一种基于探针和压电辅助的微操作装置及控制方法与流程

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。

技术实现要素：

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：

1)接近微对象：控制带有微液的探针移动到待操作的微对象正上方，以一定的速度匀速靠近微对象，当针尖末端的微液与微对象相接触时，停止移动探针；

2)接触微对象：当探针末端微液与微对象接触，停留数秒直到针尖末端和微对象之间的液桥达到平衡；

3)拾取微对象：以一定速度缓慢控制探针向正上方移动，当上方微液毛细力大于微对象与基底之间的粘着力时，微对象脱离基底，顺利实现拾取；

4)转移微对象：微对象成功拾取后，控制探针缓慢远离基底，完成微对象的转移过程。

所述步骤(3)中的微对象释放，主要包括：

1)接近基底：移动探针到需要释放的目标位置正上方，降低探针运动速度缓慢向下靠近；

2)接触基底：等到微对象无压迫接触基底时，停止探针运动；

3)振动阶段：控制压电陶瓷驱动电源以一定的信号驱动基底压电振动模块，使基底开始对微对象做往复摩擦运动，直到微球受到的微观摩擦力大于上方探针的毛细拾取力时，微球脱离探针末端，顺利实现微对象释放；

4)上升阶段：微对象成功释放后，控制探针离开基底，完成整个微对象转移释放操作过程。

所述步骤(3)中的基底对微对象的微观摩擦力与相对运动速度有关，其公式为：F_f＝F₀+F_sln(v/v₀)。

所述步骤(3)中的控制压电陶瓷的运动速度与输入压电驱动电源的频率和幅值有关，其公式为：v_d＝K2πAf cos(2πft)。

所述步骤(3)中的压电陶瓷驱动信号参数通过Matlab/Simulink仿真计算可得，根据不同微对象特征计算出相应的压电陶瓷驱动信号参数，信号参数包括压电振动频率和振动幅值。

本发明通过利用纳米操纵钨探针末端获取的微液进行微对象的拾取操作，利用液体接触微对象的柔顺无应力优势，避免了传统的夹持型工具或真空吸附工具的高应力而导致微对象破损及控制复杂等缺点。本发明方法是通过控制微液的体积大小来拾取微对象，释放时控制基底振动速度来释放微对象，可以通过改变基底压电驱动电源的信号，探针的倾斜角，基底材料来适应转移微对象的不同特征尺寸。本发明设备成本较低，控制简单，易于推广，对微操作领域具有一定的借鉴和参考意义。

附图说明

图1为本发明操作装置的结构示意图；

图2为本发明操作方法流程图；

图3为本发明基底压电陶瓷工作原理框图；

图4-15为本发明微对象操作方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明涉及一种基于探针和压电辅助的微操作装置，如图1所示，包括基底压电陶瓷模块1、纳米操纵钨探针2、钨针夹持器3。

本发明涉及一种基于探针和压电辅助的微操作装置控制方法，相应的操作方法如图2所示，其中基底压电陶瓷工作原理如图3所示，完整的操作方法可由以下几个步骤来说明：

第一步、探针末端微液获取

提前在基底分配一定量液体体积，控制探针进行微液获取如下：

1)接近微液：如图4所示，将探针运动到基底微液的正上方，之后以一定的速度匀速靠近微液，等到要碰到微液时减小探针的速度使之缓慢接近，在接触液滴时立即停止运动探针；

2)接触微液：如图5所示，控制探针缓慢地接触基底的液滴，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：如图6所示，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)上升阶段：如图7所示，待探针末端获取微量液体后，控制探针缓慢远离基底，开始下一步的拾取操作。

第二步、微对象拾取

探针末端获取微液后，开始下一步的拾取工作，拾取过程包括：

1)接近微对象：如图8所示，控制探针移动到待操作的微对象正上方，以一定的速度匀速靠近微对象；

2)接触微对象：如图9所示，当针尖末端的微液与微对象相接触时，停止移动探针并停留数秒直到针尖末端和微对象之间的液桥达到平衡；

3)拾取微对象：如图10所示，以一定速度缓慢控制探针向正上方移动，当上方微液毛细力大于微对象与基底之间的粘着力时，微对象脱离基底，顺利实现微对象拾取；

4)转移微对象：如图11所示，微对象成功拾取后，控制探针缓慢远离基底，开始微对象的转移过程。

第三步、微对象释放

探针末端微液拾取到微对象后，开始下一步的释放阶段，释放过程包括：

1)接近基底：如图12所示，移动探针到需要释放的目标位置正上方，降低探针运动速度缓慢向下靠近；

2)接触基底：如图13所示，等到微对象无压迫接触基底时，停止探针运动；

3)释放阶段：如图14所示，首先调整探针与基底的接触姿态，控制压电陶瓷驱动电源以一定的信号驱动基底压电振动模块，使基底对微对象做往复摩擦运动，直到微球受到的微观摩擦力大于上方探针的毛细拾取力时，微球脱离探针末端，顺利实现微对象释放；

4)上升阶段：如图15所示，微对象成功释放后，控制探针离开基底，完成整个微对象转移操作过程。整个操作过程主要组成构件如图1所示。

以上实施例所述是用以具体说明本专利，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本专利的保护范围，熟悉此领域的人士可在了解本专利的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于专利要求范围所界定范畴内。