如果你撬开你的智能手机,你会看到一组电子芯片和元件排列在一块电路板上,就像一个微型城市。每一种成分可能包含更小的“晶片”,有些还没有人的头发宽。这些元件通常由机器人夹持器组装而成,设计的目的是拿起元件并以精确的配置放置。

然而,由于电路板上的元件越来越小,机器人抓取物体的能力已经接近极限。 

“电子制造需要处理和组装类似于或小于面粉颗粒大小的小部件,”麻省理工学院前博士后和研究科学家Sanha Kim说,他曾在机械工程副教授John Hart的实验室工作。“因此,我们需要一种特殊的‘取放式’解决方案,而不是简单地将(现有的)机器人抓取器和真空系统小型化。”

现在,金、哈特和其他人已经开发出一种微型“电黏合剂”邮票,这种邮票可以拾取和贴放20纳米宽的物体——大约是人类头发的1000倍。这枚邮票是由稀疏的碳纳米管构成的,这些碳纳米管表面涂有陶瓷,排列得就像小刷子上的刷毛。

当给碳纳米管施加一个小电压时,碳纳米管会暂时带电,形成电吸引的刺状结构,可以吸引微小的粒子。通过关闭电压,印章的“粘性”消失,使其能够释放到一个理想的位置。

哈特说,这种冲压技术可以扩展到制造环境,以打印出微观和纳米尺度的特征,例如将更多的元素封装到更小的计算机芯片上。这项技术也可用于其他小而复杂的特征,如人造组织的细胞。此外,该团队还设想了一种大规模的、受生物启发的电粘接剂表面,比如用于抓取日常物品的电压激活垫,以及用于像壁虎一样爬行的机器人。

哈特说:“简单地通过控制电压,你就可以把表面从基本上没有附着力的状态转换成在单位面积上如此强烈地拉动物体的状态,就像壁虎的脚一样。”

研究小组今天在《科学进展》杂志上发表了他们的研究结果。

像透明胶带一样

现有的机械抓取器无法抓取小于50到100微米的物体,这主要是因为在更小的尺度下,表面力往往会战胜重力。当你从勺子里倒面粉时,你可能会看到这一点——不可避免地,一些微小的颗粒会粘在勺子的表面,而不是被重力拖走。

哈特说:“当试图精确地放置更小的物体时,表面力对重力的支配就变成了一个问题,而这是电子元件组装成集成系统的基础过程。”

他和他的同事们注意到,电粘合,即通过施加电压来粘合材料的过程,已经在一些工业环境中被用于挑选和放置大型物体,如织物、纺织品和整片硅片。但是,这种电附着从未应用于微观层面的物体,因为需要一种新的材料设计来控制在更小的尺度上的电附着。

哈特的团队此前曾研究过碳纳米管(CNTs)——碳原子以晶格形式连接并卷成微观管。碳纳米管以其优异的机械、电气和化学性能而闻名,并作为干胶被广泛研究。

哈特说:“以前基于碳纳米管的干式粘合剂的工作重点是最大限度地扩大纳米管的接触面积,从而从本质上创造出一种干燥的透明胶带。”“我们采取了相反的方法,我们说,‘让我们设计一个纳米管表面来最小化接触面积,但在需要时使用静电来打开粘附。’”

新的电黏贴邮票挑选和放置一个170微米大小的LED晶片,使用一个30伏的外部电压暂时“粘”在LED上。研究人员提供

一个黏黏的开关

研究小组发现,如果他们在碳纳米管上涂上一层薄的电介质材料(如氧化铝),当他们对碳纳米管施加电压时,陶瓷层就会极化,这意味着它的正电荷和负电荷会暂时分离。例如,碳纳米管尖端的正电荷会在附近的任何导电材料(如微观电子元件)中引起相反的极化。

结果,这种基于纳米管的印章附着在元件上,就像微小的静电手指一样将其拾起。当研究人员关闭电压时,纳米管和元件去极化,“粘性”消失,允许印章分离并把物体放到给定的表面上。

研究小组探索了邮票设计的各种配方,改变了邮票上生长的碳纳米管的密度,以及他们用来覆盖每个纳米管的陶瓷层的厚度。他们发现,陶瓷层越薄,碳纳米管的间距越小,图章的开/关比就越大,这意味着图章的粘性在通电时比断电时更强。

在他们的实验中,研究小组用这种邮票来收集和放置纳米线的薄膜,每一根纳米线大约比人类头发细1000倍。他们还利用这项技术来挑选和放置复杂的聚合物和金属微粒的图案,以及微发光二极管。

哈特说,这种电子粘合剂印刷技术可以扩展到制造电路板和微型电子芯片系统,以及具有微型LED像素的显示器。

“随着半导体设备能力的不断提高,一个重要的需求和机会是集成更小和更多样化的组件,如微处理器、传感器和光学设备,”Hart说。“通常情况下,这些系统必须单独制造,但必须集成在一起,以创建下一代电子系统。我们的技术可能填补了这些系统可扩展、低成本组装所需的空白。”

这项研究得到了丰田研究中心、美国国家科学基金会和麻省理工学院下一代项目的部分支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/electroadhesive-stamp-microscopic-manufacturing-1011