n ) 1 1 】，其上所安装 的视觉系统，视野范围为2 5 2 , 91 1 1 1 t 1 2 ，分辨率为3 3 “m ，s a t u r n 上还集成了胶粘接 工作站等设备。美国纽约仁斯利尔理工学院自动化技术研究中心( c a t ) 研制的用于光 纤自动装配的微装配系统( 如图1 3 所示) ，其直线定位精度可达到o 0 2 r n ，旋转定位 精度可达到3 弧秒 1 2 1 。在医学方面，新加坡大学机械控制实验室( c o m e ) 和生物部 联合研制的用于人体骨骼构架装配的微夹钳，采用记忆合金作为其驱动元件 13 。 我国的微操作系统和微机器人研究也取得了重要的成果：南开大学的“面向生物工 程的微操作机器人系统”，实现了对直径为1 2 1 3j _ u - n ，厚度小于5 b u n 的动物细胞的转 基因注射 1 4 ；北京航空航大大学的“面向生物工程的微操作机器人系统”，多次成功 地进行了小鼠卵细胞的显微操作实验 1 5 ；中国科技大学的“全光学生物微操作系 统”，利用光镊、光刀技术对细小生物细胞和活体进行捕获、移动、切割和细胞选择性 融合等作业 16 ；哈尔滨工业大学的“微米纳米级位移驱动器”达到2 1 i m 5 m n 的线位 移分辨率。“微操作机器人系统”粗动运动行程2 5 r a m ，运动分辨率l 岫；旋转驱动运 动行程1 8 0 。，运动分辨率0 0 1 。，微操作手x - - y 向行程3 8 t t m ，z 向行程9 5 m ，x - - y - - z 向分辨率为1 0 r i m 。大连理工大学的“m e m s 微操作系统”【1 7 】，实现了显微 立体成像下的细胞转基因操作，提高了操作效率和成功率，工作台行程5 0 r a m ，控制精 度达到o 3 岍l 。哈尔滨工业大学的基于 纤维视觉柔顺混合控制的微操作机器人 1 8 可完成轴直径为0 2 m m ，孔直径为 o 2 2 r a m 的轴孔自动装配。 近年来，重视宏璀观结合的微装配 机器人成为一种的趋势。由普通的工业 机器人或机床实现宏操作，而用微机器 人或微动装置实现精确的定位和加工等 操作。事实上，在设计中往往体现了机 器人化机床的趋势。宏微结合的机器人图1 4 可更换操作模块的微型机器 、型 设计，不仅可以克服微机器人的活动空f i g 1 4m 刑d 弘n w i t he x c h a n g e a b l e 间小的缺点，又可以利用普通机床实现 m a n i p u l a t i n gm o d u l e 5 面向微流控芯片的微装配系统及相关技术研究 精密加工。 除了上诉介绍的由超精密控制系统的一般操作手和系统外，有些研究机构则致力于 操作手微型化。像德国卡尔斯鲁厄大学hw o e z n 等人研制的微装配机器人 1 9 ( 如图 1 4 所示) ，其移动精度可达到2 0 a m ，最大移动速度可达3 0 m m s 。机械手具有3 个自 中度( 两个平移，一个旋转) 在一个玻璃平台上移动，它具有一个可拆换的三自由度的 手爪，能达到工作空间的任一点。 1 2 5 微装配技术的问题与难点 利用集成电路工艺制造微装配系统是未来发 展的方向，但目前还有许多问题要解决；在传统 m 的宏观技术上实现微装配是目前许多学者研究的 l i xl l ： 内容，其系统类型大致分为远端操作方式和自动 i ixi l i 操作方式【2 0 】a 近年来越来越多的微装配领域的学 篙：， p ：! s 研：生 。 2 2 占 - 6 大连理工大学硕士学位论文 范德华力是分了之间的力为f 4 】 f ：坚 6 z 2 ( 1 2 ) 式中：h 为常数；r 广为物体半径；z 为表面距离，z ( r 。 为了解决表面粘附力为微装配的影响，一些学者已经开展这方面的研究。像a r a i h e f u k u d a 2 2 等研究了如何通过调节接触面积和表面张力来控制微小物体粘附力，以达到 自如拿、放和灵活操作。 机构设计方面 微装配系统主要用于微小器件的加工装配等操作，因而其结构一般较小。这样就尽 量采用微小机构，使其结构紧凑并且传动链尽可能短，以便减少传动误差。另外，还 要有足够的承载能力、一定的移动速度和低的能耗，好的姿态稳定性、高的运动精度， 并能够适应工作表面的凹凸不平，有一定的越障能力以及较小的转弯半径。由于并联机 构具有结构紧凑、精度高、刚度好等特点，非常适用于微动机器人，因而国内外许多学 者将并联机构用于微操作机器人【2 3 】； i 装配中的对准 早期的微装配，人通过视觉系统观察装配对象操纵执行器对装配对象进行装配 的。但随着m e m s 以及纳米技术的出现，对微装配的精度和装配质量的进一步提高， 原有的“人工装配”已不能满足需求。因此，一种带有视觉伺服的自动微装配系统出现 了。视觉伺服的概念首先由h i l i 和p a r k 2 4 弓j 入，以区别于他们早期把图像摄取和运动 规划分开的研究工作。其具体的定义，按照h u t c h i n s o n 2 5 的理解，指采用闭环的方 式，通过不断地视觉反馈，来控制机器人的运动。这和早期视觉机器人采用开环的先 “看”后“动”的方式有着极大的区别。目前，视觉伺服理论主要分为基于位置和基于 图像两种。基于位置视觉伺服首先通过目标图像的特征提取，根据相机模型和副示几何 特性估计目标在相机空间的位置，伺服跟踪在估计空间进行。而基于在图像的方法中， 伺服跟踪直接在图像空间进行，因而大大减少了计算延时。其中前者具有更大的灵活性 和工作空间，而基于图像的方法具有较好的鲁棒性，易于实现，因而在机器人装配领域 得到更广泛的应用。 微小器件的夹取 7 面向微流控芯片的微装配系统及相关技术研究 设计和制造适合的微夹持器是微装配面临的一个挑战。因为微夹持器不仅需要满足 操作条件下复杂的力不确定性的要求，而且必须具有一定的自由度以满足微装配条件下 复杂的力不确定陛，而且必须具有定的自由度以满足诸如三维插轴入孔的灵活操作。 在微夹持器设计上，主要考虑下述问题： 1 ) 灵活抓取目标必须的运动学要求； 2 ) 稳定和安全抓取力的要求； 3 ) 传感和驱动方式以及可控性 微夹持器又称为微夹钳，是用来夹取微 器件。手爪可分为接触型、扰动型、光学诱 捕型、非接触型。 a 接触式手抓 机械式手爪 机械式手爪在微装配中是重要的操作工 图1 6 带有力测量的梳子结构的微 具，微型手爪不同于普通的机械手爪，太大 夹钳【2 6 j 的夹持力可能夹坏器件，太小的夹持力也可 。三黧要2 妻竺三：妻三矍蛊。 能夹不住器件，而最大和最小力相差不多， 所以精确力的控制是必须的。图1 6 所示是一种热势电式微夹钳的结构，该夹钳最大力 可达到9 i r 】n ，并带有用于力测量的梳齿结构。 真空手爪 真空手爪结构较简单，它用一个细的管道将吸液管或针与真空泵相连，这种手爪有 一个问题就是联接管道太细，容易阻塞，利用手爪自身产生真空的方法可解决这一问题 【2 7 。 b 扰动产生微运动 图1 7 1 4 中的运动部分是小的驱动器阵列，它们协作可将物体移动较远的距离，它 们的驱动方式两组驱动器交替产生运动，运动速度可达2 7 1 , t i n s ，运动频率为1 h z ，如 果将驱动器分成多组可产生任意方向的运动或对器件进行旋转。 c 光学诱捕 当光线被物体折射、吸收或反射时能形成光压，这种光压能诱捕几微米到几百微米 的器件。例如，中国科技大学的“全光学生物微操作n 统 1 6 ”，利用光镊、光刀技术 对细小生物细胞和活体进行捕获、移动、切割和细胞选择性融合等作业。 d 非接触式手爪 8 大连理工大学硕士学位论文 有些器件对机械式接触非常敏感，如非常薄的零件、易碎的零件和强度低的脆性零 件等，这些零件稍用力就会产生变形或破碎，这时就应使用非接触式手爪进行操作、文 献 2 8 提到的手爪可产生两种力一吸力和推力，这样两种力形成平衡后器件被悬浮在 空中，不与手爪接触、最后器件被定位于手爪的端部以防滑落。 舀屡 b 舢 图1 7 扰动产生微运动 h g 1 7t h ep e r t u r b a t i o np r o d u c e d 图1 8 折射产生光压 f i g 1 8r e f r a c t i o ne m e r g el i g h tp r e s s “n v 微装配中的精确定位 微装配机器人工作台一般采用二级定位，用粗精相结合的两个工作台来实现，粗工 作台完成高速大行程，而高精度小型程由微动工作台来实现，通过微动工作台对工作台 带来的误差进行精度补偿，来达到预定的精度。 微装配平台要具有较大的运动范围和很高的运动精度及运动重复性，而在控制过程 中，一些非线性的摩擦对平台的控制精度影响较大。平台除了运动精度要求高以外，而 且为了完成复杂操作还具有平动和转动多个运动自由度。理论上讲，平台的自由度越 多，其操作灵活性越好。但过多的自由度也意味着控制难度的增加及成本的提高。 、微测量技术 如同宏观装配一样，在微装配中仅仅靠视觉反馈是不够的。因此，在微装配系统中 集成力测量技术是一个发展方向。压电效应测量技术收至0 广泛重视，目前已能够达到微 牛顿级的实时测量精度；压阻效应元件能够达到毫牛顿级的实时测量精度；另一类重要 的测量技术是基于光学效应，如光的干涉。折射以及激光技术。光学测量不仅能够达到 纳牛顿级的实时测量精度，而且具有抗电磁干扰、不接触的特点。n e l s o t l 2 9 】提出了一 9 面向微流控芯片的微装配系统及相关技术研究 种利用激光测量光梁受力偏转，从而测量夹持力的方案。此外，扫描力显微镜、微力显 微镜均能够用于亚牛顿级的实时测量。 1 2 6 微流控芯片装配中存在的问题 微流控芯片是通过在芯片上微通道外加电场实现药物或化学试剂进行分离的。为了 扩展芯片的应用和功能，芯片上安装功能器件，与外部接口都是装配过程中所要面临的 问题。因此根据微流控芯片的特点决定了在微流控芯片分析系统微组装过程中，存在着 以下几方面问题： ( 1 ) 微流控芯片上微型功能器件的组装，如微泵、微阀等在芯片上的安装； ( 2 ) 微流控芯片与外部接口器件的组装，如外接毛细管、微电极等的安装： ( 3 ) 微型器件的胶粘接等微联接技术； 其中( 1 ) 、( 2 ) 所提出的问题是由于微泵、微阀等功能器件以及与外部的接口器 件所采用材料和制作工艺一般与基材不同，因而无法在微流控芯片上同时加工出各种功 能器件，即使能够加工，也会使加工过程过于复杂，显著增加制作成本。因此，为提高 微流控芯片的集成度和扩展其功能，微型功能器件和与外部接口器件的微组装问题是微 流控芯片制作技术研究中的关键问题。 1 3 微联接技术的研究 微联接技术是随着微电子技术和m e m s 技术的发展而逐渐形成的新兴技术，它与 微电子器件、m e m s 器件组装技术的发展有着密切的联系 3 0 l 。 微联接技术是指联接对象尺寸微小，联接精度高的联接技术。一般可分为焊接联 接、键合联接和粘结联接三大类。 微焊接与常规的焊接方法相比，主要有两方面的区别：一方面是联接材料的尺寸变 得极其微小，在常规焊接中被忽略或不起作用的一些影响因素此时却成为决定联接质量 和可焊性的关键性因素；另一方面，微电子材料结构的特殊性、性能要求的特殊性需要 采用特殊的联接方法。微焊接技术目前还主要集中在微电子器件中的引线联接和电子元 器件在印刷电路扳上的组装。在器件内引线联接上，随着器件集成度增加对高密度封装 的要求，从有线的丝球焊联接发展到t a b ( 载带自动焊) 、p h p c h i p ( 无引线的倒装芯 片) 方法。在微组装和表面微组装中，从提高生产效率方面，开发了汽相焊、波峰焊等 各种群焊技术；为提高接头可靠性和适应高密度组装，激光再流焊技术受到了极大的重 视；着眼于环境保护，无钎剂钎焊和免洗钎焊技术倍受关注 3 1 。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 键合联接主要针对固体和固体联接的一种联接方式。其主要有超声键合、热键合、 热超声键合三种方式。超声键合可在常温下进行联接，适用于混合集成电路以及热敏感 单片集成电路的联接。但对芯片电极表面粗糙度敏感，不利于提高器件的集成度。热键 合是直接或间接以静载或脉冲方式将压力与热量加到键合区，使接头产生典型的塑性变 形从而实现联接。该方法对键合件表面和键合环境的洁净度要求十分高，同时还要考虑 到被键合材料的韧性及其对氧的亲和力。热超声波键合是利用热压和超声波振动的优 点，超声波与热共同作用，一方面利用超声波的振动去膜作用，另一方面又利用了热扩 散作用。该方法是用于难于联接的厚膜混合基板的金属化层 3 0 】。 胶接联接是利用黏结剂将需要联接的器件联接在一起。在微电子领域，导电胶在微 电子器件内引线联接和印刷电路板组装方面的应用日益广泛。导电胶粘结工艺可在室温 至2 0 0 之间进行，比传统的金一硅共晶焊、软钎焊和银浆烧结的温度都低，可以避免 高温对芯片特性的损伤。同时这种工艺适合大批量生产和自动化作业，目前已成为半导 体器件装联的主流技术。 在m e m s 领域里，产品的微小型化和多功能的集成，使得微小型产品在材料和技 术上都必然是复杂的、集成的，而非单一的。其中代替通用的螺纹等普通零件的联接方 法，微型零件的联接技术同微型零件的制造和操作技术构成了生产复杂的多功能微系统 产品的基础。胶粘结技术与焊接技术相比具有不需要加热等优点，因而对所联接的零件 不会产生负面影响。胶粘结技术是联接由金属、塑料、硅等不同材料制成的微型零件的 重要联接技术之- - 3 0 l 。 在胶粘结剂方面，微电子工业中的反应型胶粘剂适用于微系统中微型零件的组装， 其中包括环氧树脂胶、聚氨脂胶、丙烯酸酯胶等。在应用方面，胶粘剂可以分为双组份 胶和单组分胶。双组分胶在两种成分混合后开始化学反应，经过一段时间( 一般为几分 钟到几个小时) 的胶粘剂适用期，胶粘剂开始硬化，不能再进行使用，因而不适应连续 的自动化生产。另外双组分胶的硬化时间较长，若微型零件之间的相对位置没有被长时 间固定，则在粘结后可能发生相对偏移，不适用于微型零件的自动微装配【3 2 。 单组分胶包括光硬化胶和光触发胶。光硬化胶包括紫外光硬化胶和可见光硬化胶。 紫外硬化胶比可见光硬化胶固化速度快，但可获得的固化胶层厚度较薄。光硬化胶在光 照下即开始硬化，并很快完全硬化。对于紫外光硬化胶，其硬化时间大约为十几秒左 右。紫外光硬化单组分胶适合透明微型零件的粘接。光触发胶在光照后并不马上开始硬 化，而是在光照射- - 4 , 段时间之后，即所谓“开放时间”，才开始硬化。在“开放时 间”内，胶的应用特性，如粘度等保持不变。“开放时间”可以通过改变光照射的时间 1 1 面向微流控苍片的微装配系统及相关技术研究 和强度来调整，一般的调整范围是5 秒到2 分钟。光触发胶只能够通过可见光进行触 发。光触发胶适用于不透明微型零件的装配。 德国合作研究中- t l , 5 1 6 ( s f b 5 1 6 ) 设计和制造微驱动系统( d e s i g na n d m a n u f a c t u r i n g o f a c t i v e m i c r o s y s t e m ) 目前开发研制的微型直线电机所采用的装配联接 技术为胶接技术。该装配系统采用内径为1 0 0 的金属毛细管作为注射器，可以获得体积 小于l o i l l 的胶滴，并具有较好的重复圈e 3 2 。 图1 9 点样滴胶照片图1 1 0 微型零件胶粘接机器人系统 f i g 1 9 t h ep i c t u r eo f d i s p e n s i n ga d h e s i v e sf i g 1 1 0m i c r o a s s e m b l yr o b o ts y s t e m 图1 1 1 微流控芯片与毛细管联接示意图 f j g 1 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o n n e c t o ru s i n gf o rm i c r of l u i d i cc h i pa n dc a p i l l a r y 1 2 大连理工大学硕士学位论文 台湾成功大学微机电系统设计与微制造实验室的c h i - h a nc h i o ug w o b i nl e e 3 3 对毛细管联接中存在的死体积问题( 如图1 1 1 所示) 进行了研究，并提出采用聚乙烯 二甲基硅氧烷( p d m s ) 浇铸技术进行毛细管的联接达到最小死体积的目的。 a ) 一根导线放在毛细管中 b ) 联接的俯视图 c ) 联接透视图 d ) 粘接后透视图 图1 1 2 最小死体积联接结构示意图 f i g 1 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f m i n i m a l - d e a d - v o l u m ec o n n e c t o r - 1 3 。 面向微流控芯片的微装配系统及相关技术研究 加利福尼亚理工学院的e u i sm e n g 和s h u y u nw u 3 4 等人针对微机械联接的问题研 制具用自矫正功能的微联接器。他们采用深层离子刻蚀( d r i e ) 和b u l k 微加工技术加 工微联接器用于毛细管和m e m s 流体器件的联接。( 如图1 1 3 所示) a ) b u l k 加工的联接器 b ) 模铸联接器c ) i 襄合物联接器 图1 1 3 联接器 f i g 1 1 3c o n n e c t o r 1 4 课题来源与本论文的研究工作 1 4 1 课题来源 “微流控芯片自动微组装系统研究”属于微装配研究领域，由辽宁省自然科学基金 项目“微流控芯片的微组装问题与自动微组装系统研究”( n o 2 0 0 3 2 1 3 1 ) 资助。 1 4 2 本论文的主要研究工作 本文匿l 绕基于微流控芯片类m e m s 器件的微装配系统，作了如下几方面的工作： 在查阅多个学科、大量文献的基础上，探讨了微装配系统的功能和实现方法。 根据装配任务，对微流控芯片的制备工艺和其功能特点，提出可行的装配方 案。 针对微流控芯片与毛细管联接这一任务，搭建了装配系统平台；并设计了自动 点胶系统。 应用所研制的微装配系统，针对微流控芯片与毛细管装配中毛细管的夹持、移 动、释放和粘接进行了实验研究，分析了实验结果，并提出了系统的改进方 案。 针对微装配要求高定位精度的要求，对采用脉冲法对机电设备高精度控制进行 了研究。 1 4 大连理工大学硕士学位论文 2 微装配实验系统研制及性能测试 2 1 引言 微装配涉及的任务范围很广，有简单的预处理操作，如固定微器件、画基准线、清 洗工件等：也有后续的m e m s 装置组装作业和完成装配以后的检测作业。微装配系统 就是面向微型装配的作业系统，有些文献称为微装配工作站，或者是微装配机器人。 2 2 微装配系统总体设计 图2 1 微装配系统框图 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo fm i c r o a s s e m b l ys y s t e m - 1 5 面向微流控芯片的微装配系统及相关技术研究 微装配系统采用“自上而下”的设计方式，即先分析系统需要完成的功能和精度指 标，然后进行结构和功能设计，最后再完成各零部件的设计。本文所要研制的微装配系 统，主要是用于微流控芯片与毛细管的装配联接以及芯片与其他配件的联接，安装部分 的尺寸微小，从而要实现的功能主要分为两大部分，毛细管与芯片的对准和联接。针对 系统的需求，满足功能和应用范围，作者设计了一套用于毛细管与微流控芯片联接的微 装配系统。 一般精密仪器的设计，要满足精度、经济性、效率、可靠性、寿命、造型等要求， 其中精度要求是第一位的。对于微装配系统而言，微器件所要的装配精度决定了微装配 系统要达到的精度。本系统装配对象的装配部分尺寸 l m m ( 毛细管的外径为3 7 5 i x m ， 安装孔的孔径 5 0 0 9 i n ) 。 2 2 1 微装配系统的构成 微装配系统由微夹钳、左三维工作台、右三维工作台、自动点胶系统、紫外固化系 统、控制计算机、电气控制箱等7 部分组成。系统结构框图如图2 1 所示，整个系统由 一台个人p c 进行控制，借助于两个x y z 精密三轴电控工作平台，微装配系统能实现 微米级进度的三个自由度的运动，并且能够夹持、移动、释放微器件：通过自动点胶系 统能实现微升级注射量的控制，微装配系统可完成微器件的联接。 2 2 2 夹持部分 微夹持部分是微装配系统的重要组成部分，它的性能直接影响到微装配系统的操作