Πεδιακές μέθοδοι συναρμολόγησης μικροαντικειμένων

Abstract

The objective of this thesis is the parallel manipulation and the open loop/sensorless assembly of microparts without microrobots. Research was focused on the manipulation: a) of 3D force fields, b) of programmable planar force fields, c) of microparts enclosed in droplets of liquid and d) with self assembly using electrostatic forces. Firstly, a procedure of theoretical expansion of the existing 2D force fields for the manipulation of microparts in 3 dimensions is presented. The target is 3D manipulation which is comprised of the application of three fields for transport centering and rotation of microparts. Additionally, a new method for the generalized mathematical formulation and production of a programmable force field for the sensorless open loop manipulation of polygonal microparts of various shapes on microactuator arrays. The application and programming of the produced field onto a cilia microactuator array is presented along with a possible electronic circuitry design for the programming and actuation of the array. The manipulation capabilities are examined through simulations for various simple convex and non convex shapes of microparts and the results show successful positioning and orientation in the desired final configuration. A concept of the manipulation of microparts enclosed in droplets of liquid is also presented which is based on the combination of the phenomena of electrowetting dielectrophoresis and self assembly with surface tension. Initially the droplet is modeled with finite elements during the stage of electrowetting in order to verify the tendency of droplet motion towards the energized electrode. During the dielectrophoresis stage a non homogeneous electric field is created from a pin ring setup of electrodes and the tendency of droplet motion towards the pin electrode is also verified. The results from experiments of the dielectrophoresis of droplets on a PCB board with printed pin ring electrodes are then presented and categorized. Finally, a new methodology which utilizes electrostatic forces for the accurate self alignment and batch assembly of microparts is introduced. Tiny electrodes on the parts and the substrate act as binding sites. By investigating the dependence of the electrostatic force to various parameters using modeling with finite elements a semi empirical fitted force model is produced for square and circular electrodes. With the use of these force models design rules for the geometry and placement of the electrodes are produced and simulations of the motion of microparts under the influence of the electrostatic forces are performed. The results verify both the alignment procedure and the introduced design rules as we can fully predict the motion of microparts.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι ο παράλληλος χειρισμός καθώς και η ανοιχτού βρόχου και η άνευ αισθητήρων συναρμολόγηση μικροαντικειμένων χωρίς τη χρήση μικροβραχιόνων. Η έρευνα επικεντρώθηκε στο μικροχειρισμό: α) με τρισδιάστατα πεδία δυνάμεων, β) με προγραμματιζόμενα πεδία δυνάμεων στο επίπεδο, γ) μικροαντικειμένων έγκλειστων σε σταγόνες υγρού και δ) με αυτοσυναρμολόγηση με ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Αρχικά παρουσιάζεται η διαδικασία γενίκευσης και θεωρητικής επέκτασης των υπαρχόντων δισδιάστατων πεδίων δυνάμεων για χειρισμό μικροαντικειμένων σε τρεις διαστάσεις. Ο στόχος είναι η επίτευξη τρισδιάστατου μικροχειρισμού που συνίσταται στη διαδοχική εφαρμογή των τριών πεδίων για μεταφορά κεντράρισμα και περιστροφή μικροαντικειμένων. Στη συνέχεια εισάγεται μια νέα μεθοδολογία για τη γενικευμένη μαθηματική διατύπωση και κατασκευή ενός προγραμματιζόμενου πεδίου δυνάμεων καθώς και για τον ανοικτού βρόχου χωρίς αισθητήρες χειρισμό πολυγωνικών αντικειμένων διαφόρων σχημάτων σε πλατφόρμες μικροεπενεργητών. Η εφαρμογή και ο προγραμματισμός του παραγομένου πεδίου σε πλατφόρμα μικροεπενεργητών τριχοειδούς τύπου παρουσιάζονται μαζί με ένα προτεινόμενο σχεδιασμό ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για τη διεξαγωγή του προγραμματισμού καθώς και της λειτουργίας της πλατφόρμας. Η ικανότητα χειρισμού της διάταξης εξετάζεται μέσω προσομοιώσεων για διάφορα απλά πολυγωνικά κυρτά και μη κυρτά σχήματα μικροαντικειμένων και τα αποτελέσματα δείχνουν επιτυχημένη τοποθέτηση και προσανατολισμό στις επιθυμητές τελικές διαμορφώσεις. Επίσης, γίνεται η παρουσίαση μιας ιδέας για τον χειρισμό μικροαντικειμένων έγκλειστων σε σταγόνες υγρού η οποία στηρίζεται στην αξιοποίηση των φαινομένων της ηλεκτροδιαβρεκτικότητας, της διηλεκτροφόρησης και της αυτοσυναρμολόγησης με επιφανειακές τάσεις. Αρχικά, πραγματοποιείται μοντελοποίηση της σταγόνας με πεπερασμένα στοιχεία κατά την ηλεκτροδιαβρεκτικότητα προς επιβεβαίωση της τάσης της κίνησης της σταγόνας προς το ενεργοποιημένο ηλεκτρόδιο. Στη διηλεκτροφόρηση παρουσιάζεται μια διάταξη ηλεκτροδίων τύπου ακίδας δακτυλίου η οποία δημιουργεί ένα ανομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο. Η τάση της κίνησης επιβεβαιώνεται και με τη μοντελοποίηση με πεπερασμένα στοιχεία. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων διηλεκτροφόρησης σταγόνων πάνω σε μια πλακέτα πυριτίου με τυπωμένα ηλεκτρόδια ακίδας δακτυλίου παρουσιάζονται και κατηγοριοποιούνται.Τέλος, παρουσιάζεται μια νέα μεθοδολογία η οποία χρησιμοποιεί ηλεκτροστατικές δυνάμεις για την ακριβή ευθυγράμμιση και μαζική αυτοσυναρμολόγηση μικροαντικειμένων. Μικροσκοπικά ηλεκτρόδια στο αντικείμενο και στο υπόστρωμα χρησιμεύουν ως περιοχές ευθυγράμμισης και συγκόλλησης. Ερευνώντας και καταγράφοντας την εξάρτηση της ηλεκτροστατικής δύναμης από διάφορες παραμέτρους με βάση τη μοντελοποίηση με πεπερασμένα στοιχεία παράγεται ένα προσαρμοσμένο μοντέλο δύναμης για κυκλικές και τετραγωνικές γεωμετρίες ηλεκτροδίων. Χρησιμοποιώντας τα προσδιορισθέντα μοντέλα δύναμης προτείνονται γενικοί κανόνες για το σχεδιασμό της γεωμετρίας της διάταξης και των περιοχών συγκόλλησης. Επίσης πραγματοποιείται η προσομοίωση της κίνησης μικροαντικειμένων υπό την επίδραση των ηλεκτροστατικών δυνάμεων. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν όχι μόνο τη διαδικασία αυτοευθυγράμμισης αλλά και τους κανόνες που προτάθηκαν καθώς καθίσταται δυνατή η πρόβλεψη της συμπεριφοράς των αντικείμενων.