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            基于光诱导电动力学的微纳器件一体化制造方法

            来源: www.zsalud.com 作者:lgg 发布时间:2018-01-03 论文字数:32145字
            论文编号: sb2018010217004619032 论文语言:中文 论文类型:硕士课程论文
            本文是机械论文,通过使用光诱导电化学沉积可以在常温、常压下,快速沉积出图形化的金属微电极,相较于其他微纳加工方法具有很大优势,控制外部参数实现了控制沉积电极的形状、高度。
            第 1 章 绪论
             
            1.1 研究背景
            微纳米制造作为新兴的科技领域越来越受到人们的重视,材料与结构在微纳米尺度展现出许多不同于宏观尺度的特征,在信息、材料、能源、军事等领域发挥出前所未有的优势。最早提出微纳米观点的先驱是美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼(Richard Feyman),他于 1959 年在加州理工大学举行的美国物理学会发表了题为《底部还有很大空间》的演讲,提到“人类可以用小的机器制造更小的机器,最后将变成根据人类意愿,逐个地排列原子,制造产品”[1]。七十年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想,1974 年,东京理工大学的科学家谷口纪男(Norio Taniguchi)最早使用“纳米技术”(Nano Tec-hnology)一词描述精密机械加工[2]。1982 年,德国科学家格尔德·宾宁(Gerd Binnig) 和海因里希·罗雷尔(Heinrich Rohrer) 在瑞士苏黎世的 IBM 实验室发明了研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope, STM),这一年也被称为纳米元年[3]。1986 年两位科学家又成功研制出原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)[4]。从此,人类可以直观地观察到单个原子,对纳米科技发展产生了积极的促进作用。在 1989 年, IBM 公司阿尔马登研究中心的唐·艾格勒(Don Eigler)博士发现利用了他的扫描穿隧显微镜做了一件“不可思议”的事,他使用了 35 个氙原子写出了“IBM”三个字母[5]。虽然,这三个英文字母只占了 3 平方纳米的面积,但却是人类第一次实现了操纵单个原子。之后,唐·艾格勒的研究团队发明了“量子收集盘”。它让科学家可以用来观看和研究被局限在极小空间中的电子的量子力学上的特性,也提供了未来可能的纳米电子元件的操作空间[6]。
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            1.2 微纳米加工技术
            传统加工技术在微纳米领域受到很大限制,宏观中忽略的范德华力等分子间的作用力在微纳米层次,对微纳米操作影响凸显。由此,衍生出很多面向微纳米领域的操作加工技术。目前。将微纳米加工技术按照实现微纳米结构的途径和方式不同,分为两种:自上而下和自下而上的两种微纳米加工方式[15]。自上而下的加工技术是对尺寸相对较大的物体进行局部加工而获得具有微纳尺度结构的方法,典型的代表有光刻技术(Optical lithography)[16]、软刻蚀技术(Soft lithography)[17]等。自上而下的加工方法具有结构形貌控制准确,制造重复率高的优点,常用于功能结构和模板的制造。自下而上的方法是指通过改变温度、湿度、酸碱度、化学成分等条件,直接控制原子和分子的组装过程来获取特定的微纳结构和材料的加工方法,典型的代表有原子沉积法[18](Atomic layer deposition)、电化学沉积法[19](Electrochemical deposition)、 分子自组装法(Molecular Self-assembly)和气相沉积法[20](Vapor-phase deposition)等。 由于是原子和分子尺度上的控制方法,可以直接通过参数设计获得具备多种特异化学性能、物理性能和生物性能的纳米材料和结构,适用于如纳米线、纳米管、纳米膜、纳米孔等复杂结构和材料的批量化制造。微纳米操作技术是纳米加工技术中的重要环节,在微观尺度对物体的移动、排列、组装等操作,相较于宏微观操作存在特异性差别,并且微纳米操作不能通过视觉反馈直接操作和校正,需借助微纳观测系统克服微纳米尺度的一些物理和化学问题。科学家对微纳米领域的关注,创造出一些微纳米操作方法,同时发现很多微纳米材料,使微纳米科学向着更深更广的方向发展。目前微机电系统和微流控芯片分析系统的研究,使微纳米对象可以实现大规模、无损伤、自动化和低成本的操作和制造,尤其在生物领域进行无损细胞定位、细胞筛选、捕获细胞,都推动着生物医学的进步。目前世界上广泛研究的微纳米制造技术主要有自组装、扫描探针、磁镊、光镊、介电泳技术等。
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            第 2 章 光诱导介电泳移动和操作微纳米颗粒
             
            2.1 引言
            本章对光诱导介电泳简介,简单介绍光诱导介电泳的基本原理,讲解光诱导介电泳系统的各个组成部分,通过有限元软件分析光诱导介电泳对微纳米颗粒物理场影响,通过光诱导平台实现 Flash 动态移动二氧化硅小球,对聚乙二醇双丙烯酸酯(PDGDA)模块排列、拼接组合、旋转等操作。最后分析光诱导介电泳目前存在的问题,以及对比其他微纳操作的优缺点。
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            2.2 光诱导介电泳简介
            光诱导介电泳(Optoelectronic tweezers, OET)这项技术最早是在《自然》杂志上提出,加州大学伯克利分院的邱培钰(PeiYu Chiou)博士发表的这篇论文中详细介绍了光诱导介电泳原理以及其在微纳米操作上的应用。该篇论文一经发表,吸引了国内外众多学者的关注,这种全新的微纳米操作方法相较于介电泳来说不需要加工特定形状的金属电极,减少了操作成本,更使微纳米操作具有一定的灵活性。
             
            2.2.1 介电泳原理
            介电泳是中性粒子在非均匀电场中被极化进而诱导出电偶极子,从而产生定向运动的现象,如图所示。介电泳的本质是由于电中性粒子在外加非均匀电场的作用下被极化诱导出偶极子,偶极子在非均匀电场的交互作用下受到不等于零的净电场力,即介电泳力,而产生定向运动。其中,根据粒子运动方向的不同分为正、负介电泳。正介电泳是粒子在非均匀电场中被极化后,在正介电泳力的作用下朝电场强度极大值方向运动的现象;反之,负介电泳粒子在负介电泳力作用下向电场强度极小值区域运动的现象。介电泳理论最早是基于马克斯韦尔(Maxwell)经典电磁场理论,由波尔(Pohl)于 1978 年在《Dielectrophoretic》一书中系统地详细分析了介电泳的形成机制以及微粒在均匀电场以及非均匀电场中的极化以及运动规律,将介电泳用于生物粒子的操作和分离。
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            第 3 章 光诱导电化学沉积原理及仿真 ........... 40
            3.1 引言 .......... 40
            3.2 光诱导电极反应动力学 ..... 40
            3.2.1 电极反应原理 ........ 40
            3.2.2 电极反应的控制步骤 ............. 41
            3.2.3 光诱导电极反应过程 ............. 41
            3.3 光诱导电极反应仿真 ........ 43
            3.4 本章小结 ..... 44
            第 4 章 光诱导电化学沉积微电极参数研究....... 45
            4.1 引言 .......... 45
            4.2 光诱导电化学沉积的原理 .............. 45
            4.3 光诱导沉积实验结果与分析............. 49
            4.4 本章小结 ..... 52
            第 5 章 光诱导电化学沉积金属微电极的转印柔性基底研究.... 54
            5.1 引言 .......... 54
            5.2 柔性电子学 .... 54
            5.3 金属微电极转印研究 ....... 56
            5.4 转印方式研究 ............. 58
            5.5 转印电极的电特性测量 ..... 62
            5.6 本章小结 ..... 64
             
            第 5 章 光诱导电化学沉积金属微电极的转印柔性基底研究
             
            5.1 引言
            本章主要介绍光诱导电化学沉积产生的银电极不同转印方式的成功率,对表面固化转印方式的转印参数(图形大小、时间、温度、厚度)通过实验分析最佳转印方式和相应参数。借助晶元探针台对转印电极进行电特性分析,得到柔性基底电极的可用性实验结果。
             
            5.2 柔性电子学
            科技的发展给人们带来更便携的生活方式,科技产品向小型化、移动化方向发展,电子产品有笨重复杂的台式电脑发展为轻便的笔记本电脑,再到目前智能手机,通讯方式的改变带给我们很多思索。柔性电子器件就是根据科技产品便携化的思想应运而生,柔性器件的优势在于聚合物基底,有着良好的物理和化学性能,相对于硅基底或石英基具有优秀的生物兼容性、电绝缘性、光透性和热隔离性,因此被广泛应用到光学、电子、生物、化学和医疗等领域,如 OLED(有机发光二极管)、传感器、生物芯片、聚合物 MEMS 等。基于柔性器件建立的柔性电子学是以将有机或无机电子器件制作在柔性或薄金属基板上形成具有特定功能和用途的柔性传感器件为研究对象的一门学科。柔性电子器件(Flexible Electronics)又可以称为塑料电子学(Plastci Electronics)、印刷电子(Printed Electronics)或聚合物电子(Polymer Electronics)等。柔性电子器件有两方面含义:(1)指基底为柔性材料,使器件具有一定的柔性张力;(2)指电子器件本身是柔性物质,具有弯曲拉伸的特性,如电子纸张、柔性显示技术。
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            结 论
             
            科技的进步推动着微纳米领域的不断创新,能够自动化操控高柔性的、大批量的微纳米材料并可以制造高精度、高性能的微纳米器件成为了发展微纳米科学技术的关键问题。目前在微纳米领域面临的主要问题包括:(1)微纳尺度制造技术缺乏有效的、自动化的材料处理、加工转配技术;(2)基于原子力显微镜、光镊、和磁镊等技术在实现微纳米尺度自动化操作仍存在很多局限;(3)MEMS制造工艺缺乏有效的可控动态微加工手段。基于以上问题,最新提出的光诱导电动力学操作相较于其他微纳米操作有很大的优势,光诱导介电泳技术操作微粒具有批量化和规模化和并行化的优点,可以实现微纳米尺度物体的移动、排列、分离和装配等微纳操。光诱导电化学沉积技术可以实现微米级金属电极的图形化加工制造,因其具有设备低廉,工艺简单,制造高效等特点,为规模化、自动化微纳米制造技术的发展,提供了新的理论方法和技术手段。研究柔性基底的转印技术将图形化电极转移至柔性材料,为设计制造柔性化微纳传感器器件给予很大的借鉴价值。针对上述几个方面的研究,本文在一下几个方面进行了详细研究:(1)光诱导介电泳的产生机理的研究,对不同材料和形状微纳米物质的不同光诱导介电泳力的大小进行研究,仿真得到不同材料和形状微纳物质所受光诱导介电泳力的不同;(2)光诱导电化学沉积原理的研究,分析不同频率、幅值和时间对沉积电极的影响,为沉积出微纳金属电极的参数提供理论依据,并仿真得到光诱导芯片不同区域电化学反应的变化,对沉积的位置和光线的强弱进行研究;(3)通过 Flash 软件设计补间动画,可以自动化操控聚苯乙烯微球的动态化、自动化运输,并利用介电泳原理操作 PEGDA 结构实现微纳装配过程;(4)通过实验方法研究了光诱导电化学沉积金属微电极的不同参数对电极沉积的影响,将不同参数的沉积电极使用原子力显微镜和扫描电子显微镜对其表面形态进行表征,得到最优结果和参数,为进行重复性实验沉积电极给出最优参数,极易沉积出形状完整,厚度均一的金属微电极;通过光诱导介电泳实验平台完成了动态运输二氧化硅小球和移动、排列、装配 PEGDA 模块实验,说明光诱导介电泳在进行大规模,并行化微纳操作有很大优势。基于光诱导电化学沉积原理,实验和仿真分析了外加交流电信号的频率、幅值、硝酸银溶液浓度以及光诱导芯片氢化非晶硅厚度对沉积电极的影响,并得到沉积完整图形化电极的最优参数。研究柔性基底转印方法将沉积电极转移到PDMS 上,实现了柔性电极的制作,为未来制作柔性电子器件打下基础。
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            参考文献(略)

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