Origami Inspired Auto-assemblage de particules à motifs et reconfigurable

Nous décrivons d'abord un protocole général qui peut être utilisé pour fabriquer des particules de motifs, scellées et reconfigurables dispositifs de préhension. Avec le protocole général, nous offrons un exemple spécifique visualisée à la fois pour la fabrication de particules dodécaédriques scellés et micropréhenseurs reconfigurables. 1. Préparation masque et règles de conception En règle générale, au moins deux jeux de masques sont nécessaires, un pour les régions qui ne glissent pas ou courbe (panneaux rigides) et l'autre pour les régions qui se courbent, courbe ou sceau (charnières). Masques supplémentaires peuvent être utilisés pour définir des modèles de surface de pores, les patchs moléculaires, des éléments optiques ou électroniques. Les masques peuvent être conçus en utilisant une variété de deux programmes vectoriels de dimension logiciels graphiques tels que AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX ou Layout Editor. Les études empiriques suggèrent les règles suivantes conception optimale pour générer des masques qui peuvent être utilisés pour la tension superficielle conduit pliage d'une polyhedron côté est de longueur L. Pour une géométrie particulière polyédrique, le nombre de panneaux doit d'abord être déterminée. Par exemple, un cube a six panneaux carrés tout en un dodécaèdre est composé de douze panneaux pentagonaux. Le haut rendement deux dimensions de panneaux de dispositif, également appelé réseau doit être compris. Nets qui ont le plus faible rayon de giration et plus grand nombre de connexions secondaires vertex est généralement assembler avec les rendements les plus élevés. Les filets optimales pour une grande variété de polyèdres tels que les cubes, octaèdres, dodécaèdres, octaèdres tronqués, icosaèdre, sont publiés 23, 28. Dans le panneau de masque, les panneaux des polyèdres doit être établi que les filets et les panneaux adjacents doivent être espacés par un intervalle dont la largeur est d'environ 0,1 L. Marques de registre sont nécessaires pour l'alignement ultérieur avec le masque de charnière. Dans le masque de charnière, les deux charnières de pliage (entre les panneaux) et les charnières de blocage ou d'étanchéité (aux bords des panneaux)doivent être définis. Charnières de pliage doit être de longueurs et de largeurs de 0,8 L 0,2 L tout en scellant des charnières à la périphérie des panneaux doivent avoir des longueurs et des largeurs de 0,8 L de 0,1 L avec un surplomb de 0.05L (Figure 1 acre). Des précautions particulières doivent être prises pour veiller à ce que le cache du panneau et de la charnière masques, avec le registre. Avec cette règle de conception, nous avons été en mesure de synthétiser des particules avec des tailles allant de 15 um à 2,5 cm. Le volume de la charnière commande les angles de pliage, et pour une largeur donnée de charnière, la modélisation par éléments finis est nécessaire pour déterminer l'épaisseur nécessaire de la charnière. Le lecteur est renvoyé aux modèles publiés 29-32 pour estimer cette épaisseur. Cependant, l'attrait de notre approche est l'utilisation de verrouiller ou sceller des charnières qui fournissent beaucoup d'erreurs de tolérance lors de l'auto-pliage. Ainsi, lorsque les charnières d'étanchéité sont utilisés, le processus d'assemblage est tolérant aux écarts dans les volumes charnière, leur permettant d'être seulement environ targeted. En raison de coopérativité significative lors de l'assemblage, même dodécaèdres avec des angles de pliage de 116,57 ° ont été produites en masse. En outre, octaèdres tronqués ont deux angles dièdres différents de 125,27 ° et 109,47 °, mais peut être assemblé en utilisant les mêmes volumes charnière. Un autre avantage des charnières d'étanchéité est que les charnières adjacentes à chaque autre fusible ainsi que le chauffage pendant le processus de pliage, création de particules hermétiques, transparente et rigide au refroidissement. Les études empiriques suggèrent les règles suivantes conception optimale pour les masques de micropréhenseurs qui se replient grâce à des charnières de contraintes résiduelles alimentés. Pour une micropince de pointe à pointe longueur (D) de 600 à 900 um, l'écart de charnière (g) est typiquement d'environ 50 um (Figure 1 ddl), alors que pour les petites micropréhenseurs avec un D de 300 um, un petit g d'environ 25 um devraient être utilisés. Les dimensions dépendent de charnière écart du stress, de l'épaisseur et élastique contents des films multicouches sous-jacentes et des solutions analytiques peuvent être utilisées pour estimer approximativement l'ampleur de 25,33 pliage. La mesure précise des contraintes et de la modélisation par éléments finis est nécessaire de simuler avec précision le pliage. Les études empiriques suggèrent qu'environ 100 um est la limite inférieure pour les particules avec des charnières en chrome stressés. Après avoir conçu la mise en page, les masques doivent être imprimés sur films transparents utilisant des imprimantes à haute résolution soit en interne ou par le biais d'une variété de débouchés commerciaux (Figure 2a). En règle générale, les films de transparence doit être utilisé uniquement avec des tailles minimales de fonctionnalité 6 pm, tandis masques au chrome sont nécessaires pour les structures avec des lacunes ou des caractéristiques plus petites charnières. Le format de fichier typique requis pour commander des masques commerciaux est ". Dxf". 2. Préparation du support Substrats plats tels que des lames de verre ou de plaquettes de silicium doit être utilisé. Pour une bonne adhérence, il est important pour nettoyer et sécher les substrats. Il est généralement suffisant pour nettoyer les substrats avec du méthanol, de l'acétone et de l'alcool isopropylique (IPA), les sécher avec de l'azote (N 2), puis les chauffer sur une plaque chauffante ou dans un four à 150 ° C pendant 5-10 min. 3. Le dépôt de la couche sacrificielle Afin de libérer les gabarits à partir du substrat après formation de motif, une couche sacrificielle est nécessaire. Une variété de films composés de métaux soit (par exemple, cuivre), les diélectriques (par exemple, l'alumine) ou des polymères (par exemple, le PMMA, PVA, CYTOP etc) peuvent être utilisés. Lorsque vous choisissez un film sacrificiel, des considérations importantes sont la facilité de dépôt et de la dissolution de la matière et de la sélectivité de la gravure. 4. Modélisation des panneaux Les panneaux de particules peut être déposé par une variété de moyens. Pour des particules polymères, les films sont déposés par centrifugation ou coulée goutte. Pourparticules métalliques, électrodéposition ou par évaporation thermique peuvent être utilisés. Pour la fabrication de particules métalliques, il est nécessaire d'ajouter une couche conductrice sur le substrat revêtu de la couche sacrificielle faciliter électrodéposition des panneaux et charnières. Les panneaux peuvent être modelée par quelque procédé lithographique telles que la photolithographie, la fonderie de lithographie par nanoimpression, ou lithographie par faisceau d'électrons. Un procédé de photolithographie classique consiste à déposer une couche de résine photosensible sur le substrat, puis la cuisson, l'exposition et le développement en tant que recommandation du fabricant. Résines photosensibles tels que SPR, AZ ou la série SC peut être utilisé, ou alternativement, les panneaux peuvent être définies en utilisant des polymères photoréticulables comme SU8, PEGDA, ou photoréticulables PDMS. Selon le choix de la résine photosensible, l'épaisseur et donc la vitesse d'essorage, temps d'exposition et le temps de développement devront être ajustés en conséquence. Après photolithographie, en fonction de la taille des parti métalliquecles, des panneaux d'épaisseur peut être formé par électrodéposition, tandis que les panneaux minces peuvent être définies par évaporation ou pulvérisation cathodique. Pour l'électrodéposition de panneaux, les lois de Faraday de dépôt électrolytique et de l'efficacité du bain doit être utilisée pour calculer le courant d'électrodéposition sur la base de la surface totale exposée des panneaux. Typiques pour des densités de courant en nickel (Ni) et la soudure (Pb-Sn) de placage sont entre 1-10 mA / cm 2 et 20-50 mA / cm 2, respectivement. 5. Modélisation des charnières Similaire à la structuration des panneaux, afin de charnières de motif, une deuxième série de photolithographie qui doit être fait en utilisant le masque de charnière (Figure 2b-c). Les marques de registre sur le panneau et masques charnières doivent être superposées afin d'assurer un alignement correct. Ensemble pour la tension de surface entraînée, les matériaux pour les panneaux et les charnières doivent être choisis de telle sorte que le matériau présente une faible articulationpoint de fusion er que les panneaux et donc les panneaux restent rigides, tandis que les charnières soient fondus. Ensemble se produit lorsque les modèles sont chauffés au-dessus du point de fusion du matériau de la charnière. Par exemple, dans le cas de panneaux de particules métalliques avec Ni, nous électrolytique de soudure de Pb-Sn sur les charnières qui fond à ~ 200 ° C et entraîne le pliage. De même, dans le cas de particules polymériques avec des panneaux SU8, nous charnières de dépôt polycaprolactone qui assemblent à ~ 58 ° C. 27 Le processus fonctionne mieux lorsque le matériau charnière est épinglé dans la région charnière pendant la refusion, c'est à dire qu'il ne se propage pas dans le panneaux et ne pas complètement Dewet à partir du panneau. Ce brochage peut être atteint par le choix des matériaux avec des caractéristiques de mouillage appropriés et de la viscosité. Dans le cas de contrainte entraînée film mince auto-déployante, les charnières doivent être configurée avant la formation de motifs panneau. En règle générale, la charnière doit être composée d'une bicouche de façon différentielle souligné,composé d'un métal de contrainte tels que le chrome (Cr) ou le zirconium (Zr) et d'un métal relativement non contraint tel que l'or (Au) ou cuivre (Cu). Par exemple, pour micropréhenseurs avec un écart charnière de 50 pm, nous utilisons une bicouche composée de 50 nm et 100 nm Cr Au. En plus différentiellement souligné bicouches métalliques, polymères différentiellement souligné 34-37, couches SiOx 38 ou épitaxiale semi-conducteurs 5 couches peuvent également être utilisés. Pour le stress conduit à couche mince auto-pliage, une couche thermosensible déclenchement polymère doit être utilisé pour contraindre les appareils de sorte que les structures ne se replient spontanément lors de la libération du substrat. Le choix approprié du matériau et de l'épaisseur de déclenchement peut doter les dispositifs aux propriétés des stimuli différents réactifs. Par exemple, un motif 1,5 um d'épaisseur de photorésist (S1800 série) dans la région de charnière est suffisant pour maintenir les dispositifs à plat jusqu'à ce qu'il soit chauffé à ~ 37 ° C pour déclencher le pliage. <p class= "Jove_title"> 6. Libérer les modèles du substrat et pliantes Pour libérer les modèles à motifs en 2D, la couche sacrificielle doit être dissous par des agents de gravure appropriées (figure 2d). Pour la tension superficielle ensemble mené, les précurseurs planes du modèle doivent être chauffés au-dessus du point de fusion du matériau de la charnière. Le chauffage, les charnières se liquéfie et les précurseurs de l'assemblage en forme appropriée des particules creuses (figure 2e-i). Pour le pliage du film mince contrainte entraînée, le pliage peut être déclenché après que les structures sont libérés à partir du substrat et de l'exposition à la stimulation droite, par exemple, en chauffant, de telle sorte que la gâchette se ramollit et ne limite la détente des articulations sollicitées bicouches. Depuis les dispositifs de préhension sont ferromagnétiques, ils peuvent être guidés et positionnés à proximité de chargement approprié et déclencher à plier autour de celle-ci (figure 2j-n). Il est à noter que les tissus excisionsion peut être réalisé en utilisant par exemple déclenché pliage 25. Exemple 1. Protocole pour la fabrication de la tension de surface entraîné auto-assemblée, collée de façon permanente, 300 um taille dodécaèdres creux (représentation schématique de la figure 3): Préparer les masques comme expliqué à l'étape 1. Pour la fabrication de la dodécaèdres avec 300 um de longueur d'arête du panneau, dessiner un masque panneau de sorte que les panneaux pentagonaux du dodécaèdre sont espacées de 30 um. Dessinez un masque charnière où les charnières de pliage et d'étanchéité ont des dimensions de 240 x 60 um um et 240 um x 30 um respectivement. Préparer un substrat de silicium comme expliqué à l'étape 2. Manteau Spin ~ 5,5 um couche épaisse de 950 à 1.000 PMMA A11 rpm, sur des plaquettes de silicium. Attendre 3 min, puis faire cuire au four à 180 ° C pendant 60 secondes. À l'aide d'un évaporateur thermique, dépôt 30 nm de chrome (Cr) comme promoteur d'adhérence et 150 nm de cuivre (Cu) comme til couche conductrice. Manteau Spin ~ 10 um d'épaisseur SPR220 à 1.700 tours par minute sur les plaquettes. Attendre 3 min. Effectuer une softbake montée en plaçant la tranche sur une plaque chauffante à 60 ° C pendant 30 sec. Puis transférer la plaquette sur une autre plaque de cuisson à 115 ° C pendant 90 secondes, puis de nouveau à 60 ° C pendant 30 secondes. Refroidir les plaquettes à température ambiante et attendez pendant 3 heures. Exposer les plaquettes au masque panneau à l'aide ~ 460 mJ / cm 2 de lumière UV (365 nm) et un aligneur de masque à base de mercure. Développer en MF-26A développeur pendant 2 min et changer la solution de révélateur et de développer pour encore 2 min. Calculer la surface totale du panneau et de l'utiliser pour calculer le courant nécessaire pour dépôt électrolytique de Ni à partir d'une solution de sulfamate de nickel commercial à un taux d'environ 1-10 mA / cm 2 jusqu'à une épaisseur de 8 pm. Dissoudre la résine photosensible avec de l'acétone. Rincer la plaque avec de l'IPA, et sécher avec du gaz N 2. Manteau Spin ~ 10 um d'épaisseur SPR220 à 1700 tours par minute sur les plaquettes. Attendre 3 min. Effectuer une softbake montée en plaçant la tranche sur une plaque chauffante à 60 ° C pendant 30 sec. Puis transférer la plaquette à une autre plaque de cuisson à 115 ° C pendant 90 secondes, puis de nouveau à 60 ° C pendant 30 secondes. Refroidir les plaquettes à température ambiante et attendez pendant 3 heures. Exposer les plaquettes au masque charnière avec ~ 460 mJ / cm 2 de lumière UV (365 nm) et un aligneur de masque à base de mercure. Faire en sorte que les marques de registre sont alignés de telle sorte que les charnières sont alignées avec les panneaux. Développer en MF-26A développeur pendant 2 min et changer la solution de révélateur et de développer pour encore 2 min. L'utilisation d'un tailleur de diamants, couper la tranche en petits morceaux afin que un morceau de plaquette contient environ 50-60 filets. Enduire les bords des pièces avec du vernis à ongles. Calculer la surface totale exposée de charnière et l'utiliser pour calculer le courant nécessaire pour dépôt électrolytique de soudure Pb-Sn à partir d'une solution commerciale placage de soudure à une vitesse d'approassociés quelque 20-50 mA / cm 2 jusqu'à une épaisseur de 15 um. Dissoudre la résine photosensible dans l'acétone. Rincer les morceaux de gaufrette avec l'IPA, et sécher avec du gaz N 2. Immerger la pièce dans décapant plaquette APS 100 pour 25-40 secondes pour dissoudre la couche de revêtement de Cu. Rincer avec de l'eau DI et sécher avec du gaz N 2. Immerger la pièce dans décapant plaquette CRE-473 pour 30-50 secondes pour dissoudre la couche de revêtement Cr. Rincer avec de l'eau DI et sécher avec du gaz N 2. Plonger la pièce plaquette dans ~ 2-3 ml de 1-méthyl-2-pyrrolidinone (NMP) et chauffer à 100 ° C pendant 3-5 min jusqu'à ce que les modèles sont libérés du substrat. Transfert ~ 20-30 modèles dans une petite boîte de Petri et les distribuer de manière uniforme. Ajouter ~ 3-5 ml de NMP et ~ gouttes de 5-7 Indalloy 5RMA flux liquide. Thermique à 100 ° C pendant 5 min. Dans cette étape, le flux de liquide Indalloy 5RMA nettoie et dissout toute couche d'oxyde formée sur la soudure et assure ainsi une bonne soudure reflow sur le chauffage au dessus du point de fusion. Augmenter la température de plaque de cuisson à 150 ° C pendant 5 min, puis l'augmenter progressivement à 200 ° C jusqu'à ce pliage se produit. Lorsque la température est portée à 200 ° C pliage commence après 5-8 min. Le mélange peut devenir brune comme elle commence à brûler. Lorsque le dodécaèdres sont couchés, permettent le plat refroidir. Ajouter de l'acétone pour le plat, déposer à la pipette sur le liquide et rincer le dodécaèdres dans l'acétone puis de l'éthanol. Stocker les particules dodécaédriques dans l'éthanol. Exemple 2. Protocole pour la fabrication des reconfigurable, le stress conduit à couche mince auto-pliantes thermo-sensibles micropréhenseurs (représentation schématique de la figure 4): Préparer les masques comme expliqué à l'étape 1. Concevoir des masques de sorte que la longueur bout-à-bout des pinces est de 980 um, avec la longueur des côtés du panneau central de 111 um et l'écart de charnière de 50 um. Masques typiques charnière et le panneau peut être conçu similar à la figure 1 de. Préparer des tranches de silicium comme expliqué à l'étape 2. Dépôt de 15 nm de Cr d'adhérence et de 50-100 nm Cu couches sacrificielles en utilisant un évaporateur thermique. Spin-manteau ~ 3 um d'épaisseur à l'aide S1827 tournette, à 3.000 tpm. Attendre 3 min, puis cuire la galette à 115 ° C pendant 1 min sur une plaque chauffante. Expose à ~ 180 mJ / cm la lumière UV 2 (365 nm) en utilisant un aligneur de masque et le masque de charnière. Développer pendant 40-60 secondes dans 5:1 351 développeur diluée. Rincer avec de l'eau DI et sécher avec du gaz N 2. Dépôt de 50 nm et 100 nm Cr Au moyen d'un évaporateur thermique. Les fonctions de Cr-Au en tant que charnière avec la bicouche contrainte résiduelle dans le film de Cr, tandis que le film est une couche de Au soutien bioinerte. Décollage de la résine photosensible dans l'acétone. Utilisez un appareil à ultrasons pendant 3-5 min complètement le décollage, le métal excédentaire. Laver la plaque avec de l'acétone et de l'IPA, sécher avec du gaz N 2. Dépôt à la tournette ~ 10 um d'épaisseur à SPR2201.700 rpm sur les plaquettes. Attendre 3 min. Effectuer une softbake montée en plaçant la tranche sur une plaque chauffante à 60 ° C pendant 30 sec. Puis transférer la plaquette à une autre plaque de cuisson à 115 ° C pendant 90 secondes, puis de nouveau à 60 ° C pendant 30 secondes. Attendre pendant 3 heures. Exposer la résine photosensible à ~ 460 mJ / cm la lumière UV 2 (365 nm) en utilisant un aligneur de masque à travers le masque du panneau. Développer en MF-26A développeur pendant 2 min et changer la solution de révélateur et de développer pour encore 2 min. Calculer la surface totale du panneau et de l'utiliser pour calculer le courant nécessaire pour dépôt électrolytique de Ni à partir d'une solution de sulfamate de nickel commercial à un taux d'environ 1-10 mA / cm 2 jusqu'à une épaisseur de 5 um. Rincer abondamment avec de l'eau DI. Électrolytiquement ou s'évaporer 100 UA nm. Cette couche permet de protéger les agents de gravure de Ni utilisé pour retirer la couche sacrificielle. Dénudez la résine photosensible avec de l'acétone. Rincer la plaque avec de l'IPA, et sécher avec du gaz N 2. </li> Mélanger S1813 S1805 photoresits et au rapport de volume 1:5. Spin couche du mélange à 1800 tpm. Attendre 3 min, puis cuire sur une plaque chauffante à 115 ° C pendant 1 min. Cette couche de résine photosensible agit comme couche de déclenchement. Expose à ~ 120 mJ / cm la lumière UV 2 (365 nm) sur un aligneur de masque en utilisant le masque charnière. Développer pendant 30-50 secondes dans 5:1 351 développeur diluée. Rincer avec de l'eau DI et sécher avec du gaz N 2. Coupez un morceau de la galette à l'aide d'un diamant. Plonger la pièce plaquette en APS 100 à graver la couche sous-jacente sacrificiel Cu. Attendre jusqu'à ce que les micropréhenseurs sont complètement libérée du substrat. Rincer les micropréhenseurs avec de l'eau DI et de stocker l'eau froide. Déclencher le pliage en plaçant les micropréhenseurs à 37 ° C de l'eau. 7. Les résultats représentatifs Les résultats représentatifs de la figure 5 montrent auto-assemblées particules polyédriques dans une variété de shgrands singes ainsi que micropréhenseurs pliantes. Le procédé de fabrication et d'actionnement est hautement parallèle et structures 3D peuvent être fabriqués simultanément et déclenchée. En outre, des modèles précis comme l'illustre par des pores de forme carrée ou triangulaire peut être défini dans les trois dimensions, et sur les visages sélectionnés si besoin est. Les micropréhenseurs peut être fermé dans des conditions biologiquement bénignes de sorte qu'ils peuvent être utilisés pour exciser le tissu ou chargés de marchandises biologique. En outre, étant donné que les micropréhenseurs peut être réalisé avec un matériau ferromagnétique, ils peuvent être déplacés à distance en utilisant des champs magnétiques. Figure 1. Règles de conception pour la synthèse de particules motifs (ac) Masque de règles de conception pour l'assemblage de motifs particules polyédriques;. (A) Schéma du masque de panneau pour un polyèdre de longueur L côté, (b) schéma du masque avec charnière pliante(0,2 x L 0,8 L) et de blocage ou d'étanchéité (0,1 L 0,8 x L) des charnières, et (c) le précurseur schématique de superposition 2D ou filet. (Df) les règles de conception de masque pour le micropince auto-pliage; (d) schématiques du masque charnière pour une micropince avec pointe à D, longueur de la pointe (e) schématiques du masque panneau avec intervalle g charnière, et (f) des schémas le précurseur de superposition 2D. Cliquez ici pour agrandir la figure . Figure 2. Images expérimentales et conceptuelles des animations des étapes importantes dans la fabrication et d'assemblage. (A) Screenshot d'un masque panneau d'AutoCAD pour les précurseurs dodécaédriques. (Bc) des images optiques des précurseurs 2D pour, (b) dodécaèdres, et (c) micropréhenseurs sur un substrat de silicium. (D) Sortie filets dodécaédriques. Barres d'échelle: 200 um. (Fr) Conceptual unnimation de, (ei) la tension superficielle ensemble mené d'un dodécaèdre, et (jn) soulignent couche mince conduit pliage d'une micropince autour d'une perle (Animation par David Filipiak). Figure 3. Représentation schématique des étapes de fabrication importants pour l'ensemble de la tension de surface d'une particule entraînée cube. Figure 4. Représentation schématique des étapes de fabrication importants pour la contrainte résiduelle entraînée pliage d'un dispositif à six chiffres préhension. Figure 5. Images de particules d'origami d'inspiration auto-assemblés de motifs et reconfigurable. </strong> (a) d'image optique auto-assemblées de particules dans une variété de formes. (Be) des images d'un SEM (b) auto-assemblée cube poreux, (c) pyramide, (d) et octaèdre tronqué (e) dodécaèdre. Barres d'échelle: 100 um. (Fh) snapshots optiques de l'auto-pliantes micropréhenseurs, et (i) SEM image d'un micropince plié (image par Timothy Leong). Barres d'échelle: 200 um.