[发明专利]具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法及实现该方法的装置在审

专利信息
申请号: 201510397636.9 申请日: 2015-07-08
公开(公告)号: CN104990665A 公开(公告)日: 2015-10-21
发明(设计)人: 王乐锋;苏凤婷;范增华;荣伟彬;孙立宁 申请(专利权)人: 哈尔滨工业大学
主分类号: G01L9/12 分类号: G01L9/12;G05D11/13
代理公司: 哈尔滨市松花江专利商标事务所 23109 代理人: 岳昕
地址: 150001 黑龙*** 国省代码: 黑龙江;23
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摘要:
搜索关键词: 具有 传感 校准 功能 颗粒 转移 方法 实现 装置
【说明书】:

技术领域

发明涉及微/纳颗粒操作技术,具体涉及具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移技术。

背景技术

随着微对象特征尺寸的逐渐减小,尺寸效应和表面效应越来越显著,粘着力相对重力将逐渐占据主导位置。基于液滴的毛细力微/纳颗粒转移方法具有特有的柔顺性,可以适应结构复杂的微对象,避免传统机械夹持产生的应力集中,并实现微/纳颗粒释放中的自校准。现有毛细力操作工具不具有微力检测功能,无法实时检测微/纳颗粒转移过程中的动态毛细力。此外,微/纳颗粒特征尺寸的进一步减小,微/纳颗粒容易粘着在探针的末端不能顺利脱落,对微/纳颗粒转移的可靠性和释放精度提出了更高的要求。具有微力传感功能的可靠微/纳颗粒柔顺转移方法依旧是微/纳操作技术的研究重点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有基于毛细力的微/纳颗粒转移方法无法实现毛细力检测,导致无法对微/纳颗粒转移过程受力情况进行分析,无法实现闭环控制的问题,提供一种具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法及实现该方法的装置。

本发明所述的具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法包括以下步骤:

步骤一:在微/纳颗粒待释放位置分配一液滴,该液滴定义为操作液滴;

步骤二:将具有微力传感功能的操作探针移动至操作液滴上方,并与操作液滴接触,控制操作探针的接触深度及分离速度,以获取微/纳颗粒转移所需的拾取液滴,微/纳颗粒待释放位置剩余的液滴定义为释放液滴;

步骤三:将操作探针移动至微/纳颗粒的上方,依靠拾取液滴的毛细力实现微/纳颗粒的拾取;

步骤四:将操作探针移动至待释放位置,利用释放液滴的毛细力实现微/纳颗粒的释放,至此,完成微/纳颗粒的转移过程。

在操作探针的末端集成微执行器,以改变液桥的接触形态和控制操作液滴与释放液滴的体积比。

实现上述具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的装置包括三轴精密电动位移平台、一号三轴显微镜平台、一号光学显微镜、具有微力传感功能的操作探针、操作基底、二号光学显微镜、二号三轴显微镜平台、连接底板和隔振台;

隔振台位于水平面上,连接底板固定在隔振台上;

三轴精密电动位移平台固定在连接底板上;

一号三轴显微镜平台固定在三轴精密电动位移平台上;

一号光学显微镜和操作探针均固定在一号三轴显微镜平台上;

操作基底固定在连接底板上,且操作基底位于操作探针下方;

二号三轴显微镜平台固定在连接底板上;

二号光学显微镜固定在二号三轴显微镜平台;

一号光学显微镜与二号光学显微镜均用于沿水平方向观察操作探针,且一号光学显微镜与二号光学显微镜互相垂直。

基于液滴毛细力的微/纳颗粒转移方法,不仅要实现微/纳颗粒的拾取和释放,还要对整个转移过程进行分析,例如拾取和释放微/纳颗粒的毛细力的阈值等等,后续还要对微/纳颗粒转移过程实现自动化闭环控制,因而对微/纳颗粒的整个转移过程中毛细力的监测是必不可少的。微/纳颗粒属于微观领域,常规的宏观力的监测手段均不适用。能够检测微力的常规手段有激光测力和压阻式传感器等,而激光微力测量不利于集成在微/纳颗粒转移系统中,无法对本发明动态操作过程中的力进行实时检测,压阻式传感器侧重检测法向力,而本发明需要检测的是沿操作探针长度方向的轴向力,因而也不适用。本发明采用一种基于电容测量原理的操作探针,并在操作探针末端集成不同形态的微执行器,该探针使用方便,只需要接入外围采集电路即可实现动态过程中微力的实时检测,可以根据获得的检测数据来控制探针,提高拾取和释放的成功率,也为整个过程的分析和将来实现闭环控制提供必要的理论依据。不同形态的末端微执行器为操作液滴的获取提供重要的结构基础。

本发明所述的方法及装置,能够进行微米级对象拾取-转移-释放操作任务,操作外形尺寸为20-100μm的微球对象;测试实验表明,具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法及装置能够实现微球颗粒的柔顺拾取及可靠释放,且能够实时反馈操作进程中的动态毛细力。

本发明的有益效果是:一、能够实时检测微/纳颗粒转移过程中的液桥毛细作用力,解决毛细力操作进程中的微力检测问题,检测精度能够达到nN量级;二、利用辅助液滴的毛细力和自校准特点可实现微/纳颗粒的可靠释放;三、通过控制操作探针蘸取液滴的速度,可控制操作液滴的获取,创造合适的液滴操作条件。

本发明适用于生物工程、机械工程及微机电系统等领域。

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