Origami Inspirado Auto-montagem de Partículas estampados e Reconfigurável

O primeiro descreve um protocolo geral que pode ser usado para fabricar as partículas estampados, seladas e reconfiguráveis ​​dispositivos de preensão. Juntamente com o protocolo geral, nós fornecemos um exemplo específico, tanto para a fabricação visualizado o de partículas seladas dodecaédricos e microgrippers reconfiguráveis. 1. Preparação máscara e Regras de Design Tipicamente, pelo menos dois conjuntos de máscara são necessários, um para as regiões que não se dobram ou curva (painéis rígidos) e a outra para que as regiões da curva dobra ou selo (dobradiças). Máscaras adicionais podem ser utilizados para definir padrões de superfície de poros, manchas moleculares, elementos ópticos ou electrónicos. As máscaras podem ser projetados usando uma variedade de duas dimensões vetor programas gráficos, como AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX ou Editor de Layout. Estudos empíricos sugerem as seguintes regras de design óptimas para a geração de máscaras que podem ser usadas para a tensão superficial conduzido dobragem de uma polyhedron lado de comprimento L. Para uma geometria particular poliédrica, o número de painéis de primeiro tem de ser determinado. Por exemplo, um cubo possui seis painéis quadrados, enquanto um dodecaedro tem doze painéis pentagonais. O alto rendimento duas arranjo dimensional dos painéis, também chamado um líquido tem de ser resolvido. Redes que têm o menor raio de giro eo maior número de conexões secundárias vértice normalmente reunir com os maiores rendimentos. As redes óptimas para uma variedade de poliedros tais como cubos, octaedros, dodecaedros, truncado octaedro, icosaedro, são publicados 23, 28. Na máscara do painel, os painéis da poliedros deve ser desenhada como redes e os painéis adjacentes devem ser espaçadas por uma abertura de largura que é aproximadamente de 0,1 l. Marcas de registo são necessárias para o alinhamento subsequente com a máscara da dobradiça. Na máscara dobradiça, ambas as dobradiças de dobragem (entre os painéis) e de bloqueio ou de selagem (dobradiças nas extremidades dos painéis)deve ser definido. Folding dobradiças devem ter comprimentos e larguras de 0,8 L de 0.2L ao selar dobradiças na periferia dos painéis devem ter comprimentos e larguras de 0,8 L de 0,1 l com uma saliência de 0.05L (Figura 1 ac). Cuidados especiais devem ser tomados para garantir que o painel e dobradiça sobreposição de máscaras, com registro. Com esta regra de design, fomos capazes de sintetizar as partículas com tamanhos que variam de 15 ^ m a 2,5 cm. O volume da dobradiça controla os ângulos de dobragem, e para uma dada largura da articulação, finito modelagem de elemento é necessário para determinar a espessura necessária da dobradiça. O leitor se refere a modelos publicados 29-32 para estimar esta espessura. No entanto, a característica atractiva da nossa abordagem é o uso de bloqueio ou selagem dobradiças que oferecem considerável tolerância de erro durante a auto-dobramento. Assim, quando as dobradiças de vedação são utilizados, o processo de montagem é tolerante aos desvios em volumes de dobradiça, permitindo que eles sejam apenas aproximadamente targeted. Devido a cooperatividade significativa durante a montagem, mesmo dodecaedros com ângulos de dobragem de 116,57 ° tenham sido produzidos em massa. Além disso, o octaedro truncado têm dois ângulos diedros diferentes de 125,27 ° e 109,47 °, mas pode ser montado utilizando os mesmos volumes da dobradiça. Um outro benefício das dobradiças de vedação é que as dobradiças adjacentes uns aos outros em conjunto com o fusível de aquecimento durante o processo de dobragem, criando partículas hermeticamente fechado, sem costura e rígida sobre arrefecimento. Estudos empíricos sugerem as seguintes regras de projeto ideal para as máscaras de microgrippers que se dobram devido a tensões residuais dobradiças movidos. Para um comprimento de microgripper ponta-a-ponta (D) de 600-900 ^ M, o intervalo da dobradiça (g) é tipicamente de cerca de 50 ^ m (Figura 1 df), enquanto que para microgrippers menores com um D de 300 mm, uma menor g de cerca de 25 um deve ser utilizado. As dimensões da dobradiça gap dependem da tensão de espessura, e conte elásticants dos filmes multicamada subjacentes e as soluções de análise pode ser utilizado para estimar grosseiramente a extensão da dobragem 25,33. A medição precisa de tensões e de modelagem de elementos finitos é necessário para simular com precisão a dobradura. Os estudos empíricos sugerem que cerca de 100 um é o limite inferior para as partículas com dobradiças crómio estressadas. Depois de desenhar o layout, as máscaras devem ser impressos em filmes de transparência usando impressoras de alta resolução ou em casa ou através de uma variedade de estabelecimentos comerciais (Figura 2a). Normalmente, os filmes de transparência deve ser usado apenas com recurso tamanhos mínimos de 6 um, enquanto máscaras cromadas são necessários para estruturas com espaços menores dobradiça ou recursos. O formato de arquivo típico necessário para encomendar máscaras comerciais é ". Dxf". 2. Preparação do Substrato Superfícies planas, tais como placas de vidro ou placas de silício devem ser usados. Para uma boa aderência, é important para limpar e secar os substratos. Geralmente, é suficiente para limpar os substratos com metanol, acetona e álcool isopropílico (IPA), secar com azoto (N 2) e, em seguida, aquecer-los sobre uma placa quente ou num forno a 150 ° C durante 5-10 min. 3. A deposição da camada sacrificial A fim de libertar os modelos do substrato depois de modelação, uma camada sacrificial é necessária. Uma variedade de películas compostas de ambos os metais (por exemplo, cobre), dieléctricos (por exemplo, alumina) ou polímeros (por exemplo, PMMA, PVA, CYTOP etc) podem ser utilizados. Ao escolher uma película sacrificial, considerações importantes são a facilidade de deposição e dissolução do material e da selectividade etch. 4. Padronização dos Painéis Os painéis das partículas pode ser depositada por uma variedade de meios. Para partículas poliméricas, os filmes sejam depositados por revestimento por rotação ou moldagem gota. Parapartículas metálicas, electrodeposição ou evaporação térmica pode ser utilizado. Para a fabricação de partículas metálicas, é necessário adicionar uma camada condutora sobre o substrato revestido com camada sacrificial para facilitar a electrodeposição de painéis e dobradiças. Os painéis podem ser modelados utilizando qualquer processo de litografia tal como litografia fotolitografia, nanoimpressão moldagem, ou litografia por feixe de electrões. Um processo de fotolitografia típico envolve o revestimento de uma camada foto-resistente sobre o substrato, depois do cozimento, expondo e desenvolvimento como recomendação do fabricante e por. Fotorresistentes como SPR, AZ ou série SC podem ser utilizadas, alternativamente, os painéis podem ser definidos usando os polímeros foto-reticulável, como SU8, PEGDA, ou PDMS foto-reticulável. Dependendo da escolha da espessura da fotorresistência e, portanto, a velocidade de centrifugação, tempo de exposição e o tempo de desenvolvimento irá necessitar de ser ajustada em conformidade. Depois de fotolitografia, dependendo do tamanho de parti metálicogos, painéis de espessura pode ser formada por electrodeposição, enquanto que os painéis finos pode ser definida por meio de evaporação ou pulverização. Para a electrodeposição de painéis, a lei de Faraday de electrodeposição e a eficiência do banho deve ser usada para calcular a corrente de galvanização com base na área de superfície total exposta de painéis. Típicos para densidades de corrente de níquel (Ni) e solda de revestimento (Pb-Sn) são entre 1-10 mA / cm 2 e 20-50 mA / cm 2, respectivamente. 5. Padronização das Dobradiças Semelhante à padronização dos painéis, a fim de dobradiças de padrão, um segundo ciclo de fotolitografia precisa ser feito usando a máscara da dobradiça (Figura 2b-c). As marcas de registo no painel e máscaras dobradiças necessitam de ser sobreposto para garantir o alinhamento correcto. Para a montagem de superfície de tensão dirigido, os materiais para os painéis e dobradiças devem ser escolhidos de modo a que o material de charneira tem uma baixaer ponto de fusão do que os painéis e, consequentemente, os painéis permanecem rígidas, enquanto as dobradiças são derretidas. Montagem ocorre quando os moldes são aquecidos acima do ponto de fusão do material da dobradiça. Por exemplo, no caso de painéis de partículas metálicas com Ni, nós electrodepositar solda Pb-Sn sobre as dobradiças que funde a 200 ° C ~ e pede a dobragem. Da mesma forma, no caso de partículas poliméricas com SU8 painéis, nós dobradiças depósito policaprolactona que montam a ~ 58 ° C. 27 O processo funciona melhor quando o material de charneira é fixada no interior da região de charneira durante o refluxo, isto é, não se espalhar por todo o painéis e não completamente Dewet do painel. Esse aprisionamento pode ser alcançado através da selecção de materiais com características de molhagem apropriados e viscosidade. No caso da tensão de película fina de auto-impulsionado dobragem, as dobradiças devem ser modelada antes da padronização do painel. Tipicamente, a dobradiça tem de ser composta por uma bicamada diferencialmente salientou,composto de um metal forçado, tais como crómio (Cr) ou zircónio (Zr) e um metal relativamente átono tais como ouro (Au) ou cobre (Cu). Por exemplo, para microgrippers com uma abertura de articulação de 50 um, se utilizar um composto de dupla camada de 50 nm e 100 nm Cr Au. Para além diferencialmente estressadas bicamadas metálicos, polímeros diferencialmente salientou 34-37, 38 ou SiOx camadas epitaxiais semicondutoras 5 camadas podem também ser utilizados. Para o stress película fina de auto-impulsionado dobrável, uma camada termo-sensível gatilho polimérico deve ser utilizada para restringir os dispositivos de modo que as estruturas não dobram espontaneamente após a libertação a partir do substrato. A escolha apropriada do material e da espessura do gatilho pode dotar os dispositivos com estímulos diferentes propriedades responsivas. Por exemplo, a modelação 1,5 um de espessura fotorresistente (S1800 series) na região de charneira é suficiente para manter os dispositivos plana até que eles são aquecidos a ~ 37 ° C para provocar a dobragem. <p class= "Jove_title"> 6. Liberando os modelos a partir do substrato e Dobra Para libertar os modelos padronizados 2D, a camada sacrificial precisa de ser dissolvido por condicionadores apropriados (Figura 2d). Para a tensão de superfície de montagem conduzida, os precursores planares libertados devem ser aquecidas acima do ponto de fusão do material da dobradiça. No aquecimento, as dobradiças se liquefeito e os precursores de montagem em forma de partículas ocas de forma adequada (Figura 2e-i). Para dobrar de película fina estresse impulsionada, a dobragem pode ser desencadeada após as estruturas são libertadas a partir do substrato e da exposição ao estímulo para a direita, por exemplo, por aquecimento, de modo que o gatilho amacia e não restringe o relaxamento das dobradiças bicamada estressadas. Uma vez que os dispositivos de agarramento são ferromagnéticos podem ser guiadas e posicionadas perto carga apropriada e disparado para dobrar em torno dele (Figura 2j-n). É de salientar que o tecido exciSion pode ser conseguido usando dobragem accionado tal 25. Exemplo 1. Protocolo para a fabricação de tensão superficial accionado auto-montadas, permanentemente ligado, 300 um de tamanho oco dodecaedros (representação esquemática na Figura 3): Preparar as máscaras, como explicado no Passo 1. Para a fabricação do dodecaedros com 300 uM comprimento da aresta do painel, desenhe uma máscara de painel de tal modo que os painéis pentagonais do dodecaedro são espaçadas por 30 um. Desenhar uma máscara dobradiça dobradiças onde dobrando e selando tem dimensões de 240 x 60 mM mM e 240 mM x 30 mm, respectivamente. Preparar um substrato de pastilha de silício, tal como explicado no passo 2. Casaco de spin ~ 5,5 mM espessa camada de PMMA 950 A11 a 1.000 rpm, sobre os wafers de silício. Espere por 3 min e depois cozer a 180 ° C durante 60 segundos. Usando um evaporador térmico, o depósito de 30 nm de crómio (Cr) como um promotor de adesão e 150 nm de cobre (Cu) como tele camada condutora. Casaco de spin ~ 10 mm de espessura SPR220 em 1.700 rpm para as bolachas. Espere por 3 min. Executar uma softbake de aceleração através da colocação da bolacha numa placa de aquecimento a 60 ° C durante 30 seg. Em seguida, transferir a bolacha em outra placa de aquecimento a 115 ° C durante 90 segundos e, em seguida, de volta a 60 ° C durante 30 seg. Arrefecer as bolachas à temperatura ambiente e esperar por 3 hr. Expor as bolachas para a máscara do painel usando ~ 460 mJ / cm 2 de luz UV (365 nm) e uma base de mercúrio alinhador de máscara. Desenvolver em MF-26A programador durante 2 min e alterar a solução de revelação e desenvolver para um outro 2 min. Calcular a área do painel total e usá-lo para calcular a corrente necessária para electrodepositar Ni partir de uma solução comercial de níquel de sulfamato a uma taxa de cerca de 1-10 mA / cm 2 até uma espessura de 8 um. Dissolve-se o fotorresiste com acetona. Lavar a bolacha com o IPA, e seque com gás N 2. Casaco de spin ~ 10 mm de espessura SPR220 a 1.700 rpm para as bolachas. Espere por 3 min. Executar uma softbake de aceleração através da colocação da bolacha numa placa de aquecimento a 60 ° C durante 30 seg. Em seguida, transferir o wafer para outra placa de aquecimento a 115 ° C durante 90 segundos e, em seguida, de volta a 60 ° C durante 30 seg. Arrefecer as bolachas à temperatura ambiente e esperar por 3 hr. Expor as bolachas para a máscara de dobradiça usando ~ 460 mJ / cm 2 de luz UV (365 nm) e uma base de mercúrio alinhador de máscara. Certifique-se de que as marcas de registo estão alinhadas de modo a que as dobradiças estão alinhadas com os painéis. Desenvolver em MF-26A programador durante 2 min e alterar a solução de revelação e desenvolver para um outro 2 min. Utilizando um cortador de diamante, cortar a bolacha em pedaços pequenos, de modo que uma peça de bolacha contém ~ 50-60 redes. Brasão das bordas das peças com unha polonês. Calcula-se a área total exposta de dobradiça e usá-lo para calcular a corrente necessária para electrodepositar Pb-Sn solda de uma solução comercial de revestimento de solda a uma velocidade de aproximately 20-50 mA / cm 2 até uma espessura de 15 um. Dissolve-se o foto-resistente, em acetona. Lave os pedaços de bolacha com o IPA, e seque com gás N 2. Mergulha-se o pedaço de bolacha em etchant APS 100 por 25-40 segundos para dissolver a camada circundante de Cu. Enxágüe com água e seque com DI N gás 2. Mergulha-se o pedaço de bolacha em etchant CRE-473 para 30-50 segundos para dissolver a camada circundante Cr. Enxágüe com água e seque com DI N gás 2. Mergulha-se o pedaço de bolacha em ~ 2-3 ml de 1-metil-2-Pyrollidinone (NMP) e aquecer a 100 ° C durante 3-5 min até que os moldes são libertadas a partir do substrato. Transferência ~ 20-30 modelos em uma placa de Petri pequena e distribuí-los de maneira uniforme. Adicionar ~ ml 3-5 de NMP e ~ 5-7 gotas de Indalloy fluxo 5RMA líquido. Aquece-se a 100 ° C durante 5 min. Nesta etapa, o fluxo líquido Indalloy 5RMA limpa e dissolve-se qualquer camada de óxido formada sobre a solda e desta forma garante refl boa soldaow no aquecimento acima do ponto de fusão. Aumentar a temperatura da placa de aquecimento a 150 ° C durante 5 min e, em seguida, lentamente aumentar para 200 ° C até a dobragem ocorre. Quando a temperatura é aumentada a 200 ° C de dobragem começa após 5-8 min. A mistura pode transformar acastanhada que começa a queimar. Quando o dodecaedros ter dobrado, deixe o prato esfriar. Adicionar acetona para o prato, pipetar o líquido e lavar o dodecaedros em acetona e em seguida etanol. Armazenar as partículas dodecaédricos em etanol. Exemplo 2. Protocolo para a fabricação de reconfigurável, stress fina película auto-impulsionado dobráveis ​​termo-sensíveis (microgrippers representação esquemática na Figura 4): Prepare as máscaras como explicado no Passo 1. Desenhar as máscaras de modo que o comprimento da ponta-a-ponta das pinças é 980 um, com o comprimento central do painel lateral de 111 ^ m e a distância da dobradiça de 50 um. Máscaras típicas da dobradiça e o painel pode ser concebido similar com a Figura 1 de. Prepare wafers de silício, como explicado no Passo 2. Depósito de 15 nm de adesão Cr e Cu 50-100 nm camadas sacrificiais, utilizando um evaporador térmico. Spin-coat ~ 3 mm de espessura usando S1827 revestidor de centrifugação, a 3000 rpm. Esperar durante 3 minutos e, em seguida, cozer a bolacha a 115 ° C durante 1 minuto numa placa de aquecimento. Expor a ~ 180 / cm 2 mJ de luz UV (365 nm) utilizando um alinhador de máscara e a máscara de dobradiça. Desenvolver por 40-60 seg em 5:1 desenvolvedor 351 diluída. Enxágüe com água e seque com DI N gás 2. Depósito 50 nm Cr e 100 nm Au utilizando um evaporador térmico. As funções de Cr-Au como a bicamada dobradiça com tensão residual na película de Cr, enquanto o filme de Au é uma camada de suporte bioinert. Retirar a fotorresiste em acetona. Usar um sonicador durante 3-5 min para completamente lift-off do excesso de metal. Lava-se a pastilha com acetona e IPA, seca com gás N 2. Casaco de rotação ~ 10 mM SPR220 grossa na1700 rpm para as bolachas. Espere por 3 min. Executar uma softbake de aceleração através da colocação da bolacha numa placa de aquecimento a 60 ° C durante 30 seg. Em seguida, transferir o wafer para outra placa de aquecimento a 115 ° C durante 90 segundos e, em seguida, de volta a 60 ° C durante 30 seg. Espere por 3 hr. Expor o material fotoresistivo a ~ 460 / cm 2 mJ de luz UV (365 nm) utilizando um alinhador de máscara através da máscara do painel. Desenvolver em MF-26A programador durante 2 min e alterar a solução de revelação e desenvolver para um outro 2 min. Calcular a área do painel total e usá-lo para calcular a corrente necessária para electrodepositar Ni partir de uma solução comercial de níquel de sulfamato a uma taxa de cerca de 1-10 mA / cm 2 até uma espessura de 5 um. Enxágüe com água DI completamente. Electrodepositar evaporar ou 100 nm Au. Isto ajuda a proteger a camada de Ni dos condicionadores utilizados para remover a camada sacrificial. Descasque o fotorresiste com acetona. Lavar a bolacha com o IPA, e seque com gás N 2. </li> Misture S1813 e S1805 photoresits a 1:5 razão em volume. Girar casaco a mistura a 1.800 rpm. Esperar durante 3 min, em seguida, cozer numa placa de aquecimento a 115 ° C durante 1 min. Esta camada foto-resistente atua como a camada de gatilho. Expor a ~ 120 / cm 2 mJ de luz UV (365 nm) sobre um alinhador de máscara da máscara com dobradiça. Desenvolver para 30-50 seg em 5:1 desenvolvedor 351 diluída. Enxágüe com água e seque com DI N gás 2. Cortar um pedaço da bolacha usando um cortador de diamante. Mergulhe o pedaço de bolacha na APS 100 a etch a camada subjacente Cu sacrificial. Espere até que o microgrippers são completamente libertado do substrato. Lavar as microgrippers com água DI e armazenar em água fria. Provocar a dobragem pela colocação das microgrippers em água a 37 ° C. 7. Resultados representativos Os resultados representativos na Figura 5 Show de auto-montagem partículas poliédricas em uma variedade de shmacacos, bem como microgrippers dobráveis. O processo de fabricação e de actuação é altamente paralelos e estruturas 3D podem ser fabricados e disparados simultaneamente. Além disso, os padrões precisos como exemplificado por poros quadrados ou triangulares podem ser definidos em todas as três dimensões, e em faces seleccionados, se necessário. Os microgrippers pode ser fechado sob condições benignas biologicamente, de modo que eles podem ser usados ​​para o tecido de consumo ou carregado com a carga biológica. Além disso, uma vez que os microgrippers pode ser feita com um material ferromagnético, eles podem ser movidos de longe o uso de campos magnéticos. Figura 1. As regras de construção para a síntese de partículas estampados (ac) regras Máscara de design para a montagem de partículas poliédricas estampados,. (A) Esquema da máscara de painel para um poliedro de comprimento L lado, (b) esquemática da máscara com dobradiça dobrável(0,2 L x 0,8 L) e de bloqueio ou de selagem (0,1 L x 0,8 L) dobradiças, e (c) esquemática do precursor sobreposto 2D ou líquido. (Df) Máscara regras de design para o auto-microgripper dobragem, (d) esquemáticos da máscara de dobradiça para uma microgripper ponta a ponta com comprimento D, (e) esquemáticos da máscara de painel com dobradiça g lacuna, e (f) de esquemáticos o precursor sobreposta 2D. Clique aqui para ver maior figura . Figura 2. Imagens experimentais e animações conceituais de passos importantes na fabricação e processo de montagem. (A) Captura de tela de uma máscara de painel de AutoCAD para dodecaédricos precursores. (Bc) imagens ópticas de precursores para 2D, (b) dodecaedros, e (c) microgrippers sobre um substrato de silício. (D) Lançado redes dodecaédricos. Barras de escala: 200 | iM. (Pt) Conceitual umnimation de, (ei), a tensão superficial conduzido montagem de um dodecaedro, e (jn) stress película fina impulsionado dobragem de uma microgripper em torno de um cordão (de animação por David Filipiak). Figura 3. Ilustração esquemática das etapas de fabricação importantes para o conjunto de tensão da superfície dirigida de uma partícula cúbico. Figura 4. Ilustração esquemática das etapas de fabricação importantes para a tensão residual conduzido dobragem de um dispositivo de seis dígitos de preensão. Figura 5. Imagens de partículas origami inspirados auto-montados estampados e reconfigurável. </strong> (a) imagem óptica de auto-montagem de partículas em uma variedade de formas. (Be) SEM imagens de um (b) auto-montados cubo poroso, (c) de pirâmide, (d) octaedro truncado e (e) dodecaedro. Barras de escala: 100 | iM. (FH) snapshots óptica de auto-rebatíveis microgrippers, e (i) SEM imagem de um microgripper dobrado (Imagem por Timothy Leong). Barras de escala: 200 | iM.