[发明专利]一种基于探针和压电辅助的微操作装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微尺度对象的操作技术领域，特别涉及一种基于探针和压电辅助的微操作装置及控制方法，实现微小对象拾取转移及释放操作。

背景技术

随着微系统产品功能的进一步集成化、微型化，对微纳米技术的发展提出了更高的要求，微操作中需要处理的操作对象特征尺寸不断变小、种类越来越多，其特征尺寸主要介于毫米级和纳米级之间，由此产生的尺度效应和表面效应，使得微对象操作转移变得困难。针对此类问题，目前对微操作装置和操作方法提出了更高的要求。

目前国内外对微对象操作的研究重点在于微操作装置的优化设计和操作方法的创新等。

加拿大多伦多大学高级微纳米系统研究室的Yu Sun等人设计了一种包含辅助推杆机构的微操作器。该操作器的末端夹持臂张合是利用静电梳齿进行控制，同时在夹持臂末端后方有个同样由静电梳齿驱动的推杆机构，释放微构件时，通过中间的推杆将微对象从两个夹持臂之间快速弹出，以克服粘着力，实现微对象释放。

Feddema等提出了利用范德华力来进行微装配操作的策略，探讨了操作对象尺寸介于1-10um或更小时，范德华和静电力便成为微装配顺序和路径规划的主要影响因素，基于此设计了利用范德华力进行微球拾取，通过对操作工具的旋转来减小和微对象接触表面的范德华力进行释放。

专利名称为“一种液滴微操作机械手及控制方法”，申请号201210554568.9的专利提出了利用液滴的表面张力来拾取微对象，可以通过控制毛细管末端的液桥形态来改变液桥力。同时该方法可以实现微对象姿态变换及释放操作；但是该方法对液滴的控制精度提出了很高的要求，且释放时微液残留在微对象上过多，影响后续的实验和观察。

专利名称为“一种单探针式微米级对象拾放装置及方法”，申请号201410482168.0的专利提出了一种单探针式微米级对象拾放装置及方法，以解决传统机械夹持和真空吸附产生的局部高应力，导致微米对象拾取释放失败的问题。

除了以上所述方法之外，微对象操作装置的改进以及操作方法的创新在微操作领域中用的越来越多。

发明内容

本发明针对目前传统的微操作技术及方法的不足，提出了一种基于探针和压电辅助的微操作装置和方法，该装置是在微操作机器人平台的基础上结合纳米操纵钨探针和压电陶瓷模块，利用探针末端获取的微液滴来拾取微对象，接着通过调整探针与基底姿态来改变微对象的受力关系，进而驱动基底压电陶瓷模块产生振动摩擦来释放微对象，从而实现被操作对象的转移操作。本发明解决了微对象转移操作时的粘着问题，简化了传统操作方法的复杂性和设备成本，提高了微对象操作的成功率和精度。

本发明是通过以下措施实现上述目标的：

提供一种基于探针和压电辅助的微操作装置，包括纳米操纵钨探针；钨探针夹持器；基底压电陶瓷振动平台；在精密步进电机控制下钨探针夹持器实现探针空间三维运动；压电陶瓷振动平台由驱动电源控制。

优选地，所述钨探针为1根，其长度为3cm-4cm，且探针针尖为锥面轮廓。

优选地，所述钨探针针尖半径尺寸为0.5um，锥角为13°。

优选地，精密步进电机为3个，单步移动步长小于0.3um。

优选地，钨探针夹持器型号为‘AP250探针针尖夹持器Probe Tip Holder’。

优选地，基底压电陶瓷振动平台振幅为大于100um。

进一步地提供一种基于探针和压电辅助的微操作装置控制方法，其包括以下操作步骤：

(1)控制探针的移动速度来获取拾取时所需微量液体；

(2)控制探针末端微液毛细力影响参数来实现微对象的拾取过程；

(3)选择合适的压电驱动信号来驱动基底压电陶瓷，利用压电陶瓷振动时与微对象之间产生的微观摩擦力克服探针的毛细力实现微对象释放；

所述步骤(1)中的探针末端微液获取，主要包括：

1)接近微液：控制探针接近基底的微量液滴；

2)接触微液：控制探针缓慢的接触基底的液滴，等待探针针尖末端与液滴之间的液桥达到平衡状态时停止运动；

3)获取微液：待液桥平衡后，控制探针以一定的速度匀速上升，液桥将会被不断拉长，液桥最小液颈半径将会不断减小直至达到临界的液桥断裂距离。液桥在液颈处断裂后，探针针尖末端获得定量的微液；

4)远离微液：待探针末端获取微量液体后，控制探针缓慢远离基底，开始下一步拾取操作。

所述步骤(2)中的微对象拾取，主要包括：