200 Ventil 23 /2017/ 3 MIKROMEHATRONIKA Gradnja mikrostruktur z nanoprecizno robotsko celico Suzana URAN ■ 1 Uvod Razvoj področja nano- in mikroizde- lave zahteva bazične raziskave na šti- rih raziskovalnih področjih: - raziskave postopkov samosesta- vljanja [1, 2], - sestavljanje z nanomanipulacijo [3, 4], ki prenaša in sestavlja nano-/ mikroobjekte, izdelane s postop- ki samosestavljanja v kompleksne strukture, - množično vzporedno sestavljanje in - razvoj računalniških orodij za na- nomehansko načrtovanje. Ta prispevek se dotika raziskovalnega področja »sestavljanje z nanomani- pulacijo« in podrobneje obravnava praktično izgradnjo zanesljivega na- nopreciznega 3D-robotskega meha- nizma in njegovega podsistema pri- jemal za objekte v dimenzijskem ob- močju 1–100 µm, s katerimi bi lahko opravljali gradnjo 3D-mikrostruktur za mikrostroje, MEMS-e (mikroelek- tromehanske sisteme), mikrozobni- ke, mikroreduktorje itd. Predstavljena dva različna postopka prijemanja pre- mikanja in odlaganja objektov (eno- prsto prijemalo, osnovano na van der Waalsovi sili, in enoprsto prijemalo, osnovano na kapilarni sili) sta alterna- tivi drugim postopkom, npr. optičnim pincetam [5], ki so namenjene premi- kanju nanoobjektov z dielektričnimi snovnimi lastnostmi v tekočinskem mediju. Razvita in aplikativno prika- zana postopka prenašanja objektov s pomočjo enoprstih prijemal, osnova- nih na van der Waalsovi ali kapilarni sili, sta primerna za objekte velikosti 1–100 µm v zraku pri pritisku 1 bar ali vakuumu vse do tlaka 0,1 mbar. Prenašanje (prijemanje, premikanje, odlaganje) objektov, večjih od 100 µm, ni strokovno zahtevno. Dejan- sko lahko v teh primerih posnemamo mehanska dvoprsta ali troprsta prije- mala iz makrosveta, seveda v skrajno pomanjšani obliki, za motorje pa se uporabljajo piezoelektrični pogoni namesto električnih motorjev. V teh primerih so mikroobjekti še dovolj težki, da se zaradi gravitacijske sile pri odlaganju odtrgajo od prijemala in jih lahko namestimo na odlagal- no površino. V splošnem prijemanje in premikanje mikroobjektov ni pro- blematično. Povsem drugačna pa je zgodba, ko imamo opravka z odlaga- njem objektov, manjših od 100 µm. V tem primeru zaradi kapilarne sile, ki je posledica kondenzacije vlage iz zraka, van der Waalsove sile, vedno prisotne šibke medmolekularne privlačne sile ali parazitne elektrostatične sile, od- laganje mikroobjektov na odlagalno površino ni mogoče. Velikost privlač- ne kapilarne ali van der Waalsove sile med objektom in prijemalom prese- že gravitacijsko silo objekta, kadar so objekti manjši od ok. 100 µm, ali po iznosu preseže gravitacijsko silo za nekaj 100-krat, kadar imamo opravka z objekti velikosti okoli 1–10 µm. Našteti problemi pri odlaganju so v zadnjem desetletju vodili do razvoja množice postopkov odlaganja objek- tov (nanospajkanje, nanovarjenje, dielektroforeza, lepljenje objekta na površino, sintranje …) [4, 5, 6, 7]. Vse te metode delujejo za posamezne materiale ali oblike objektov in še ve- dno potrebujejo gravitacijsko silo za odlaganje objektov. Posebne rešitve predstavljajo enoprsta ledna prijema- la, ki delujejo na principu mehanske sklopljenosti med ledom, ki primrzne in zaobjame mikroobjekt v vodnem mediju [8] ali v zraku [9]. Njihov glav- ni problem je nezanesljivo in nena- tančno odlaganje, kar velja tudi za postopke odlaganja z inercijsko silo (vibracijo konice enoprstega prijema- la) ali pnevmatsko silo [10, 11, 12]. V članku predstavljena postopka eno- prstih prijemal sta izjemno primerna za objekte dimenzij 1–100 µm in sta neobčutljiva na obliko in material objekta. Vse aplikacije gradnje 2D- in 3D-objektov, predstavljene v tem članku, so bile opravljene s tema dve- Izvleček: Prikazana sta razvoj in zgradba nanoprecizne robotske celice z natančnostjo vodenja vrha robota +/–3,9 nm v odprti položajni zanki oziroma +/–61 nm v zaprti položajni zanki. Uporabljeni piezoelektrični motorji zagotavljajo prostornino delovnega območja robotske celice ok. 1,5 cm3. Prikazana sta dva postopka prijemanja, premikanja in odlaganja mikroobjektov (steklene ali polistirenske kroglice premera 1–100 µm): enoprsto prijemalo, osnovano na van der Waalsovi sili, in enoprsto prijemalo, osnovano na kapilarni sili. Prikazani so primeri gradnje enostavnejših mikrostruktur (pokončni trikotnik, 3D-piramida) in bolj zapletena mikrostruktura zobnika premera 150 µm. Ključne besede: nanoprecizni robot, gradnja mikrostruktur, prijemala za mikroobjekte Doc. dr. Suzana Uran, Uni- verza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalni- štvo in informatiko