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Chemistry

Origami Inspired Selbstorganisation von Patterned und Reconfigurable Particles

Published: February 4, 2013 doi: 10.3791/50022
Automatic Translation
1, 1, 1,2
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Johns Hopkins University, 2Department of Chemistry, The Johns Hopkins University

Summary

Wir beschreiben experimentellen Details der Synthese von gemusterten und rekonfigurierbare Teilchen von zweidimensionalen (2D) Vorstufen. Diese Methodik kann verwendet werden, um Partikel in einer Vielzahl von Formen, einschließlich Polyeder und Greifvorrichtungen auf Längenskalen Bereich von Mikro-bis Zentimeterbereich erzeugen.

Abstract

Es gibt zahlreiche Techniken wie Photolithographie, Elektronenstrahl-Lithographie und Soft-Lithographie, die zur präzisen Muster zweidimensionale (2D-) Strukturen werden kann. Diese Technologien sind ausgereift, bieten eine hohe Präzision und viele von ihnen können in einem High-Throughput umgesetzt werden. Wir nutzen die Vorteile der planaren Lithographie und kombinieren sie mit Selbst-Faltmethoden 1-20, wobei physikalische Kräfte aus Oberflächenspannung oder Eigenspannungen abgeleitet, Kurve oder falten planare Strukturen in dreidimensionale (3D) Strukturen verwendet werden. Dabei machen wir es möglich, Masse zu produzieren präzise statische und rekonfigurierbare Partikel, die schwierig zu synthetisieren sind gemustert.

In diesem Papier, visualisiert wir ausführlich experimentelle Protokolle zu strukturierenden Teilchen zu erzeugen, insbesondere (a) dauerhaft verbunden, hohl, Polyeder, Selbstorganisation und Selbst-Siegel durch die Minimierung der Oberflächenenergie von verflüssigtem Scharniere 21-23und (b) Greifer dass Selbst-fach durch Restspannung angetriebene Gelenke 24,25. Die spezifische Protokoll beschrieben kann verwendet werden, um Partikel mit Größen im Bereich von insgesamt Mikrometerbereich zu den Skalen Zentimeter Länge erzeugen. Ferner können beliebige Muster auf den Oberflächen der Teilchen von Bedeutung Kolloidforschung, Elektronik, Optik und Medizin definiert werden. Ganz allgemein ist das Konzept der sich selbst organisierenden mechanisch steife Partikel mit selbstdichtenden Scharnieren zutreffend, mit einigen Verfahren Modifikationen, die Schaffung von Partikeln bei noch kleineren, 100 nm Längenskalen 22, 26 und mit einer Reihe von Materialien, einschließlich Metallen 21 , Halbleiter 9 und 27 Polymeren. Bezüglich Restspannung angetriebenen Betätigung rekonfigurierbaren Greifvorrichtungen nutzt unser spezifisches Protokoll Chrom Scharniere relevanten Geräten mit Größen im Bereich von 100 um bis 2,5 mm. Jedoch ganz allgemein das Konzept eines solchen Haltegurt-freie Restspannungbetriebenen Betätigung kann mit alternativen hoher Belastung Materialien wie heteroepitaktisch hinterlegt Halbleiterschichten 5,7 verwendet werden, um möglicherweise zu noch kleineren nanoskaligen Greifvorrichtungen.

Protocol

Wir beschreiben zunächst eine allgemeine Protokoll, mit dem gemusterten, versiegelte Partikel und rekonfigurierbare Greifvorrichtungen fertigen kann. Zusammen mit dem allgemeinen Protokoll, bieten wir eine bestimmte, visualisiert beispielsweise sowohl für die Herstellung von versiegelten Dodekaeder Partikel und rekonfigurierbare Mikrogreifer.

Ein. Mask Vorbereitung und Design Rules

  1. Typischerweise werden mindestens zwei Maskensätze benötigt, eines für Bereiche aufweist, die nicht oder Kurve (starren Platten) und die andere für Regionen, die Kurve, Kurve oder Dichtung (Scharniere). Zusätzliche Masken verwendet werden, um Oberflächenstrukturen der Poren, molekularen Patches, optischen oder elektronischen Elementen zu definieren. Masken können unter Verwendung einer Vielzahl von zweidimensionalen Vektorgrafiken Software-Programmen wie AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX oder Layout-Editors werden.
  2. Empirische Studien deuten darauf folgende optimale Gestaltung Regeln zur Erzeugung von Masken, die für die Oberflächenspannung angetrieben Falten eines pol verwendet werden kannyhedron der Kantenlänge L.
    1. Für eine bestimmte polyedrische Geometrie, die Anzahl der Platten muss zuerst ermittelt werden. Zum Beispiel hat ein Würfel sechs quadratischen Platten während ein Dodekaeder hat zwölf fünfeckige Platten.
    2. Die hohen Ausbeuten zweidimensionalen Anordnung von Platten, die auch als ein Netz muss herausgefunden werden. Nets, die den niedrigsten Trägheitsradius und größte Anzahl von sekundären Vertex-Verbindungen haben in der Regel mit den höchsten Erträgen zu montieren. Die optimalen Netze für eine Vielzahl von Polyedern wie Würfel, Oktaeder, Dodekaeder, abgeschnittene Oktaeder, Ikosaeder, 23, 28 veröffentlicht.
    3. In der Platte Maske, sollten die Module der Polyeder als Netze gezogen werden und die benachbarten Platten sollen durch einen Spalt mit einer Breite, die etwa 0,1 L ist, beabstandet werden. Registry Marken werden für die spätere Ausrichtung mit dem Scharnier-Maske benötigt.
    4. Im Scharnier Maske, beide Faltscharniere (zwischen den Tafeln) und Verriegeln oder Abdichten Scharniere (an den Rändern der Platten)muss definiert werden. Faltscharniere sollte Längen und Breiten der 0.8L 0.2L unter Abdichtung Scharnieren an der Peripherie der Platten sollte Längen und Breiten der 0.8L 0.1L mit einem Überhang von 0,05 l (Abbildung 1 ac) haben. Besondere Sorgfalt muss darauf geachtet werden, dass das Panel und das Scharnier Masken Overlay, mit Registry. Mit diesem Designregel waren wir in der Lage, Teilchen mit Größen im Bereich von 15 um bis 2,5 cm zu synthetisieren.
    5. Das Volumen des Scharniers steuert die Faltungswinkel, und für eine gegebene Gelenkbreite, Finite-Elemente-Modellierung ist erforderlich, um die erforderliche Dicke des Scharniers zu ermitteln. Der Leser wird auf publizierte Modelle 29-32 bezeichnet diese Dicke zu schätzen. Jedoch ist die attraktive Eigenschaft des Ansatzes der Einsatz von Scharnieren Verriegeln oder Abdichten was erhebliche Fehlertoleranzbereiches bereitzustellen beim Selbsttest Faltung. Daher wird, wenn Abdichtung Scharniere verwendet werden, ist der Montagevorgang tolerant gegenüber Abweichungen in Volumina Scharnier, so dass sie nur annähernd targeted. Aufgrund erheblicher Kooperativität bei der Montage haben sogar Dodekaeder mit ausklappbaren Winkeln von 116,57 ° wurde Massenware. Weitere, verkürzte Oktaedern haben zwei verschiedene Diederwinkel von 125,27 ° und 109,47 °, konnte aber zusammengebaut unter Verwendung der gleichen Volumina Scharnier werden. Ein weiterer Vorteil der Abdichtung ist, dass die Scharniere Scharniere aneinander angrenzend miteinander verschmelzen beim Erhitzen während Faltvorgang dichte, nahtlose und starre Partikel beim Erkalten schaffen.
  3. Empirische Studien deuten darauf folgende optimale Design-Regeln für die Masken der Mikrogreifer, die durch Eigenspannungen betriebene Scharniere klappen. Mikrogreifer nach einem der Spitze-zu-Spitze Länge (D) von 600-900 um, ist das Scharnier Spalt (g) typischerweise ungefähr 50 um (Abbildung 1 df), während für kleinere Mikrogreifer mit einem D von 300 um, eine kleinere g von rund 25 um sollten genutzt werden. Das Scharnier Spaltmaße sind abhängig von der Belastung, Dicke und elastische contents der zugrunde liegenden Folien und mehrschichtige analytische Lösungen können verwendet werden, um grob zu schätzen das Ausmaß der Falten 25,33 werden. Präzise Messung von Spannungen und Finite-Element-Modellierung ist erforderlich, um genau zu simulieren die Faltung. Empirische Studien legen nahe, dass etwa 100 um die untere Grenze für die Teilchen mit gespannten Scharnieren Chrom ist.
  4. Nach dem Entwurf des Layouts, sollten die Masken auf Transparenz Filme mit hochauflösenden Druckern entweder im Haus oder durch eine Vielzahl von Geschäften (Abbildung 2a) ausgedruckt werden. In der Regel sollte die Transparenz Filmen nur mit minimalen Strukturgrößen von 6 um verwendet werden, während Chrommasken für Strukturen mit kleineren Scharnier Lücken oder Funktionen benötigt werden. Das typische Format für die Bestellung von kommerziellen Masken erforderlich ist ". Dxf".

2. Untergrundvorbereitung

  1. Flächigen Substraten wie Glas oder Siliziumwafer Folien eingesetzt werden müssen.
  2. Für eine gute Haftung ist es important zu reinigen und zu trocknen die Substrate. Es ist im Allgemeinen ausreichend, um die Substrate mit Methanol, Aceton und Isopropylalkohol (IPA) zu reinigen, trocknen sie mit Stickstoff (N 2) und dann erwärmen sie auf einer Heizplatte oder in einem Ofen bei 150 ° C für 5-10 min.

3. Abscheiden der Opferschicht

Um die Vorlagen von dem Substrat nach dem Strukturieren freizugeben, wird eine Opferschicht erforderlich. Eine Vielzahl von Folien von entweder Metallen (z. B. Kupfer), Dielektrika (z. B. Aluminiumoxid) oder Polymeren (zB PMMA, PVA, CYTOP etc.) genutzt werden kann. Bei der Wahl eines Opferfilms, sind wichtige Erwägungen die einfache Ablagerung und die Auflösung des Materials und die Ätzselektivität.

4. Strukturieren der Panels

  1. Die Paneele der Teilchen kann durch eine Vielzahl von Mitteln aufgebracht werden. Für polymere Teilchen werden die Filme durch Schleuderbeschichten oder Tropfen Gießen aufgebracht. FürMetallteilchen, Elektroabscheidung oder thermische Verdampfung genutzt werden kann.
  2. Für die Herstellung von metallischen Teilchen, ist es notwendig, eine leitfähige Schicht auf die Opferschicht beschichtete Substrat in den Elektrotauchlack der Platten und Scharniere erleichtern.
  3. Die Paneele können mit einer beliebigen gemusterte lithographische Verfahren wie Photolithographie, Guß, Nanoimprintlithographie oder Elektronenstrahl-Lithographie werden. Ein typisches Verfahren beinhaltet Photolithographie Beschichtung einer Photoresistschicht auf dem Substrat und dann Backen, Belichten und Entwickeln nach der Empfehlung des Herstellers. Photoresiste wie SPR, AZ oder SC-Reihe verwendet werden, alternativ können die Platten definiert mit photovernetzbaren Polymeren wie SU8, PEGDA oder photovernetzbaren PDMS werden. Je nach Wahl des Photoresists, der Dicke und daher Schleuderdrehzahl, Belichtungszeit und Entwicklungszeit müssen entsprechend angepasst werden.
  4. Nach Fotolithographie, abhängig von der Größe von metallischen partizeuge können dicke Platten durch Elektroabscheidung gebildet sein, während Dünnplatten durch Aufdampfen oder Sputtern definiert werden können.
    1. Zur Elektroabscheidung von Zellen, sollten Faradayschen Gesetze der Elektroablagerung und der Wirkungsgrad des Bades verwendet, um die galvanischen Stroms auf der gesamten freiliegenden Oberfläche der Paneele zu berechnen ist. Typische Stromdichten für Nickel (Ni) und Lot (Pb-Sn) Plattieren sind zwischen 1-10 mA / cm 2 und 20-50 mA / cm 2.

5. Strukturieren der Scharniere

Ähnlich wie bei der Strukturierung der Platten, um Muster Scharniere, muss eine zweite Runde der Photolithographie zu tun mit dem Scharnier Maske (2b-c). Die Registry-Markierungen auf der Platte und Scharnier Masken müssen überlagert werden, um die richtige Ausrichtung zu gewährleisten.

  1. Für Oberflächenspannung angetriebene Aufbau, sollten die Materialien für die Platten und Scharniere so gewählt, daß das Scharnier Material eine niedrige aufweister Schmelzpunkt als den Paneelen und damit die Platten starr bleiben, während die Scharniere geschmolzen werden. Anordnung liegt vor, wenn die Vorlagen über dem Schmelzpunkt des Scharniers Material erhitzt werden. Zum Beispiel im Falle von metallischen Teilchen mit Ni-Panels, wir Elektrolytabscheidung Pb-Sn-Lot auf die Scharniere, die bei ~ 200 ° C schmilzt und fordert den Falzen. Ebenso im Fall von polymeren Teilchen mit SU8 Paneele, deponieren wir Polycaprolacton Scharniere, die bei ~ 58 ° C 27 zusammenzubauen Verfahren funktioniert am besten, wenn das Scharnier Material innerhalb der Hinge-Region wird während des Aufschmelzens gemerkt, dh es nicht ganz die ausgebreitet Paneelen und nicht vollständig von der Platte Dewet. Dieses Verstiften kann durch die Auswahl von Materialien mit geeigneten Benetzungseigenschaften und Viskosität erreicht werden.
  2. Im Fall von dünnen Filmspannung angetrieben selbst Faltung, sollte die Scharniere vor dem Paneel Strukturieren gemustert werden. Typischerweise muss das Scharnier eines differentiell betonte Doppelschicht bestehen,bestehend aus einem gespannten Metall wie Chrom (Cr) oder Zirkon (Zr) und relativ entspanntem Metall, wie Gold (Au) oder Kupfer (Cu). Zum Beispiel für Mikrogreifer mit einem Scharnier Lücke von 50 um, verwenden wir eine Doppelschicht von 50 nm und 100 nm Cr Au besteht. Neben differentiell betonte metallischen Doppelschichten, differentiell betonte Polymeren 34-37, können SiOx-Schichten 38 oder Epitaxiehalbleiterschicht 5 Schichten ebenfalls verwendet werden.
  3. Für dünne Filmspannung angetrieben Selbst-Faltung, sollte eine wärmeempfindliche polymere Trigger Schicht verwendet, die Geräte so dass die Strukturen nicht spontan falten nach Freisetzung aus dem Substrat entgegenwirken könnte. Die geeignete Wahl der Trigger Material und Dicke verleihen den Geräten mit unterschiedlichen Stimuli reagieren Eigenschaften. Beispielsweise Strukturieren 1,5 um dicke Photoresist (S1800-Serie) in der Hinge-Region ist genug, um die Vorrichtungen flache, bis sie auf ~ 37 ° C erhitzt werden, um das Falten auslöst.

  1. Um die gemusterten Vorlagen 2D freizugeben, muss der Opferschicht durch geeignete Ätzmittel (Abb. 2d) gelöst werden.
  2. Für Oberflächenspannung Anordnung angetrieben wird, müssen die freigesetzten planaren Vorstufen über dem Schmelzpunkt des Scharniers Material erwärmt werden. Beim Erhitzen gehen die Scharniere verflüssigt und die Vorläufer montieren in entsprechend geformte hohle Teilchen (Abbildung 2e-i).
  3. Für dünne Filmspannung angetrieben Faltung kann die Faltung ausgelöst, nachdem die Strukturen von dem Substrat und unter Einwirkung von rechts Stimulus, zB beim Erhitzen freigesetzt werden, so dass die Trigger-und erweicht nicht mehr schränkt die Entspannung der gestressten Doppelschicht Scharniere werden. Da die Greifvorrichtungen ferromagnetisch sind sie geführt und in der Nähe geeigneter Ladung positioniert werden ausgelöst und um ihn herum (Abbildung 2j-n) zu falten. Es ist bemerkenswert, dass das Gewebe Anresion erreicht Verwendung solcher ausgelöst Falten 25 werden.

Beispiel 1. Protokoll für die Herstellung der Oberflächenspannung angetrieben selbst zusammengebaut, dauerhaft gebunden, 300 um Größe hohlen Dodekaeder (schematische Darstellung in Abbildung 3):

  1. Planen der Masken wie in Schritt 1. Für die Herstellung des Dodekaeder mit 300 um Paneel Kantenlänge Ziehung einer Platte derart, dass die Maske fünfeckigen Platten des Dodekaedrons voneinander um 30 um verteilt sind. Zeichnen Sie ein Scharnier Maske, wo Falten und Versiegeln Scharnieren Abmessungen von 240 um x 60 um und 240 um aufweisen x 30 um jeweils.
  2. Vorbereiten eines Siliziumwafersubstrats wie in Schritt 2 beschrieben.
  3. Spin coat ~ 5,5 um dicke Schicht von 950 PMMA A11 bei 1.000 rpm, auf den Silizium-Wafern. Warten für 3 min und dann backen bei 180 ° C für 60 sek.
  4. Verwendung eines thermischen Verdampfer, Deposit 30 nm Chrom (Cr) als Haftvermittler und 150 nm Kupfer (Cu) als ter leitende Schicht.
  5. Spin coat ~ 10 um dicke SPR220 bei 1.700 Umdrehungen pro Minute auf den Wafern. Warten Sie 3 min.
  6. Durchführen eines Hoch-Softbake indem der Wafer auf einer Heizplatte bei 60 ° C für 30 sek. Übertragen dann den Wafer auf einen anderen Heizplatte bei 115 ° C für 90 Sekunden und dann wieder auf 60 ° C für 30 sek.
  7. Abkühlen der Wafer bei Raumtemperatur und 3 Stunden lang warten.
  8. Setzen Sie die Wafer auf das Panel Maske mit ~ 460 mJ / cm 2 UV-Licht (365 nm) und eine Quecksilber-basierte Mask Aligner.
  9. Entwickeln Sie in MF-26A Entwickler für 2 min und ändern Sie die Entwickler-Lösung entwickeln und für weitere 2 min.
  10. Berechne den Panelbereich und verwenden, um die erforderliche Strom von einer kommerziellen Ni Nickelsulfamat-Lösung mit einer Geschwindigkeit von etwa 1-10 mA / cm 2 bis zu einer Dicke von 8 um elektrolytisch zu berechnen.
  11. Lösen Sie die Fotolack mit Aceton. Spülen des Wafers mit IPA und trocknen mit N 2-Gas.
  12. Spin coat ~ 10 um dicke SPR220 bei 1.700 Umdrehungen pro Minute auf den Wafern. Warten Sie 3 min.
  13. Durchführen eines Hoch-Softbake indem der Wafer auf einer Heizplatte bei 60 ° C für 30 sek. Übertragen dann den Wafer auf einen anderen Heizplatte bei 115 ° C für 90 Sekunden und dann wieder auf 60 ° C für 30 sek.
  14. Abkühlen der Wafer bei Raumtemperatur und 3 Stunden lang warten.
  15. Setzen Sie die Wafer mit dem Scharnier-Maske mit ~ 460 mJ / cm 2 UV-Licht (365 nm) und eine Quecksilber-basierte Mask Aligner. Stellen Sie sicher, dass die Registry-Marken sind so ausgerichtet, dass die Scharniere mit den Platten ausgerichtet sind.
  16. Entwickeln Sie in MF-26A Entwickler für 2 min und ändern Sie die Entwickler-Lösung entwickeln und für weitere 2 min.
  17. Mit einem Diamantschleifer, schneiden Sie die Wafer in kleine Stücke, so dass ein Stück der Wafer enthält ~ 50-60 Netze. Coat die Ränder der Stücke mit Nagellack.
  18. Berechne den freiliegenden Scharnierbereich und verwenden, um die erforderliche Strom Elektrolytabscheidung Pb-Sn-Lot aus einer kommerziellen Lösung berechnen Lotplattierung mit einer Rate von entspreximately 20-50 mA / cm 2 bis zu einer Dicke von 15 um.
  19. Lösen Sie die Fotolack in Aceton. Spülen Sie die Wafer Stücke mit IPA und trocknen mit N 2-Gas.
  20. Tauchen Sie den Wafer Stück Ätzmittel APS 100 für 25-40 sec, um die Umgebung Cu-Schicht aufzulösen. Spülen mit DI-Wasser und trocknen mit N 2-Gas.
  21. Tauchen Sie den Wafer Stück Ätzmittel CRE-473 für 30-50 sec, um die Umgebung Cr-Schicht aufzulösen. Spülen mit DI-Wasser und trocknen mit N 2-Gas.
  22. Tauchen Sie den Wafer Stück in ~ 2-3 ml 1-Methyl-2-Pyrollidinone (NMP) und Wärme bei 100 ° C für 3-5 min, bis die Vorlagen aus dem Substrat freigesetzt werden.
  23. Transfer ~ 20-30 Vorlagen in einer kleinen Petrischale und verteilen sie gleichmäßig.
  24. Fügen Sie ~ 3-5 ml NMP und ~ 5-7 Tropfen Indalloy 5RMA Flussmittel.
  25. Wärme bei 100 ° C für 5 min. In diesem Schritt, reinigt der Indalloy 5RMA Flussmittelspiegels und löst eine Oxidschicht auf dem Lot gebildet und gewährleistet dadurch gute Lötmittel reflow beim Erhitzen über Schmelztemperatur.
  26. Erhöhen Sie die Kochplatte Temperatur auf 150 ° C für 5 min und dann langsam steigern auf 200 ° C bis Faltung auftritt. Wenn die Temperatur auf 200 ° C erhöht Faltung beginnt nach 5-8 min. Die Mischung kann sich bräunlich, wie es zu brennen beginnt.
  27. Wenn das Dodekaeder haben gefaltet, damit der Teller abkühlen lassen. Fügen Aceton in die Schale, Pipette die Flüssigkeit, und spülen Sie das Dodekaeder in Aceton und dann mit Ethanol.
  28. Bewahren Sie die Dodekaeder in Ethanol.

Beispiel 2. Protokoll für die Herstellung von rekonfigurierbaren, dünne Filmspannung angetrieben selbst Faltung Wärmeempfindlicher Mikrogreifer (schematische Darstellung in Figur 4):

  1. Bereiten Sie die Masken wie in Schritt 1. Entwerfen der Masken, so daß Spitze-zu-Spitze Länge der Greifer 980 um, mit der mittleren Platte Seitenlänge von 111 um und das Scharnier Lücke von 50 um. Typische Scharnier und Panel-Masken gestaltet werden kann similar in Abbildung 1 de.
  2. Bereiten Silizium-Wafern, wie in Schritt 2 erläutert.
  3. Kaution 15 nm Cr Haftung und 50-100 nm Cu Opferschichten mit einem thermischen Verdampfer.
  4. Spin-Coat ~ 3 um dicke S1827 mit Spin Coater, bei 3.000 Umdrehungen pro Minute. Warten für 3 min und dann backen den Wafer bei 115 ° C für 1 min auf einer Heizplatte.
  5. Freizulegen bei ~ 180 mJ / cm 2 UV-Licht (365 nm) unter Verwendung einer Maske und das Scharnier Aligners Maske.
  6. Entwickeln Sie für 40-60 sec in 5:1 verdünnte 351 Developer. Spülen mit DI-Wasser und trocknen mit N 2-Gas.
  7. Kaution 50 nm Cr und 100 nm Au mit einem thermischen Verdampfer. Die Cr-Au fungiert als Scharnier Doppelschicht mit Restspannung in dem Cr-Film, während das Au-Film ein bioinerten Trägerschicht.
  8. Abheben der Photoresist in Aceton. Verwenden Sie ein Ultraschallgerät für 3-5 min vollständig Lift-off das überschüssige Metall. Waschen des Wafers mit Aceton und IPA, trocken, mit N 2-Gas.
  9. Spin coat ~ 10 um dicke SPR220 am1700 Umdrehungen pro Minute auf den Wafer. Warten Sie 3 min.
  10. Durchführen eines Hoch-Softbake indem der Wafer auf einer Heizplatte bei 60 ° C für 30 sek. Übertragen dann den Wafer auf einen anderen Heizplatte bei 115 ° C für 90 Sekunden und dann wieder auf 60 ° C für 30 sek. Warten Sie 3 Std.
  11. Setzen Sie den Fotolack bei ~ 460 mJ / cm 2 UV-Licht (365 nm) mit einem Mask Aligner durch das Paneel Maske.
  12. Entwickeln Sie in MF-26A Entwickler für 2 min und ändern Sie die Entwickler-Lösung entwickeln und für weitere 2 min.
  13. Berechne den Panelbereich und verwenden, um die erforderliche Strom von einer kommerziellen Ni Nickelsulfamat-Lösung mit einer Geschwindigkeit von etwa 1-10 mA / cm 2 bis zu einer Dicke von 5 um elektrolytisch zu berechnen. Spülen mit DI-Wasser gründlich reinigen.
  14. Elektrolytisch oder verdunsten 100 nm Au. Diese Schicht hilft, Ni aus den Ätzmittel verwendet, um die Opferschicht zu entfernen schützen.
  15. Isolieren Sie den Fotolack mit Aceton. Spülen des Wafers mit IPA und trocknen mit N 2-Gas. Mischen S1813 und S1805 photoresits bei 1.05 Volumenverhältnis. Schleuderbeschichtungsverfahren die Mischung bei 1.800 Umdrehungen pro Minute. Warten für 3 min, dann auf einer Heizplatte backen bei 115 ° C für 1 min. Diese Photolackschicht wirkt als Trigger Schicht.
  16. Expose bei ~ 120 mJ / cm 2 UV-Licht (365 nm) auf einem Mask Aligner mit dem Scharnier Maske.
  17. Entwickeln Sie für 30-50 sec in 5:1 verdünnte 351 Entwickler. Spülen mit DI-Wasser und trocknen mit N 2-Gas.
  18. Schneiden Sie ein Stück des Wafers mit einem Diamantschleifer.
  19. Tauchen Sie den Wafer Stück in APS 100 zum Ätzen der darunter liegenden Cu Opferschicht. Warten, bis die Mikrogreifer vollständig vom Substrat freigegeben werden.
  20. Spülen Sie die Mikrogreifer mit DI-Wasser und lagern in kaltem Wasser.
  21. Auslösen der Faltung, indem man die Mikrogreifer in 37 ° C Wasser.

7. Repräsentative Ergebnisse

Repräsentative Ergebnisse in Figur 5 zeigen selbstorganisierten polyedrische Teilchen in einer Vielzahl von shAffen als auch Falten Mikrogreifer. Die Herstellung und Betätigung ist hoch parallel und 3D-Strukturen können hergestellt werden und gleichzeitig angesteuert. Zusätzlich können präzise Muster wie durch quadratische oder dreieckige Poren beispielhaft in allen drei Dimensionen, und auf ausgewählten Flächen bei Bedarf definiert werden. Die Mikrogreifer unter biologisch gutartigen Erkrankungen geschlossen werden, so dass sie Verbrauchsteuern Gewebe verwendet werden kann oder beladen mit biologischen Fracht. Da zusätzlich die Mikrogreifer mit einem ferromagnetischen Material hergestellt werden kann, kann sie aus der Ferne bewegt werden mit Hilfe von Magnetfeldern.

Abbildung 1
Abbildung 1. Design-Regeln für die Synthese von gemusterten Teilchen (ac) Maske Bemessungsregeln für die Montage der gemusterten polyedrische Teilchen;. (A) Schematische des Paneels Maske für einen Polyeder Seitenlänge L, (b) schematische des Scharniers Maske mit klappbaren(0,2 x 0,8 L L) und Sperren oder Abdichtung (0,1 x 0,8 L L) Scharniere, und (c) schematische der überlagerten 2D-Vorläufer oder Netz. (Df) Mask Design-Regeln für die Selbst-Faltung Mikrogreifers; (d) schematische Darstellung des Scharniers Maske für eine Mikrogreifers mit Spitze zu Spitze Länge D, (e) schematische Darstellung des Panel-Maske mit Scharnier Spalt g, und (f) schematische Darstellung des das überlagerte 2D-Vorstufe. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 2
Abbildung 2. Experimentelle Bilder und konzeptionelle Animationen wichtige Schritte bei der Herstellung und Montage. (A) Screenshot eines AutoCAD-Panel Maske für Dodekaeder Vorstufen. (Bc) Optische Bilder von 2D Vorstufen, (b) Dodekaeder, und (c) Mikrogreifer auf einem Siliziumsubstrat. (D) Erschienen Dodekaeder Netze. Maßstabsbalken: 200 um. (En) Konzeptionelle einnimation der, (ei) die Oberflächenspannung Montage eines Dodekaedrons angetrieben wird, und (jn) Dünnfilm Stress angetrieben Faltung eines Mikrogreifers um einen Wulst (Animation von David Filipiak).

Abbildung 3
Abbildung 3. Schematische Darstellung der wichtigsten Herstellungsschritte für die Oberflächenspannung getriebene Anordnung eines kubischen Teilchen.

Abbildung 4
Abbildung 4. Schematische Darstellung der wichtigsten Herstellungsschritte für die Restspannung angetrieben Faltung einer sechsstelligen Greifvorrichtung.

Abbildung 5
Abbildung 5. Bilder von Origami inspirierte selbstorganisierte strukturiert und rekonfigurierbare Partikel.

Discussion

Unsere Origami-inspirierten Montage ist vielseitig und kann für die Synthese einer Vielzahl von 3D-statische und rekonfigurierbare Teilchen mit einer breiten Palette von Materialien, Formen und Größen verwendet werden. Ferner ist die Fähigkeit zur präzisen Muster Sensoren und elektronischen Modulen auf dieser Partikel für die Optik und Elektronik von Bedeutung. Im Gegensatz zu lückenhaft Partikel durch alternative Methoden, bei denen Muster sind relativ ungenau gebildet, bietet diese Methode ein Mittel, um genau gemustert Partikel zu synthetisieren. In Oberflächenspannung basierenden Anordnung sorgt die Verwendung von Scharnieren Verflüssigen Abdichtung daß die Partikel gut verschlossen und nach der Montage mechanisch steife (beim Abkühlen). Früher haben wir beobachtet, dass die Nähte dicht sind sogar für kleine Moleküle 39,40. Elektroabscheidung von einer dünnen Schicht aus Au nach der Montage kann zusätzliche Festigkeit und zur Verbesserung der auslaufsicheren Art der Nähte. Die Dünnschicht Stress basierte Faltung ist nützlich für Anwendungen, bei denen stimuli reagieren Faltung ist wie in Mikrogreifer, die verwendet wurden, um in vitro und in vivo biologische Proben und in Pick-and-Place-Operationen in der Robotik durchführen erforderlich. Während die hier beschriebenen spezifischen Methodik kann zur rekonfigurierbaren Mikrogreifer, die nur einmal erstellt werden zu schließen, kann die geeignete Wahl der Materialien und Methoden, um Stress in Doppelschichten manipulieren genutzt, um auch erstellen Greifvorrichtungen, die rekonfiguriert werden können über mehrere Zyklen-37, 41 werden. Das Highlight der Verwendung von Eigenspannungen an die Macht dieser Geräte ist, dass sie erfordern keine Anbindehaltung oder Drähte und so haben ausgezeichnete Manövrierbarkeit der Betätigung im harten ermöglichen, Orte zu erreichen. Ferner kann durch eine geeignete Wahl von polymeren Triggern können Reize Ansprechverhalten mit einer Reihe von Stimuli einschließlich Enzyme 42 bis autonomen Funktion relevanten Robotik und Chirurgie ermöglichen aktiviert werden.

Disclosures

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Acknowledgments

Wir erkennen aus dem NSF finanziert durch Zuschüsse CMMI 0854881 und CBET 1066898. Die Autoren danken Matthew Mullens für hilfreiche Anregungen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
950 Poly methyl methacrylate A11 Micro Chem M230011 Sacrificial layer
Chromium-plated tungsten rods R. D. Mathis Company CRW-2 Evaporation source for Cr
Copper slug Alfa Aesar 7440-50-8 Evaporation source for Cu
Gold slug Alfa Aesar 7440-57-5 Evaporation source for Au
SPR 220 7.0 Rohm and Haas 10016640 Positive photoresist
S 1800 series photoresists Rohm and Hass Positive photoresist
Megaposit MF- 26 A developer Rohm and Haas 10016574 Developer for SPR 220 7.0 photoresist
Microposit 351 developer Rohm and Hass 10016653 Developer for S 1800 series photoresists
Nickel Sulfamate Technic Inc. 030175 Plating solution for Ni
Techni Solder Mate NF 820 60/40 RTU Technic Inc. 330681 Plating solution for Pb-Sn hinges
APS 100 Copper etchant Transene Company Inc. 021221 Copper etchant
CRE 473 Chromium etchant Transene Company Inc. 040901 Chromium etchant
1-Methyl-2-Pyrollidinone (NMP) Sigma-Aldrich M79603 High boiling point organic solvent for Pb-Sn hinge based self-folding
Indalloy 5RMA flux Indium Corporation of America FL28372 Chemical that cleans the solder surface and inhibits oxidation for good Pb-Sn reflow

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Pandey, S., Gultepe, E., Gracias, D. H. Origami Inspired Self-assembly of Patterned and Reconfigurable Particles. J. Vis. Exp. (72), e50022, doi:10.3791/50022 (2013).

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