Πεδιακές μέθοδοι συναρμολόγησης μικροαντικειμένων
Authors: Λαζάρου Παναγιώτης 
Published: January 2014

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι ο παράλληλος χειρισμός καθώς και η ανοιχτού βρόχου και η άνευ αισθητήρων συναρμολόγηση μικροαντικειμένων χωρίς τη χρήση μικροβραχιόνων. Η έρευνα επικεντρώθηκε στο μικροχειρισμό: α) με τρισδιάστατα πεδία δυνάμεων, β) με προγραμματιζόμενα πεδία δυνάμεων στο επίπεδο, γ) μικροαντικειμένων έγκλειστων σε σταγόνες υγρού και δ) με αυτοσυναρμολόγηση με ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Αρχικά παρουσιάζεται η διαδικασία γενίκευσης και θεωρητικής επέκτασης των υπαρχόντων δισδιάστατων πεδίων δυνάμεων για χειρισμό μικροαντικειμένων σε τρεις διαστάσεις. Ο στόχος είναι η επίτευξη τρισδιάστατου μικροχειρισμού που συνίσταται στη διαδοχική εφαρμογή των τριών πεδίων για μεταφορά κεντράρισμα και περιστροφή μικροαντικειμένων. Στη συνέχεια εισάγεται μια νέα μεθοδολογία για τη γενικευμένη μαθηματική διατύπωση και κατασκευή ενός προγραμματιζόμενου πεδίου δυνάμεων καθώς και για τον ανοικτού βρόχου χωρίς αισθητήρες χειρισμό πολυγωνικών αντικειμένων διαφόρων σχημάτων σε πλατφόρμες μικροεπενεργητών. Η εφαρμογή και ο προγραμματισμός του παραγομένου πεδίου σε πλατφόρμα μικροεπενεργητών τριχοειδούς τύπου παρουσιάζονται μαζί με ένα προτεινόμενο σχεδιασμό ηλεκτρονικών κυκλωμάτων για τη διεξαγωγή του προγραμματισμού καθώς και της λειτουργίας της πλατφόρμας. Η ικανότητα χειρισμού της διάταξης εξετάζεται μέσω προσομοιώσεων για διάφορα απλά πολυγωνικά κυρτά και μη κυρτά σχήματα μικροαντικειμένων και τα αποτελέσματα δείχνουν επιτυχημένη τοποθέτηση και προσανατολισμό στις επιθυμητές τελικές διαμορφώσεις. Επίσης, γίνεται η παρουσίαση μιας ιδέας για τον χειρισμό μικροαντικειμένων έγκλειστων σε σταγόνες υγρού η οποία στηρίζεται στην αξιοποίηση των φαινομένων της ηλεκτροδιαβρεκτικότητας, της διηλεκτροφόρησης και της αυτοσυναρμολόγησης με επιφανειακές τάσεις. Αρχικά, πραγματοποιείται μοντελοποίηση της σταγόνας με πεπερασμένα στοιχεία κατά την ηλεκτροδιαβρεκτικότητα προς επιβεβαίωση της τάσης της κίνησης της σταγόνας προς το ενεργοποιημένο ηλεκτρόδιο. Στη διηλεκτροφόρηση παρουσιάζεται μια διάταξη ηλεκτροδίων τύπου ακίδας δακτυλίου η οποία δημιουργεί ένα ανομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο. Η τάση της κίνησης επιβεβαιώνεται και με τη μοντελοποίηση με πεπερασμένα στοιχεία. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων διηλεκτροφόρησης σταγόνων πάνω σε μια πλακέτα πυριτίου με τυπωμένα ηλεκτρόδια ακίδας δακτυλίου παρουσιάζονται και κατηγοριοποιούνται.Τέλος, παρουσιάζεται μια νέα μεθοδολογία η οποία χρησιμοποιεί ηλεκτροστατικές δυνάμεις για την ακριβή ευθυγράμμιση και μαζική αυτοσυναρμολόγηση μικροαντικειμένων. Μικροσκοπικά ηλεκτρόδια στο αντικείμενο και στο υπόστρωμα χρησιμεύουν ως περιοχές ευθυγράμμισης και συγκόλλησης. Ερευνώντας και καταγράφοντας την εξάρτηση της ηλεκτροστατικής δύναμης από διάφορες παραμέτρους με βάση τη μοντελοποίηση με πεπερασμένα στοιχεία παράγεται ένα προσαρμοσμένο μοντέλο δύναμης για κυκλικές και τετραγωνικές γεωμετρίες ηλεκτροδίων. Χρησιμοποιώντας τα προσδιορισθέντα μοντέλα δύναμης προτείνονται γενικοί κανόνες για το σχεδιασμό της γεωμετρίας της διάταξης και των περιοχών συγκόλλησης. Επίσης πραγματοποιείται η προσομοίωση της κίνησης μικροαντικειμένων υπό την επίδραση των ηλεκτροστατικών δυνάμεων. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν όχι μόνο τη διαδικασία αυτοευθυγράμμισης αλλά και τους κανόνες που προτάθηκαν καθώς καθίσταται δυνατή η πρόβλεψη της συμπεριφοράς των αντικείμενων.