電機驅動微裝配在雙光子制備微結構中的應用

夏錦濤, 丁阿飛, 王 杭, 王 剛, 陶衛(wèi)東

電機驅動微裝配在雙光子制備微結構中的應用

夏錦濤, 丁阿飛, 王 杭, 王 剛, 陶衛(wèi)東*

（寧波大學 物理科學與技術學院, 浙江 寧波 315211）

對微結構的制作、微裝配系統(tǒng)進行了研究. 采用飛秒激光雙光子聚合微加工技術制作有底座、精細的三維立體“拱形”微結構, 其高250μm、長300μm、厚50μm. 將此微結構與實驗室自主搭建的二維微裝配平臺相結合, 利用自主編程的人機交互界面驅動步進電機, 遠程操控微裝配設備; 將熒光閃爍陶瓷粉末裝配到微結構中, 對裝配后的微結構進行熒光光譜表征發(fā)現(xiàn), 純熒光粉末和微結構中的熒光粉末的發(fā)射光譜在測量誤差范圍內基本一致, 表明熒光粉末的光學性質未發(fā)生改變. 利用該裝置可以將各類微納米級材料和微結構進行裝配, 形成含有不同材料的微結構系統(tǒng).

雙光子; 微裝配; 步進電機; 熒光粉末; 遠程操控

飛秒激光雙光子聚合技術(Two-Photon Polymerization, TPP)[1-3]是一種新型激光直寫三維圖案的制作技術, 受到國內外諸多學者的青睞. 隨著研究的不斷深入, 其與其他學科相互交叉的可行性逐漸提高, 涌現(xiàn)出大量的研究成果. 如Galajda等[4]利用雙光子聚合微加工技術制造微型轉子, 并用光鑷將微型轉子進行組裝, 形成一個復雜的微型系統(tǒng); Maruo等[5]利用三維雙光子微加工研制出一種光驅動微泵; Dai等[6]提出了一種基于光熱氣泡機器人的三維操作與裝配技術, 氣泡機器人以二維和三維2種形態(tài)操作和組裝不同尺寸和形狀的微結構; Fan等[7]利用磁驅動游動微機器人實現(xiàn)微流體自動捕獲和操作, 能在二維捕獲和操作體積為微型機器人幾百倍的微粒.

微機電系統(tǒng)是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機械結構、微電源、微能源、信號處理、控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等部件于一體的微型器件或系統(tǒng)[8], 是科技產品微型化的核心技術. 結合當前國內外的研究熱點, 飛秒激光雙光子聚合技術可以廣泛應用于制作微機電系統(tǒng)零部件[9]. 如文獻[10-11]設計了基于微裝配的電位移平臺控制系統(tǒng), 并編寫了人機交互界面和控制系統(tǒng)程序. 隨著微裝配的日益發(fā)展, 為滿足微機電系統(tǒng)的設計要求, 完成高精度的微結構裝配, 實現(xiàn)不同零件的拾取、移動和裝配, 亟需能自動化裝配且操作精度高的電控位移平臺[12].

本文采用二維微裝配設備配備2個高精度的步進電機(一個集微型計算機、驅動裝置、移動平臺和人機交互界面于一體的復雜系統(tǒng)), 設計了一套可遠程操作的微裝配設備, 通過可加熱鎢鋼探針對微小顆粒或粉末在空氣中進行操作. 同時, 基于樹莓派(Raspberry Pi)開發(fā)了一套遠程微裝配程序, 并以熒光粉末為實驗對象, 成功地將熒光粉末裝配到微結構中. 該裝配設備具有穩(wěn)定性好、精度高、重復性強、易于操作等優(yōu)點, 可為其他各類微納米級材料(如石墨烯粉末)的微裝配提供參考.

1 利用飛秒激光制作“拱形”微結構

TPP是一種空間真三維微結構構建技術, 其精細度可以達到微納米級, 是制備三維微納結構的理想工具. TPP的原理是: 2束飛秒紅外或近紅外光子在焦點相遇時, 2個光子能量會發(fā)生疊加, 從而導致光刻膠發(fā)生聚合[13]. 基于飛秒激光精細的加工特性, 利用三維繪圖軟件solidworks 2011版設計了一種“拱形”微結構(圖1(a))作為裝配載體, 微結構高250μm, 外邊長300μm, 每個橋墩長50μm, 寬50μm. 首先將制備微結構的玻璃基底用丙酮超聲處理10min, 以去除其表面的油污和灰塵; 然后用無水乙醇超聲處理10min; 最后用去離子水超聲清洗10min, 去除表面殘余的無水乙醇. 用擦鏡紙擦拭玻璃基底表面的水漬, 將基底置于紫外臭氧清洗機進行處理, 以增加基底與微結構的黏附力[14].

制作微結構時, 在載玻片兩端加高420μm的墊片. 將“拱形”微結構另存為STL格式, 并導入Newport公司提供的μFAB雙光子微加工平臺的配套控制軟件中, 軟件會自動沿著軸將圖案自上而下進行數據切片, 激光焦點通過逐層掃描圖案輪廓, 從而在基底上實現(xiàn)圖案的制作. 在制備微結構時, 為使制備出來的“拱形”微結構更加穩(wěn)固, 首先在樣品中制備2個相距200μm、高5μm、寬52μm的30層正方形“圍墻”作為“底座”(圖1(b)和(c)); 然后微調激光焦點位置, 導入“拱形”微結構的STL格式進行二次加工, 使其準確地置于“圍墻”結構之上, 增加微結構整體的穩(wěn)定性. 因制樣時滴入的光刻膠較多, 需將加工后的微結構置于無水乙醇中浸泡, 并多次清洗, 使光刻膠充分溶解, 從而得到整潔的三維圖案. 用透射式顯微鏡觀察到的三維微結構如圖1(d)所示.

圖1 “拱形”微結構設計和光刻圖

2 二維微裝配平臺

二維微裝配平臺由顯示設備、電機系統(tǒng)和輸入設備3部分組成(圖2). 圖2中左邊為USB便攜式顯微鏡, 樣品放置在顯微鏡鏡頭下方4cm的載物臺上, 顯微鏡通過USB連接電腦1, 在電腦1上打開顯微鏡配套軟件(Hiviewer)可以實時觀察“拱形”微結構. 調節(jié)顯微鏡焦距, 使微結構清晰.

圖2 遠程微裝配裝置

在步進電機上方固定一個長、寬、高分別為7.0、4.0、1.5cm的平臺(圖3(a)), 2個步進電機可以單獨或同時移動, 其運動方式由人機交互窗口控制. 2個步進電機各有1個驅動器(圖3(b)), 驅動器電源由變壓器供給(圖3(c)). 電機的運轉由Raspberry Pi控制(圖3(d)), 連接方式如圖3(e)所示.

圖3 電機系統(tǒng)零部件和線路連接

電機系統(tǒng)的小平臺上固定有加熱器, 并裝有一根直徑為20μm的鎢鋼探針. 通過調節(jié)步進電機下方的升降平臺可以控制探針針尖與載玻片的垂直距離.

輸入設備是與Raspberry Pi通過局域網連接的電腦2. 打開軟件(VNC Viewer), 連接Raspberry Pi進入人機交互界面, 控制針尖移動, 使其與微結構在同一視場內. 2個步進電機作為軸和軸移動臂, 利用人機交互界面控制探針針尖進出微結構. 將樣品置于工作臺上, 調整步進電機升降臺高度, 使鎢鋼針針尖與玻璃基底上的微結構處于同一水平面. 工作臺前方有連接電腦1的便攜式電子顯微鏡, 可以實時觀測微結構與鎢鋼針針尖的相對位置. Raspberry Pi操縱軸和軸移動臂. 在2臺電腦上安裝計算機遠程連接軟件(TeamViewer)后,通過電腦1上Hiviewer實時觀察微裝配過程. 因此, 在同一局域網下, 啟動人機交互界面程序, 操控軸和軸移動臂, 即可實現(xiàn)微結構裝配.

3 電機驅動遠程微裝配

使用輸入設備(電腦2)連接Raspberry Pi, 打開人機交互界面(圖4), 操控軸和軸移動臂, 或鍵盤上“←、↑、→、↓”鍵, 控制步進電機的移動, 移動探針模擬熒光粉末的裝配過程.

圖4 人機交互界面

在人機交互界面“Length”框中輸入移動步數(1步=10μm), “Speed”框中輸入對應速度值(程序運行延遲時間, 數值越小, 程序語句執(zhí)行延遲越短,探針針尖移動速度越快). 點擊“Up、Down、Left、Right”按鈕, 電機會以對應的速度移動相應的距離. “Coordinate”中會顯示電機移動終止坐標. 默認初始坐標為(0,0), 移動1步就會顯示當前的坐標, 且該人機交互程序有路徑記憶功能, 能夠重復移動路徑. 利用人工交互界面移動鎢鋼針尖深入微結構后, 點擊“Zero”坐標清零, 針尖坐標會將此位置初始化為(0,0). 隨后, 把鎢鋼針尖移動到平面內任一位置(,), 點擊“Back Origin”, 針尖自動回到初始位置(0,0), 點擊“Back”又可返回(,)位置. 點擊“Repeat”重復實現(xiàn)已記錄的裝配過程, 電機會在原點(0,0)和固定位點(,)間反復移動. 當探針未拾取熒光粉末時, 微裝配的模擬過程如圖5所示. 首先調整軸平臺, 使探針和微結構處于同一維度(圖5(a))作為探針的起始位置. 點擊“Right”, 使針尖向右移動, 到達微結構的正前方(圖5(b)). 點擊“Up”, 調整速度, 使針尖向前移動, 進入微結構內部(圖5(c)).點擊“Zero”, 以此作為(0,0)點,點擊“Down”使探針向后移動, 退出微結構(圖5(d)). 再次點擊“Left”, 使微結構持續(xù)向左移動, 結果如圖5(e)和(f)所示. 以退回界面最終位置作為(,)點, 點擊“Back Origin”, 探針沿原路進入微結構中, 點擊“Repeat”, 即可使探針從(,)點沿原路徑進入微結構, 并再次回到(,)點, 使探針在這2個位置間移動.

圖5 探針進出微結構流程

取少量熒光粉末放置在干凈載玻片上, 將樣品放置于遠程裝配系統(tǒng)的載物臺上, 操控鎢鋼針尖拾取熒光粉末. 當針尖拾取熒光粉末時, 將制備有微結構的樣品放在載物臺上, 通過顯微鏡實時觀察微結構與粘有熒光粉末鎢鋼針尖的相對位置, 最后將熒光粉末裝配到微結構中. 當針尖把熒光粉末轉移到微結構的正前方時, 使用加熱器使探針針尖迅速升溫至400℃, 接著操控探針與玻璃面相互摩擦, 使熒光粉末脫落, 之后移動探針, 推動熒光粉末填充到微結構中. 運用微裝配系統(tǒng)裝填熒光粉末過程如圖6所示.

圖6 熒光粉末裝配流程

完成一次熒光粉末的裝配后, 可將停留在微結構中的針尖位置清零(點擊“Zero”), 然后移動針尖繼續(xù)拾取一些熒光粉末, 僅需點擊“Back Origin”便可自動將熒光粉末裝配到微結構中. 如果熒光粉末都處于同一位置, 可以點擊“Repeat”重復拾取熒光粉末, 并裝配到微結構中.

4 熒光光譜檢測

熒光光譜檢測是一種常用的熒光材料的表征手段[15-16]. 對裝配完成的微結構中熒光粉末和純熒光粉末采用拉曼光譜分別進行5次熒光光譜表征, 并將數據進行歸一化處理, 以探究微結構對熒光粉末性質是否有影響. 把完成裝配的微結構放置載物臺上, 因為光刻膠材質透明, 因此采用波長為405nm的激光作為激發(fā)光, 可以直接穿過微結構照射在熒光粉末上, 得到5次測量的熒光粉末峰位波長(均值約為540nm). 取少量熒光粉末置于載玻片上, 用波長為405nm的激光作為激發(fā)光進行熒光光譜表征, 5次測量的純熒光粉發(fā)射光的平均峰位波長約為541nm, 兩者相差小于1nm, 表明在光譜儀測量誤差內熒光粉末的性質沒有發(fā)生變化. 熒光光譜如圖7所示.

圖7 熒光光譜檢測

5 結論

利用飛秒激光雙光子聚合技術制備了高250 μm的穩(wěn)固“拱形”微結構, 并自主研發(fā)了遠程操控微裝配裝置, 實現(xiàn)了熒光粉末的電動化裝配, 且裝配成功的熒光粉末的發(fā)射光未發(fā)生改變, 發(fā)射光峰值波長約為541nm. 本文研發(fā)的微裝配裝置具有穩(wěn)定性強、重復性好、易于操作和成功率高等優(yōu)點, 利用該微裝配系統(tǒng)能實現(xiàn)各類微納米材料的裝配, 可為復合材料的制備以及微機電系統(tǒng)的裝配提供參考.

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Application of motor driven micro-assembly in two-photon fabrication of micro-structure

XIA Jintao, DING Afei, WANG Hang, WANG Gang, TAO Weidong*

( School of Physical Science and Technology, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

In order to study the assembly methods of various micro-nanometer materials and micro-structures, the fabrication of micro-structures and the working mode of micro-assembly systems are first studied. The femtosecond laser two-photon polymerization micro-machining technology is employed to fabricate a fine three-dimensional “arch” micro-structure with a base, with 250μm in height, 300μm in length and 50μm in thickness. The micro-structure is combined with the two-dimensional micro-assembly platform independently built in the laboratory, and the self-designed human-computer interface is used to drive the stepping motor. The micro-assembly device can be remotely controlled to assemble the fluorescent scintillation ceramic powder (hereinafter referred to as fluorescent powder) into the micro-structure. Through the fluorescence spectrum characterization of the assembled micro-structure, the results show that the emission spectrum of the pure fluorescent powder and the fluorescent powder in the micro-structure is basically the same within the measurement error range, and the optical properties of the fluorescent powder remain unchanged. Through this experimental device, we can implement the electric assembly of fluorescent powder and micro-structure without affecting the properties of fluorescent powder. We can also use this device to assemble a vast variety of micro-nanometer materials and micro-structure so as to form the micro-structure system with different materials.

two-photon; micro-assembly; stepping motor; fluorescent powder; remote control

O437

A

1001-5132（2021）01-0065-05

2019?12?12.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學基金（11704204）.

夏錦濤（1994－）, 男, 安徽六安人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 飛秒激光微加工. E-mail: 13345961994@163.com

陶衛(wèi)東（1969－）, 男, 浙江寧波人, 教授, 主要研究方向: 飛秒激光微加工. E-mail: taoweidong@nbu.edu.cn

（責任編輯 史小麗）