Origami Ispirato auto-assemblaggio di particelle Fantasia e riconfigurabile

Abbiamo prima descritto un protocollo generale che può essere utilizzata per produrre particelle di fantasia, sigillate e riconfigurabili dispositivi di presa. Insieme con il protocollo generale, forniamo uno specifico esempio visualizzato sia per la fabbricazione di particelle dodecaedrico sigillati e microgrippers riconfigurabili. 1. Maschera Preparazione e Design Rules Tipicamente, almeno due insiemi maschera sono necessari, uno per le regioni che non scorrano o curva (pannelli rigidi) e l'altro per le regioni che curva, curva o guarnizione (cerniere). Maschere aggiuntive possono essere utilizzati per definire modelli di superficie di pori, patch molecolari, elementi ottici ed elettronici. Le maschere possono essere progettati utilizzando una varietà di vettori bidimensionali programmi software di grafica come AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX o Layout Editor. Studi empirici suggeriscono le seguenti regole di progettazione ottimale per generare maschere che possono essere utilizzati per la tensione superficiale guidato piegatura di una polyhedron di lunghezza L. lato Per una particolare geometria poliedrica, il numero di pannelli deve prima essere determinata. Ad esempio, un cubo ha sei pannelli quadrati mentre un dodecaedro ha dodici pannelli pentagonali. L'alto rendimento due disposizione bidimensionale di pannelli, chiamato anche una rete deve essere capito. Reti che hanno il più basso raggio d 'inerzia e maggior numero di connessioni tra i vertici secondari in genere montare con il massimo rendimento. Le reti ottimali per una varietà di poliedri, come cubi, ottaedri, dodecaedri, troncato ottaedri, icosaedri, sono pubblicati 23, 28. Nella maschera pannello, i pannelli dei poliedri deve essere disegnato come reti ed i pannelli adiacenti devono essere distanziate da uno spazio di larghezza che è approssimativamente 0.1L. Marchi di registro sono necessari per successivo allineamento con la maschera cerniera. Nella maschera cerniera, due cerniere pieghevoli (tra i pannelli) e le cerniere di bloccaggio o di tenuta (ai bordi dei pannelli)deve essere definito. Cerniere pieghevoli devono avere lunghezze e larghezze di 0.8L 0.2l mentre sigilla cerniere alla periferia dei pannelli devono avere lunghezze e larghezze di 0.8L 0.1L con uno sbalzo di 0.05L (Figura 1 ac). Particolare cura deve essere adottate per garantire che la mascherina del pannello e cerniera maschere, con registro. Con questa regola di progettazione, siamo stati in grado di sintetizzare le particelle con dimensioni che vanno da 15 micron a 2,5 cm. Il volume della cerniera controlla gli angoli di piegatura, e per una data larghezza di cerniera, modelli di elementi finiti è necessaria per determinare lo spessore necessario della cerniera. Il lettore si riferisce a modelli pubblicati 29-32 per stimare questo spessore. Tuttavia, la caratteristica interessante del nostro approccio è l'uso di bloccaggio o chiusura cerniere che forniscono una notevole tolleranza di errore durante l'auto-piegatura. Quindi, quando le cerniere di tenuta vengono utilizzati, il processo di assemblaggio è tollerante a deviazioni nei volumi cerniera, permettendo loro di essere solo approssimativamente targeted. A causa di cooperatività significativo in fase di montaggio, anche con angoli di piega dodecaedri di 116,57 ° sono stati prodotti in massa. Inoltre, troncato ottaedri hanno due differenti angoli diedri di 125,27 e 109,47 ° ° ma potrebbe essere assemblata utilizzando gli stessi volumi cerniera. Un altro vantaggio delle cerniere di tenuta è che le cerniere adiacenti ad ogni fusibile loro insieme sul riscaldamento durante il processo di piegatura, la creazione di particelle ben chiuse, senza soluzione di continuità e rigido sul raffreddamento. Gli studi empirici suggeriscono le seguenti regole di progettazione ottimali per le maschere di microgrippers che si piegano a causa di cerniere tensioni residue alimentati. Per un microgripper di punta-punta lunghezza (D) di 600-900 micron, il divario cerniera (g) è tipicamente circa 50 micron (Figura 1 df), mentre per i piccoli microgrippers con D di 300 um, una minore g di circa 25 micron dovrebbe essere utilizzato. Le dimensioni di apertura della cerniera dipendono dallo spessore stress, ed elastico contents dei film multistrato sottostanti e soluzioni di analisi può essere utilizzato per stimare approssimativamente il grado di piegatura 25,33. La misurazione precisa di sollecitazioni e di modellazione agli elementi finiti è necessario per simulare con precisione la piegatura. Studi empirici indicano che circa 100 micron è il limite inferiore per le particelle con cerniere cromo stressati. Dopo aver progettato il layout, le maschere devono essere stampati su lucidi con stampanti ad alta risoluzione sia in-house o attraverso una varietà di sbocchi commerciali (Figura 2a). In genere, i film di trasparenza deve essere utilizzato solo con dimensioni caratteristiche minime di 6 micron, mentre le maschere cromo sono necessarie per le strutture con spazi più piccoli o le funzioni di cerniera. Il formato di file tipico necessario per ordinare le maschere commerciali è ". Dxf". 2. Preparazione del supporto Superfici piane come vetrini o wafer di silicio devono essere utilizzati. Per una buona aderenza, è important per pulire e asciugare i substrati. È sufficiente pulire i substrati con metanolo, acetone e alcool isopropilico (IPA), asciugarle con azoto (N 2) e poi riscaldare su una piastra calda o in un forno a 150 ° C per 5-10 min. 3. Deposizione dello strato sacrificale Al fine di rilasciare i modelli dal substrato dopo patterning, uno strato sacrificale è richiesto. Una varietà di film composti sia metalli (ad esempio, rame), dielettrici (ad esempio, allumina) o polimeri (ad esempio, PMMA, PVA, CYTOP ecc) possono essere utilizzati. Quando si sceglie un film sacrificale, considerazioni importanti sono la facilità di deposizione e scioglimento del materiale e la selettività etch. 4. Patterning dei pannelli I pannelli di particelle può essere depositato da una varietà di mezzi. Per particelle polimeriche, le pellicole sono depositate per spin coating o colata goccia. Perparticelle metalliche, elettrodeposizione o evaporazione termica può essere utilizzata. Per la fabbricazione di particelle metalliche, è necessario aggiungere uno strato conduttore sul substrato rivestito strato sacrificale per facilitare elettrodeposizione dei pannelli e cerniere. I pannelli possono essere modellato con qualsiasi processo litografico, come fotolitografia, stampaggio, litografia nanoimprint o litografia a fascio di elettroni. Un tipico processo di fotolitografia comporta rivestimento uno strato di fotoresist sul substrato, quindi cottura, esponendo e sviluppando come raccomandazione al costruttore di. Fotosensibili come SPR, AZ o SC serie può essere utilizzata, in alternativa, i pannelli possono essere definite utilizzando polimeri photocrosslinkable come SU8, PEGDA o photocrosslinkable PDMS. A seconda della scelta del photoresist, spessore e quindi la velocità di centrifuga, tempo di esposizione e il tempo di sviluppo dovrà essere regolato di conseguenza. Dopo fotolitografia, a seconda delle dimensioni delle metallico particocoli, pannelli di spessore può essere formato per elettrodeposizione, mentre i pannelli sottili possono essere definiti mediante evaporazione o sputtering. Per elettrodeposizione di pannelli, leggi di Faraday di elettrodeposizione e l'efficienza della vasca deve essere usato per calcolare la corrente elettrolitica basata sulla superficie totale esposta dei pannelli. Tipiche densità di corrente per il nichel (Ni) e saldare (Pb-Sn) placcatura sono tra 1-10 mA / cm 2 e 20-50 mA / cm 2 rispettivamente. 5. Patterning le cerniere Simile al patterning dei pannelli, per cerniere modello, una seconda fase di fotolitografia deve essere fatto utilizzando la maschera di cerniera (Figura 2b-c). I segni del Registro di sistema sul pannello e maschere cerniere devono essere sovrapposti per garantire il corretto allineamento. Per il montaggio superficiale tensione guidato, i materiali per i pannelli e le cerniere devono essere scelti in modo che il materiale ha una bassa cernieraer punto di fusione rispetto ai pannelli e quindi i pannelli rimangono rigide, mentre le cerniere sono fuse. Assemblaggio avviene quando i modelli sono riscaldati alla temperatura di fusione del materiale di cerniera. Ad esempio, nel caso di particelle metalliche con pannelli Ni, Pb abbiamo electrodeposit-Sn saldature delle cerniere che fonde a ~ 200 ° C e richiede la piegatura. Analogamente, nel caso di particelle polimeriche con SU8 pannelli, deposito cerniere policaprolattone che assemblano a ~ 58 ° C. 27 Il processo funziona meglio quando il materiale di cerniera è bloccato all'interno della regione cerniera durante il riflusso, cioè non diffusa in tutto il pannelli e non completamente Dewet dal pannello. Questo pinning può essere ottenuto dalla selezione di materiali con caratteristiche di bagnabilità e viscosità appropriate. In caso di sollecitazione film sottile guidato self-piegatura, le cerniere devono essere configurate prima della patterning pannello. Tipicamente, la cerniera deve essere costituito da un doppio strato differenzialmente sottolineato,composto di un metallo stressata come cromo (Cr) o zirconio (Zr) e un metallo relativamente atono come l'oro (Au) o rame (Cu). Per esempio, per microgrippers con cerniera gap di 50 pm, usiamo un doppio strato composta Cr 50 nm e 100 nm Au. Oltre a differenzialmente stressate bistrati metallici, polimeri differenzialmente sottolineato 34-37, 38 o SiOx strati epitassiali semiconduttori 5 strati possono anche essere utilizzati. Per lo stress film sottile guidato self-piegatura, un termosensibile strato polimerico innesco deve essere utilizzato per vincolare dispositivi in ​​modo che le strutture non piegare spontaneamente al rilascio dal substrato. La scelta appropriata del materiale trigger e spessore possono dotare i dispositivi con proprietà differenti stimoli reattivi. Per esempio, patterning 1,5 micron di spessore photoresist (serie S1800) nella regione cerniera è sufficiente per mantenere i dispositivi piatta fino a quando sono riscaldati a ~ 37 ° C per attivare la piegatura. <p class= "Jove_title"> 6. Rilasciando i modelli dal substrato e pieghevoli Per rilasciare i modelli modellati 2D, lo strato sacrificale deve essere sciolta mordenzanti appropriati (figura 2d). Per tensione superficiale guidato assemblaggio, i precursori planari rilasciate deve essere riscaldata alla temperatura di fusione del materiale di cerniera. Il riscaldamento, le cerniere vengono liquefatti e precursori assemblano in particelle cave opportunamente sagomate (Figura 2e-i). Per la piegatura di stress pellicola sottile guidato, la piegatura può essere attivato dopo le strutture vengono rilasciati dal substrato e l'esposizione allo stimolo destra, per esempio, il riscaldamento, in modo che il grilletto ammorbidisce e non vincola il rilassamento delle cerniere doppio strato sollecitate. Poiché i dispositivi di presa sono ferromagnetici possono essere guidato e posizionato in prossimità del carico appropriato e innescato da piegare intorno ad esso (Figura 2j-n). È degno di nota che il tessuto escissionesione può essere ottenuto utilizzando tale piegatura attivato 25. Esempio 1. Protocollo per la fabbricazione di tensione superficiale guidato auto-assemblati, permanentemente legato, 300 um dimensioni cava dodecaedri (rappresentazione schematica in figura 3): Preparare le maschere, come spiegato al punto 1. Per la realizzazione del dodecaedri con 300 lunghezza dello spigolo del pannello pm, disegnare una maschera pannello in modo tale che i pannelli pentagonali del dodecaedro sono distanziati di 30 micron. Disegnare una maschera in cui cerniera cerniere a libro e la chiusura hanno dimensioni di 240 micron x 60 micron e 240 micron x 30 micron, rispettivamente. Preparare un substrato di wafer di silicio, come spiegato al punto 2. Cappotto Spin ~ 5,5 micron strato di spessore di 950 PMMA A11 a 1.000 giri al minuto, sui wafer di silicio. Attendere per 3 minuti e poi cuocere a 180 ° C per 60 sec. Utilizzando un evaporatore termico, deposito di 30 nm di cromo (Cr) come promotore di adesione e 150 nm di rame (Cu) come tche lo strato conduttivo. Cappotto Spin ~ 10 micron di spessore SPR220 a 1.700 giri al minuto sui wafer. Attendere per 3 min. Eseguire una rampa-up softbake ponendo il wafer su una piastra riscaldante a 60 ° C per 30 sec. Poi trasferire il wafer su un'altra piastra calda a 115 ° C per 90 sec e poi di nuovo a 60 ° C per 30 sec. Raffreddare i wafer a temperatura ambiente ed attendere per 3 ore. Esporre i wafer alla maschera pannello utilizzando ~ 460 mJ / cm 2 di luce UV (365 nm) e una base allineatore maschera mercurio. Sviluppare in MF-26A sviluppatore per 2 minuti e cambiare la soluzione di sviluppo e di sviluppare per un altro min 2. Calcolare l'area totale del pannello e utilizzarlo per calcolare la corrente necessaria per electrodeposit Ni da una soluzione commerciale sulfamato di nichel ad una velocità di circa 1-10 mA / cm 2 fino ad uno spessore di 8 micron. Sciogliere il photoresist con acetone. Sciacquare la cialda con IPA, e asciugare con N 2 gas. Cappotto Spin ~ 10 micron di spessore SPR220 a 1.700 giri al minuto sul wafer. Attendere per 3 min. Eseguire una rampa-up softbake ponendo il wafer su una piastra riscaldante a 60 ° C per 30 sec. Poi trasferire il wafer ad un'altra piastra riscaldante a 115 ° C per 90 sec e poi torna a 60 ° C per 30 sec. Raffreddare i wafer a temperatura ambiente ed attendere per 3 ore. Esporre i wafer alla maschera cerniera con ~ 460 mJ / cm 2 di luce UV (365 nm) e una base allineatore maschera mercurio. Garantire che i marchi di registro sono allineate in modo che le cerniere siano allineate con i pannelli. Sviluppare in MF-26A sviluppatore per 2 minuti e cambiare la soluzione di sviluppo e di sviluppare per un altro min 2. Utilizzando un tagliatore di diamanti, tagliare l'ostia in piccoli pezzi in modo che un pezzo di wafer contiene ~ 50-60 reti. Rivestire i bordi dei pezzi con smalto. Calcolare l'area totale cerniera esposta e utilizzarlo per calcolare la corrente necessaria per electrodeposit Pb-Sn stagno da una soluzione commerciale placcatura saldatura ad una velocità di approximately 20-50 mA / cm 2 fino ad uno spessore di 15 micron. Sciogliere il photoresist in acetone. Sciacquare i pezzi di wafer con IPA, e asciugare con N 2 gas. Immergere il pezzo di wafer in mordenzante APS 100 per 25-40 secondi per sciogliere lo strato di Cu circostante. Risciacquare con acqua deionizzata e asciugare con N 2 gas. Immergere il pezzo di wafer in mordenzante CRE-473 per il 30-50 secondi per sciogliere lo strato che circonda Cr. Risciacquare con acqua deionizzata e asciugare con N 2 gas. Immergere il pezzo di wafer in ~ 2-3 ml di 1-metil-2-Pyrollidinone (NMP) e riscaldare a 100 ° C per 3-5 minuti fino a quando i modelli vengono rilasciati dal substrato. Transfer ~ 20-30 modelli in una piccola scatola di Petri e distribuiscono in modo uniforme. ~ Aggiungere 3-5 ml di gocce NMP e ~ 5-7 di Indalloy 5RMA flusso liquido. Calore a 100 ° C per 5 min. In questa fase, il flusso liquido 5RMA Indalloy pulisce e scioglie qualsiasi strato di ossido formato sulla saldatura e quindi garantisce una buona saldatura reflow riscaldamento sopra il punto di fusione. Aumentare la temperatura della piastra a 150 ° C per 5 minuti e poi lentamente aumentare a 200 ° C fino piegatura avviene. Quando la temperatura viene aumentata a 200 ° C pieghevole inizia dopo 5-8 min. La miscela può diventare marrone che si comincia a bruciare. Quando il dodecaedri hanno piegato, consentono il piatto si raffreddi. Aggiungere acetone al piatto, pipettare il liquido e lavare l'dodecaedri in acetone e etanolo. Conservare le particelle dodecaedro in etanolo. Esempio 2. Protocollo per la fabbricazione di riconfigurabili, stress film sottile guidato self-piegatori termosensibili microgrippers (rappresentazione schematica di figura 4): Preparare le maschere, come spiegato al punto 1. Progettare le maschere in modo da punta a punta lunghezza delle pinze è 980 micron, con la lunghezza del lato del pannello centrale di 111 micron e il gap cerniera di 50 pm. Tipiche maschere cerniera e il pannello possono essere progettati similar alla figura 1 de. Preparare wafer di silicio, come spiegato al punto 2. Caparra 15 nm Cr adesione e 50-100 nm strati sacrificali Cu utilizzando un evaporatore termico. Spin-coat ~ 3 micron di spessore S1827 usando rivestitore a rotazione, a 3.000 giri. Attendere per 3 minuti e poi cuocere il wafer a 115 ° C per 1 min su una piastra. Esporre a ~ 180 mJ / cm 2 luce UV (365 nm) con un allineatore maschera e la maschera cerniera. Sviluppare il 40-60 sec in 5:1 Developer diluito 351. Risciacquare con acqua deionizzata e asciugare con N 2 gas. Deposito 50 nm e 100 nm Cr Au usando un evaporatore termico. Il Cr-Au funge da cerniera con doppio strato tensioni residue nel film Cr, mentre il film di Au è uno strato di supporto bioinerte. Lift-off il photoresist in acetone. Utilizzare un sonicatore per 3-5 min per lo decollo il metallo in eccesso. Lavare il wafer con acetone e IPA, asciugare con N 2 gas. Spin cappotto ~ 10 micron di spessore a SPR2201.700 giri sui wafer. Attendere per 3 min. Eseguire una rampa-up softbake ponendo il wafer su una piastra riscaldante a 60 ° C per 30 sec. Poi trasferire il wafer ad un'altra piastra riscaldante a 115 ° C per 90 sec e poi torna a 60 ° C per 30 sec. Attendere per 3 ore. Esporre il fotoresist ad ~ 460 mJ / cm 2 luce UV (365 nm) con un allineatore maschera attraverso la maschera del pannello. Sviluppare in MF-26A sviluppatore per 2 minuti e cambiare la soluzione di sviluppo e di sviluppare per un altro min 2. Calcolare l'area totale del pannello e utilizzarlo per calcolare la corrente necessaria per electrodeposit Ni da una soluzione commerciale sulfamato di nichel ad una velocità di circa 1-10 mA / cm 2 fino ad uno spessore di 5 pm. Sciacquare accuratamente con acqua deionizzata. Electrodeposit o evaporare 100 nm Au. Questo strato aiuta a proteggere Ni dai mordenzanti utilizzati per rimuovere lo strato sacrificale. Spellare il photoresist con acetone. Sciacquare la cialda con IPA, e asciugare con N 2 gas. </li> Mescolare S1813 e S1805 photoresits in rapporto volumetrico 1:5. Spin cappotto la miscela a 1.800 giri al minuto. Attendere per 3 min, quindi cuocere su una piastra riscaldante a 115 ° C per 1 min. Questo strato di fotoresist funge da strato di innesco. Esporre a ~ 120 mJ / cm 2 luce UV (365 nm) su un allineatore maschera utilizzando la maschera di cerniera. Sviluppare il 30-50 sec in 5:1 sviluppatore diluito 351. Risciacquare con acqua deionizzata e asciugare con N 2 gas. Tagliare un pezzo di wafer con una fresa diamantata. Immergere il pezzo di wafer in APS 100 per incidere il sottostante strato di Cu sacrificale. Attendere che i microgrippers sono completamente rilasciati dal substrato. Sciacquare i microgrippers con acqua deionizzata e conservare in acqua fredda. Attivare la piegatura mettendo le microgrippers in acqua a 37 ° C. 7. Risultati rappresentativi Risultati rappresentativi in Figura 5 mostrano particelle poliedriche autoassemblati in una varietà di shscimmie così come microgrippers pieghevoli. Il processo di fabbricazione ed azionamento è altamente parallela e strutture 3D possono essere fabbricati e attivati ​​contemporaneamente. Inoltre, schemi precisi come esemplificato da pori quadrata o triangolare può essere definito in tre dimensioni, e su facce selezionate se necessario. Le microgrippers può essere chiuso in condizioni biologicamente benigne in modo che possano essere utilizzati per tessuti accise o caricato con carico biologico. Inoltre, poiché le microgrippers può essere realizzato con un materiale ferromagnetico, essi possono essere spostati da lontano usando campi magnetici. Figura 1. Regole di progettazione per la sintesi di particelle di fantasia (ac) maschera regole di progettazione per l'assemblaggio di fantasia particelle poliedriche;. (A) Schema della maschera pannello per un poliedro lato di lunghezza L, (b) schema della maschera con cerniera pieghevole(0,2 L x 0,8 L) e bloccaggio o di tenuta (0,1 L x 0,8 L) cerniere, e (c) schema del precursore sovrapposta 2D o rete. (Df) progettazione norme maschera per l'auto-piegatura microgripper; (d) schematiche della maschera cerniera per una microgripper con punta a punta, lunghezza D (e) schematiche della maschera pannello con cerniera spazio g, e (f) schematiche di il precursore sovrapposto 2D. Clicca qui per ingrandire la figura . Figura 2. Immagini sperimentali e animazioni concettuali di passi importanti nella fabbricazione e processo di assemblaggio. (A) Schermata di una maschera di pannello di AutoCAD per precursori dodecaedro. (Bc) le immagini ottiche dei precursori per 2D, (b) dodecaedri, e (c) microgrippers su un substrato di silicio. (D) Uscito reti dodecaedro. Bar Scala: 200 micron. (It) una concettualenimation di, (ei) la tensione superficiale guidato montaggio di un dodecaedro, e (jn) sottolineano film sottile guidato pieghevole di un microgripper attorno un cordone (animazione di David Filipiak). Figura 3. Illustrazione schematica delle fasi di fabbricazione importanti per l'assemblaggio tensione superficiale guidato di una particella cubica. Figura 4. Illustrazione schematica delle fasi di fabbricazione importanti per lo stress residuo guidato pieghevole di un sei cifre pinza. Figura 5. Immagini di particelle origami ispirati auto-assemblati a motivi geometrici e riconfigurabili. </strong> (a) Ottica dell'immagine autoassemblati particelle in una varietà di forme. (Essere) SEM immagini di una (b) autoassemblato cubo poroso, (c) piramide, (d) ottaedro troncato e (e) dodecaedro. Bar Scala: 100 micron. (Fh) istantanee ottici di auto-pieghevoli microgrippers, e (i) SEM immagine di un microgripper piegato (Immagine di Timothy Leong). Bar Scala: 200 micron.