[发明专利]基于电化学的微构件可靠无损操作

说明书

本发明以研究微构件可靠无损操作的新方法为目标，对基于电化学理论的微构件拾取及释放的理论、方法和微电极制造等关键技术展开研究：首先分析利用管状微电极通过电化学沉积可靠拾取和通过电解无损准确释放微构件时需克服的微观作用力，建立拾取及释放时的受力模型；基于上述理论模型，对微构件的操作过程进行有限元分析，找出在无损条件下的最佳操作角度、操作点和最有利操作的微电极形状并进行微电极的制备；找出无析出时最快速度沉积的条件，获取沉积拾取及电解释放时电流与各参数之间的关系，得出高效无损操作的最佳拾取及释放时间。最后搭建电化学微操作平台，对以微Cu、Ag线为代表的微构件进行实验操作，修正和验证所提出的理论和方法。

技术领域

本发明属于微纳操作，具体涉及一种基于电化学的微构件可靠无损操作设计方案。

背景技术

近年来，微电子工艺和传统的超精密加工方法的快速发展使得微/纳制造技术得到了飞跃性的发展，微/纳制造技术已成为衡量一个国家制造水平的标志，代表着制造科学发展的最前沿。微操作是微制造的关键技术之一，在微米尺度功能器件/产品的制造和可控生产过程中发挥着日益重要的作用。微操作是在微观尺度上通过施加外部场能或者作用力实现对微米尺度结构与器件的推/拉、拾取/释放、定位、定向等操纵，进一步完成其装配与封装等作业，是微制造科学与技术研究的重要内容之一，是国际机器人学和微米科技领域广泛关注的热点研究领域。利用微操作技术制造可靠性好、适应性强、技术附加值高、市场回报率大于传统产业的微/纳产品，在机电工程、光电、信息存储、医疗、生物工程、材料工程、仿生以及军事等领域具有广阔的应用前景。因此，对微观结构与器件的操作、装配的有关理论和方法展开研究具有重要的理论意义和实用价值。

由于在操作过程中由尺寸不断减小而产生的尺度效应、表面/界面效应和量子效应及多场耦合作用，使得微/纳操作与宏观操作不同且具有力的特殊性；另外，在实际的微尺度功能器件装配过程中，通常需要对微/纳构件或者器件的装配，而不是简单的粒子的组装，并且待装配构件通常会处于多构件环境中，这使得实际应用中的微操作具有特有的复杂性。由于上述操作对象尺度上的特殊性引起的一系列问题，实现可靠高成功率的微操作还存在很多理论和实际问题。因此，在对微操作基础知识研究的基础上，研究新的基于电化学的微构件可靠无损操作方法，对操作过程中的关键技术和有关理论、模型进行研究，对解决上述微操作问题、促进微纳技术发展及实现微构件的自动装配具有重要的意义。

发明内容

本发明以实现金属微构件的可靠拾取和稳定无损释放为目标，对基于电化学的微构件拾取及释放的有关理论、方法、微电极的制造等关键技术展开研究，具体研究内容如下。

1. 研究适合金属微构件的电化学可靠拾取及无损准确释放的方法，分析利用管状微电极通过电化学沉积可靠拾取和通过电解无损准确释放微构件时需克服的微观作用力，在此基础上建立拾取及释放时的受力模型，进一步找出微构件尺寸和所需微电极尺寸之间对应关系。

2. 基于上述受力模型和对应关系，对微构件的操作过程进行有限元分析，研究以微铜线为代表的微构件的操作角度、操作点、微电极形状对操作成功率的影响，从而找出在无损条件下的最佳操作角度、操作点和最有利操作的微电极（微操作工具）形状并进行微电极的制备。

3. 找出无析出时最快速度沉积的条件，获取沉积拾取及电解释放时电流与各参数之间的关系，找出沉积拾取过程中盐溶液的电流密度与溶液的浓度、微电极尺寸及所加电压之间的关系及电解释放过程中电流密度与溶液的浓度、微电极尺寸及所加电压之间的关系，从而得出高效率无损操作的最佳拾取及释放时间。

最后搭建电化学微操作平台，采用上述方法、模型及有关参数，对以微Cu、Ag线为代表的微构件进行多次实验操作，对所提出的理论和方法进行修正和验证。

本发明的有益效果。

1. 提出一种新的微操作方法，解决目前微纳操作领域操作对象绝大多数是粒子或者是细胞等非构件形状并且对其拾取和释放也不是完全可控，即操作成功率较低的问题。