Χειρισμός μικροαντικειμένων με χρήση ηλεκτροστατικών πεδίων

• Κύριος συγγραφέας: Σαραντόγλου, Γεώργιος
• Άλλοι συγγραφείς: Τζες, Αντώνης
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2017
• Θέματα: Χειρισμός μικροαντικειμένων; Μικροχειρισμός; Ηλεκτροστατικά πεδία; Microparts manipulation; Micromanipulation; Electrostatic fields; 670.42

Τα τελευταία χρόνια η σμίκρυνση (miniaturization) έχει αποτελέσει έναν πολύ σημαντικό παράγοντα για την ανάπτυξη της τεχνολογίας. Ένας από τους κύριους στόχους αυτής της διαδικασίας είναι η ανάπτυξη μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS), ικανών να καλύψουν πλήθος τεχνολογικών εφαρμογών. Είναι συνεπώς αναγκαία η ανάπτυξη τεχνικών μικροσυναρμολόγησης για τον προσανατολισμό, την μετακίνηση και την σύνθεση εξαρτημάτων σε πολυπλοκότερες δομές με στόχο την μαζική παραγωγή μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων. Στις μέρες μας κυριαρχούν στον κλάδο της μικροσυναρμολόγησης τεχνικές σειριακής/ αυτοματοποιημένης συναρμολόγησης με ρομποτικούς μικροβραχίονες, οι οποίες όμως δεν επαρκούν για την κάλυψη της ανάγκης για αυξημένη μαζική παραγωγή MEMS, λόγω της χρονοβόρας, μη ευέλικτης και υψηλού κόστους, ακολουθιακού χαρακτήρα φύσης τους. Γίνεται επομένως εμφανής η ανάγκη για σχεδιασμό νέων ευέλικτων, γρήγορων και οικονομικών τεχνικών παράλληλης μικροσυναρμολόγησης, δίχως την χρήση ρομποτικών βραχιόνων. Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται μια παράλληλη τεχνική συναρμολόγησης, βασισμένης στο φαινόμενο της αυτοσυναρμολόγησης (self-assembly). Πιο συγκεκριμένα, μικροσκοπικά, συμπληρωματικά ηλεκτρόδια τοποθετούνται πάνω σε ένα υπόστρωμα και κάτω από ένα μικροαντικείμενο, το οποίο επιθυμείται να προσανατολιστεί και να μετακινηθεί . Για το σκοπό αυτό εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα συμπληρωματικά ηλεκτρόδια, εξασφαλίζοντας έτσι την ανάπτυξη ενός ηλεκτροστατικού πεδίου, ικανού προσφέρει την επιθυμητή τελική διαμόρφωση του μικροαντικειμένου. Με τον τρόπο αυτό εκτελείται η μετακίνηση και ο προσανατολισμός ενός μικροεξαρτήματος στον χώρο, δηλαδή τα δύο πρώτα στάδια της μικροσυναρμολόγησης. Η λειτουργία αυτή απαιτεί χαμηλό κόστος ανάπτυξης και συντήρησης και προσφέρει μεγάλη ακρίβεια και υψηλή ταχύτητα. Στο Κεφάλαιο 1 πραγματοποιείται μια συνοπτική ανασκόπηση της τρέχουσας κατάστασης του κλάδου συναρμολόγησης μικροαντικειμένων. Μετά από μια σύντομη παρουσίαση των μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων και των εφαρμογών τους στην σύγχρονη τεχνολογία, παρουσιάζονται οι δύο κύριες κατηγορίες μικροσυναρμολόγησης, η σειριακή και η παράλληλη. Μέσα από την παρουσίαση σύγχρονων μεθόδων και υλοποιήσεων που έχουν προταθεί για τις δύο αυτές τεχνικές μικροσυναρμολόγησης, γίνεται εμφανής η ανωτερότητα της δεύτερης κατηγορίας σε σχέση με την πρώτη για την μαζική παραγωγή MEMS. Επιπλέον στα πλαίσια των μεθόδων παράλληλης μικροσυναρμολόγησης, παρέχονται λίγα εισαγωγικά στοιχεία για τις τεχνικές αυτοσυναρμολόγησης μικροαντικειμένων. Στις τελευταίες ανήκει η τεχνική που αναλύεται σε αυτήν την διπλωματική εργασία. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται λεπτομερής περιγραφή των βασικών αρχών της υπό εξέταση τεχνικής μικρο- συναρμολόγησης. Στην συνέχεια αναλύεται η ηλεκτροστατική δύναμη που είναι υπεύθυνη για την μετακίνηση του μικροαντικειμένου και υπολογίζεται ένα προσεγγιστικό μοντέλο για την περιγραφή της. Με χρήση αυτού του μοντέλου δύναμης ομαδοποιούνται κατάλληλα τα ηλεκτρόδια του υποστρώματος και του μικροαντικειμένου. Επιπλέον αναπτύσσεται ένα σύνολο κανόνων ενεργοποίησης συμπληρωματικών ηλεκτροδίων για την εμφάνιση κάθετης, οριζόντιας και διαγώνιας κίνησης. Τέλος με χρήση του λογισμικού MATLAB/ Simulink γίνεται μοντελοποίηση των διαφορικών εξισώσεων που διέπουν την πειραματική διάταξη και υπολογίζεται η οριζόντια και κάθετη μετακίνηση του μικροαντικειμένου σύμφωνα με τους κανόνες ενεργοποίησης ηλεκτροδίων που αναπτύχθηκαν. Στο Κεφάλαιο 3 με βάση τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων του Κεφαλαίου 2, γίνεται σχεδιασμός και προσομοίωση της ολοκληρωμένης κίνησης ενός μικροαντικειμένου πάνω στην πλατφόρμα από μια αρχική θέση προς μια τελική θέση. Οι περιπτώσεις που εξετάζονται είναι η κίνηση ενός μικροαντικειμένου σε πλατφόρμα χωρίς εμπόδια, η κίνηση ενός μικροαντικειμένου σε πλατφόρμα με εμπόδια και τέλος η παράλληλη κίνηση δύο μικροαντικειμένων σε πλατφόρμα με εμπόδια. Τα εμπόδια αυτά μπορεί να απευθύνονται είτε σε ανεπιθύμητα ακίνητα αντικείμενα , που εμφανίστηκαν απροσδόκητα στο χώρο της πειραματικής διάταξης, είτε σε μικροαντικείμενα που έχουν φτάσει στο τέλος την διαδρομής τους κατά την διαδικασία παράλληλου μικροχειρισμού. Για κάθε μια από τις τρεις περιπτώσεις παρουσιάζονται αναλυτικά οι αλγόριθμοι αντιμετώπισης του προβλήματος που θέτουν, καθώς και τα αποτελέσματα από την προσομοίωση της κίνησης τους με βάση το μοντέλο που αναπτύχθηκε στο λογισμικό MATLAB/ Simulink. Η επιτυχία αντιμετώπισης αυτών των προβλημάτων είναι εξαιρετικά σημαντική. Τα αποτελέσματα του κεφαλαίου αυτού, εξασφαλίζουν σε επίπεδο προσομοίωσης την δυνατότητα παράλληλης, γρήγορης και οικονομικής συναρμολόγησης μικροαντικειμένων με χρήση της παρούσας τεχνικής μικροχειρισμού ηλεκτροστατικών πεδίων.