Оптические ловушки, использующие свет для удержания и перемещения небольших объектов в жидкости, являются многообещающим бесконтактным методом сборки электронных и оптических устройств. Однако при использовании этих ловушек для производственных целей жидкость должна быть удалена — процесс, который имеет тенденцию вытеснять любой узор или структуру, которые были сформированы с использованием оптической ловушки.В журнале Optics Express оптического общества (OSA) исследователи из исследовательской группы микроманипуляции Стивена Нила из Университета Глазго, Шотландия, подробно описывают свой метод использования передового метода оптического захвата, известного как оптоэлектронный пинцет, для сборки электрических контактов. Благодаря инновационному методу сублимационной сушки, разработанному Шуайлуном Чжаном, членом исследовательской группы Нила, жидкость можно было удалить, не повредив собранные компоненты.
«Силы, создаваемые этими оптоэлектронными пинцетами, можно сравнить со Star Trek, как лучи трактора, которые могут перемещать объекты через среду, не касаясь их», — сказал Нил. «Это вызывает в воображении образы сборочных линий без роботизированных манипуляторов. Вместо этого отдельные компоненты собираются почти волшебным образом, поскольку они руководствуются узорами света».
Исследователи продемонстрировали эту технику, собрав узор из крошечных шариков припоя с оптоэлектронной ловушкой, удалив жидкость, а затем нагревая узор, чтобы сплавить шарики вместе, образуя электрические соединения. Они использовали шарики припоя, чтобы продемонстрировать, что в будущем эти микрочастицы могут быть собраны и сплавлены для создания электрических соединений.«Оптоэлектронные пинцеты экономичны и позволяют параллельную микроманипуляцию с частицами», — сказал Чжан, который сейчас работает в Университете Торонто в Канаде. «В принципе, мы можем перемещать 10 000 шариков одновременно.
Сочетание этого с нашим подходом к сублимационной сушке создает очень недорогую платформу, подходящую для использования в массовом производстве».Улучшение производства электроникиНовая технология может предложить альтернативный способ изготовления печатных плат, которые соединяют компоненты, присутствующие в большей части современной электроники. Эти типы устройств в настоящее время производятся с использованием автоматизированных машин, которые собирают крошечные детали, помещают их на печатную плату и припаивают на место.
Этот процесс требует дорогостоящего моторизованного столика для размещения платы и дорогостоящего высокоточного робота-манипулятора для подбора и размещения крошечных деталей на устройстве. Стоимость этих систем микроманипуляции продолжает расти, поскольку уменьшение размеров электроники повышает требования к точности.«Оптоэлектронный пинцет и метод сублимационной сушки можно использовать не только для сборки шариков припоя, но и для сборки широкого спектра объектов, таких как полупроводниковые нанопроволоки, углеродные нанотрубки, микролазеры и микро-светодиоды», — сказал Чжан. «В конце концов, мы хотим использовать этот инструмент для сборки электронных компонентов, таких как конденсаторы и резисторы, а также фотонных устройств, таких как лазеры и светодиоды, вместе в устройстве или системе».
Улавливание частиц с помощью оптоэлектронных манипуляцийИсследователи использовали оптоэлектронный пинцет, потому что этот метод оптической манипуляции может формировать тысячи ловушек одновременно, предлагая потенциал массовой параллельной сборки.
Пинцет состоит из слоя кремния, который меняет свою электропроводность под воздействием света. В областях, подверженных воздействию точек света, формируется неоднородное электрическое поле, которое взаимодействует с частицами или шариками в жидком слое поверх кремния, позволяя частицам точно перемещаться путем перемещения точки света. Создание узоров из световых точек позволяет одновременно перемещать несколько частиц.«Используя наш метод, мы можем перемещать шарики припоя размером от нанометров до примерно 150 микрон», — сказал Чжан. «Мы смогли перемещать объекты размером более 150 микрон, но это сложнее, потому что с увеличением размера объекта увеличивается и сила трения».
После использования оптоэлектронного пинцета для сборки шаблона из имеющихся в продаже шариков припоя диаметром 40 микрон, исследователи заморозили жидкость в оптоэлектронном пинцете, а затем уменьшили окружающее давление, чтобы замороженная жидкость превратилась из твердого вещества непосредственно в твердое вещество. газ. Такой подход сублимационной сушки позволил собранным шарикам припоя оставаться на месте после удаления жидкости. Исследователи говорят, что его можно использовать для удаления жидкости, используемой с любым типом оптических ловушек, или даже ловушек, образованных акустическими волнами.Помимо сборки шариков припоя в разные линии, исследователи также продемонстрировали параллельную сборку нескольких шариков и использовали шарики для образования электрических соединений.
Бусинки припоя обладают сильной диэлектрической силой, что означает, что их можно перемещать точно и быстро, что позволяет очень эффективно собирать конструкции.В настоящее время исследователи работают над превращением своей лабораторной системы в систему, которая объединяла бы оптоэлектронный пинцет и процесс сублимационной сушки в одном устройстве. Они также разрабатывают программный интерфейс для управления генерацией светового узора в зависимости от количества частиц, которые необходимо уловить.«Сейчас мы используем компьютер для создания светового рисунка для перемещения шариков, но мы работаем над приложением, которое позволит использовать планшет или смартфон», — сказал Чжан. «Это может позволить кому-то сидеть в стороне от системы и использовать свой палец, например, для управления движением частиц».
Недавно Нил получил финансирование для продолжения этого направления исследований с использованием нового подхода оптической микроманипуляции для создания конденсаторов с высокой плотностью энергии для замены батарей в мобильных устройствах.