УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАНИПУЛИРОВАНИЯ МИКРО- И НАНООБЪЕКТАМИ С ФУНКЦИЕЙ ХРАНЕНИЯ
DEVICE FOR MANIPULATION OF MICRO-AND NANO-OBJECTS WITH STORAGE FUNCTION

Изобретение относится к области механики, микросистемной техники и наномеханики, в частности к технике устройств на основе материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ), и может найти применение в области радиоэлектроники, машиностроения, биотехнологии, электронной микроскопии, медицины.
Известно изобретение «Композитный функциональный материал» (Патент RU №2381903, МПК В32В 15/01; C22F 1/00, опубликовано 20.02.2010 Бюл. №5), который содержит, по крайней мере, два слоя, прочно соединенных друг с другом по плоскости, один из которых выполнен из материала, обладающего обратимой деформацией при изменении внешнего поля в рабочем диапазоне, а второй слой выполнен из упругопластического материала, имеющего предел текучести, находящийся в интервале деформаций композитного функционального материала, возникающих в нем при изменении внешнего поля в рабочем диапазоне. В качестве внешнего поля используют температурное поле, магнитное поле или поле механических напряжений сжатия или растяжения, при этом материал слоев зависит от используемого внешнего поля.
Недостатком данного изобретения является низкая надежность и недолговечность полученного композитного функционального материала, обусловленные тем, что из-за соединения разнородных материалов на границе слоя материала с ЭПФ и упругого слоя в процессе больших изгибных деформаций развиваются значительные механические напряжения, которые приводят к расслоению и потере работоспособности устройства, обуславливают неустойчивость устройства к циклическим нагрузкам.
Известно изобретение «Актюатор, система актюаторов и способ его изготовления» (Патент RU №2305874, МПК Н01Н 61/04, опубликовано 10.09.2007), включающий упругий элемент, преимущественно двумерной конфигурации, и элемент с ЭПФ, прочно механически соединенные друг с другом плоской стороной, причем элемент с ЭПФ имеет одностороннюю деформацию растяжения или сжатия. Система актюаторов выполнена в виде множества актюаторов, соединенных параллельно. Способ изготовления актюатора включает операции изготовления упругого элемента, операцию изготовления элемента с ЭПФ и операцию механически прочного соединения элементов между собой плоскими сторонами. Перед операцией механически прочного соединения элементов с плоскими сторонами элемент с памятью формы тренируют на односторонний ЭПФ до достижения односторонней деформации растяжения или сжатия, а операцию механически прочного соединения элементов проводят при значениях внешних параметров и внешнего поля, отвечающих мартенситному состоянию элемента с памятью формы.
Недостатками данного изобретения являются низкое быстродействие, сложность применения для управления микроустройством, низкая надежность и недолговечность полученного композитного функционального материала из-за соединения разнородных материалов.
Известно изобретение «Термоэлектромеханический преобразователь для микроманипулятора (варианты)» (Патент RU №2259914, МПК 7 B25J 7/00, опубликовано 10.09.2005), в котором преобразователь на основе деформируемого стержня содержит размещенные внутри стержня спиральный электрический нагреватель и пружину изгиба, на концах которой выполнены крепежные приспособления для связывания звеньев микроманипулятора, а также нижний и верхний ряды термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье (элементов Пельтье), закрепленных на противоположных поверхностях деформируемого стержня с возможностью вращения. Деформируемый стержень выполнен из материала с ЭПФ. При исключении спирального электрического нагревателя деформируемый стрежень выполнен из электропроводникового материала с ЭПФ.
Недостатками изобретения являются выполнение его конструкции громоздкой, сложной в управление, имеющей низкое быстродействие, что делает невозможным его использование для управления микроустройством.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, т.е. прототипом, является изобретение «Микромеханическое устройство, способ его изготовления и система манипулирования микро- и нанообъектами» (Патент RU №2458002, МПК В81В 3/00; F03G 7/06, опубликовано 10.08.2012), в котором микромеханическое устройство содержит два плоских элемента, по крайней мере, один из которых выполнен термочувствительным и состоящим из двух прочно соединенных между собой слоев, из которых один изготовлен из сплава с ЭПФ с псевдопластической деформацией растяжения, а другой - из упругого материала. Плоские элементы соединены с одного конца, с другого конца сформирован захват для удержания объекта манипулирования. При изготовлении устройства предварительно изготовляют слой сплава с ЭПФ и вносят в него псевдопластическую деформацию растяжения, а затем соединяют его с упругим слоем, причем соединение слоев производят при температуре ниже температуры мартенситного превращения в сплаве с ЭПФ. Система манипулирования микрообъектами состоит из микромеханического устройства, закрепленного на конце микропроволоки нанопозиционера, рабочего поля с манипулируемым объектом и источника подогрева в виде полупроводникового лазера, излучение которого сфокусировано на рабочее поле системы манипулирования, включая конец микропроволоки с микропинцетом.
Недостатками данного изобретения является:
- низкая надежность и недолговечность микромеханического устройства, обусловленные тем, что из-за механического соединения разнородных материалов на границе слоя материала с ЭПФ и упругого слоя в процессе циклической работы микромеханического устройства при больших изгибных деформациях развиваются значительные механические напряжения, которые приводят к расслоению слоистого композита и быстрой потере работоспособности устройства;
- низкое быстродействие устройства из-за того, что охлаждение микромеханического устройства (после срабатывания при нагреве) происходит естественным способом, что занимает значительное время в обычных условиях при комнатной температуре, а в условиях высокого вакуума, например, в камере электронного или ионного микроскопа при манипулировании микро- и нанообъектами, это время может возрастать в несколько раз, что приводит к существенному снижению быстродействия устройства и ограничению его функциональных возможностей;
- невозможность длительного удержания и хранения отдельных микро- и нанообъектов без затрат дополнительной энергии.
Технический результат заключается в повышении быстродействия, надежности, срока службы и расширения функциональных возможностей, в том числе, реализации функции хранения микро- и нанообъектов, устройства для манипулирования микро- и нанообъектами.
Технический результат достигается созданием устройства для манипулирования микро- и нанообъектами с функцией хранения, включающего микромеханический актюатор с системой подогрева, причем актюатор содержит неподвижный и подвижный плоские элементы, расположенные вдоль его оси, подвижный элемент выполнен термочувствительным, состоящим из двух слоев, причем один из слоев изготовлен из сплава с эффектом памяти формы, а другой - из упругого материала, при этом оба элемента соединены с одного конца актюатора, а с другого конца сформирован захват для удержания микро- или нанообъектов, микромеханический актюатор выполнен за счет изготовления протяженного сквозного отверстия в слоистом композиционном материале с обратимым эффектом памяти формы, включающем кристаллический и аморфный слои с их сплошным неразрывным соединением на границе между ними и одинаковым химическим составом по обе стороны границы, таким образом, что неподвижный элемент выполнен аморфным, а подвижный термочувствительный элемент - аморфно-кристаллическим с кристаллическим слоем на внешней стороне актюатора, причем кристаллический слой обладает памятью формы и является псевдопластически растянутым, а аморфный слой является упругим, при этом оба элемента выполнены с возможностью увеличения зазора захвата до максимального значения при увеличении температуры в интервале мартенситного превращения в кристаллическом слое и уменьшения зазора захвата до минимального значения при уменьшении температуры в интервале мартенситного превращения в кристаллическом слое; система подогрева представляет собой модуль температурного контроля, включающий контроллер, консоль с контактами, по меньшей мере, один элемент Пельтье, термистор, теплопроводящую пластину, коннектор, выполненный с возможностью установки устройства на микро- или наноманипулятор, на коннекторе одним концом закреплена консоль с контактами, а на другом ее конце размещен элемент Пельтье, на противоположной стороне которого расположена теплопроводящая пластина с закрепленными на ней термистором и микромеханическим актюатором, а контроллер через контакты на консоли электрически соединен с элементом Пельтье и термистором.
В частном случае модуль температурного контроля выполнен с возможностью двунаправленного пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования.
Предлагается также способ изготовления микромеханического актюатора, в котором сверхбыстрой закалкой из расплава получают слоистый композиционный материал с обратимым эффектом памяти формы в виде ленты, включающий кристаллический и аморфный слои с их сплошным неразрывным соединением на границе между ними и одинаковым химическим составом по обе стороны границы, при этом в аморфном слое композиционного материала делают протяженное сквозное отверстие вдоль ленты параллельно границе между слоями и формируют подвижный и неподвижный элементы актюатора таким образом, что с одного конца актюатора оставляют оба элемента соединенными, а с другого конца актюатора создают захват для удержания микро- или нанообъектов путем разъединения элементов прорезью на расстояние, которое соответствует минимальному размеру захватываемого объекта, при этом положение и ширину прорези выбирают достаточными для получения неподвижного элемента аморфным, а подвижного элемента - аморфно-кристаллическим термочувствительным, обладающим обратимым эффектом памяти формы, с возможностью обратимо изменять величину зазора захвата при изменении температуры в интервале мартенситного превращения в кристаллическом слое, причем путем варьирования положения и ширины прорези изменяют также соотношение толщин аморфного и кристаллического слоев в термочувствительном подвижном элементе, которое определяет максимальный зазор захвата при нагреве термочувствительного элемента выше температуры конца обратного мартенситного превращения в кристаллическом слое и, соответственно, максимальный размер захватываемого объекта.
В частном случае для изготовления микромеханического актюатора выбирают сплавы квазибинарной системы TiNi-TiCu с содержанием меди от 17 до 34 ат. %.
Кроме того, формирование захвата выполняют методом селективного ионного травления.
Повышение надежности и срока службы предложенного устройства для манипулирования микро- и нанообъектами достигается за счет повышения стабильности и долговечности работы микромеханического актюатора, изготовленного с применением слоистого композиционного материала с обратимым ЭПФ, который получают в одном технологическом процессе, формируя аморфный и кристаллический слои с неразрывным соединением структурных фаз на их границе, поэтому в отличие от прототипа термочувствительный подвижный элемент актюатора представляет собой слоистый аморфно-кристаллический композит без механического соединения слоев и сплошной материал одного химического состава.
При нагреве микромеханического актюатора происходит увеличение зазора захвата до максимального значения, а при охлаждении - уменьшение зазора захвата до минимального значения, поэтому устройство способно захватывать малые объекты, у которых хотя бы один из размеров превышает минимальную величину зазора захвата, например, нанообъекты (углеродная нанотрубка, графеновый лист, вискер и т.п.), и удерживать их неограниченное время без приложения дополнительной энергии, реализуя функцию хранения микро- и нанообъектов.
В свою очередь управление актюатором с помощью модуля температурного контроля на основе элементов Пельтье позволяет поддерживать заданную температуру или отрабатывать заданный режим нагрева и охлаждения во времени с высокой точностью и скоростью, обеспечивая повышение быстродействия устройства по сравнению с прототипом.
Таким образом, все вышесказанное в совокупности расширяет функциональные возможности устройства для манипулирования микро- и нанообъектами, что увеличивает эффективность его применения в различных областях техники и медицины.
Заявленное изобретение поясняется следующими рисунками.
Фиг. 1 - показано устройство для манипулирования микро- и нанообъектами.
Фиг. 2 - показан микромеханический актюатор для захвата микро- и нанообъектов (микропинцет) в исходном (а, в) и нагретом (б, г) состояниях.
Фиг. 3 - показано изображение типичного поперечного сечения аморфно-кристаллического композиционного материала в виде ленты (а) и схема установки для получения аморфно-кристаллических лент из сплава с ЭПФ методом быстрой закалки из расплава (б).
50
50
25
5
5
5
Фиг. 4 - показаны изображения поперечного сечения быстрозакаленных аморфно-кристаллических лент из сплава TiNiCu, полученных при скоростях охлаждения 9⋅10 К/с (а), 7⋅10 К/с (б), 5⋅10 К/с (в).
Фиг. 5 - показано схематическое изображение процесса получения быстрозакаленного слоистого аморфно-кристаллического композита (а, б) и его формоизменения при термоциклировании в интервале мартенситного превращения (в, г).
50
50
25
Фиг. 6 - показан пример обратимого изменения формы отрезка быстрозакаленной аморфно-кристаллической ленты из сплава TiNiCu в цикле нагрев-охлаждение.
Фиг. 7 - показан пример микромеханического актюатора, изготовленного на конце отрезка ленты из сплава с обратимым ЭПФ.
Фиг. 8 - показан пример микромеханического актюатора, закрепленного на конически заостренном конце микропроволоки.
Ниже приведен пример конкретной реализации устройства. Устройство для манипулирования микро- и нанообъектами с функцией хранения (Фиг. 1) содержит микромеханический актюатор 1 и систему подогрева, представляющую модуль температурного контроля, включающий контроллер (не показан), по меньшей мере один элемент Пельтье 2, термистор 3, консоль 4 с контактами 5, теплопроводящую пластину 6, коннектор 7, выполненный с возможностью установки устройства на микро- или наноманипулятор с помощью выступающей части 8, на коннекторе 7 одним концом закреплена консоль 4 с контактами 5, а на другом ее конце размещен элемент Пельтье 2, на противоположной стороне которого расположена теплопроводящая пластина 6 с закрепленными на ней термистором 3 и микромеханическим актюатором 1, а контроллер через контакты 5 на консоли 4 электрически соединен с элементом Пельтье 2 и термистором 3.
2
3
В устройстве для манипулирования микро- и нанообъектами с функцией хранения (Фиг. 1) микромеханический актюатор (микропинцет) 1 закрепляют на теплопроводящей пластине 6, сделанной, например, из серебра. Теплопроводящая пластина 6 расположена на элементе Пельтье 2, состоящем из одной или более пар миниатюрных полупроводниковых параллелепипедов - одного n-типа и одного p-типа в паре (например, теллурида висмута BiTe и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек, например, ТЕ-12-0.45-1.3, который ее нагревает или охлаждает. Термистор 3, например, NCP03XV103, измеряет температуру на теплопроводящей пластине 6. Элемент Пельтье 2, термистор 3 и теплопроводящая пластина 6 расположены на консоли 4, выполненной из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, например, из нитрида алюминия, с нанесенными на нее, например, напылением, металлическими контактами 5. Консоль 4 закреплена на коннекторе 7, выполненным с возможностью соединения с манипулятором 3D-перемещения (не показан) и служащим теплопроводом для отвода/подвода тепла. Коннектор 7 снабжен выступающей частью 8, например, цилиндрической формы диаметром 0,5 мм и длиной 35-50 мм, для закрепления устройства на микро- или наноманипулятор, например, Omniprobe, Kleindiek или SmarAct MCS-3D. Устройство, закрепленное на микро- или наноманипуляторе, способно перемещать в пространстве захваченный объект. Выбранный (заданный) режим нагрева и охлаждения устройства осуществляют с помощью модуля температурного контроля.
Модуль температурного контроля содержит контроллер, например, контроллер DX5100, который представляет собой прецизионное программируемое устройство управления термоэлектрическими модулями (элементами Пельтье). В контроллере реализовано двунаправленное (нагрев и охлаждение) ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальное) регулирование. Контроллер позволяет поддерживать заданную температуру модуля с высокой точностью или отрабатывать заданную программу нагрева и охлаждения во времени с высокой скоростью. В контроллер введена функция диагностики объекта регулирования, которая включает измерение сопротивления объекта на переменном токе, термоэлектрической добротности и постоянной времени. Реализована функция автоподстройки параметров ПИД регулятора. Управление контроллером, который в свою очередь подает команду нагрева или охлаждения теплопроводящей пластины 6, осуществляется с помощью программного обеспечения, например, программы DX5100 Vision.
Устройство работает следующим образом.
к
к
к
к
н
В исходном состоянии ниже температуры конца прямого мартенситного превращения М микромеханический актюатор 1 (микропинцет) выполнен с зазором h между термочувствительным подвижным элементом 10 и неподвижным элементом 11, величина которого определяет минимальный размер захватываемого объекта (Фиг. 2а, в). Технология ФИП позволяет выполнить разрез с минимальной шириной до 2-4 нм. При подаче управляющего сигнала с контроллера на элемент Пельтье 2 через контакты 5 на консоли 4 (Фиг. 1), приводящего к нагреву выше температуры конца обратного мартенситного превращения А теплопроводящей пластины 6 с закрепленными на ней термистором 3 и микромеханическим актюатором 1, подвижный элемент 10 (кантилевер) изгибается, увеличивая зазор захвата до величины Н (Фиг. 2б, г), которая определяет максимальный размер захватываемого объекта. Далее модуль температурного контроля на основе элементов Пельтье поддерживает с точностью ±0,5°С заданную температуру актюатора 1, обеспечивая максимальную величину Н зазора захвата до момента помещения захватываемого объекта между подвижным элементом 10 и неподвижным элементом 11. При подаче управляющего сигнала с контроллера на элемент Пельтье 2, приводящего к охлаждению теплопроводящей пластины 6 ниже температуры М, актюатор 1 возвращается в исходное состояние (Фиг. 2а) за счет реализации обратимого ЭПФ, захватывая объект, расположенный между подвижным элементом 10 и неподвижным элементом 11 актюатора 1. Повторный нагрев актюатора 1 выше температуры А приведет вновь к увеличению зазора захвата до величины Н и освобождению объекта. Таким образом, устройство способно захватывать малые объекты, у которых хотя бы один из размеров превышает величину h, например, нанообъекты (углеродная нанотрубка, графеновый лист, вискер и т.п.), удерживать их неограниченное время без приложения дополнительной энергии, если не допускать нагрева окружающей среды выше температуры начала обратного мартенситного превращения А, перемещать в пространстве захваченные объекты при закреплении устройства на микро- или наноманипуляторе и освобождать объекты после доставки их к месту исследования или использования. Таким образом, устройство выполняет полный технологический цикл: выбор микро- или нанообъекта - захват с помощью микромеханического актюатора (микропинцета) - 3D-перемещение микроманипулятором - освобождение. Кроме того, микромеханический актюатор (микропинцет), закрепленный на любом держателе, например, на игле наноманипулятора, может быть использован для длительного хранения отдельных микро- и нанообъектов без затрат дополнительной энергии.
0
0
0
m
g
m
g
Далее приведен пример конкретной реализации способа изготовления микромеханического актюатора 1 (Фиг. 2), Предложенный способ включает в себя получение сверхбыстрой закалкой из расплава слоистого композиционного материала 14 с обратимым ЭПФ в виде ленты (Фиг. 3а), содержащего кристаллический 12 и аморфный 13 слои с их сплошным неразрывным соединением на границе между ними и одинаковым химическим составом по обе стороны границы. Получение материала 14 заключается в разливке струи расплава из тигля на цилиндрическую поверхность закалочного медного диска, вращающегося относительно горизонтальной оси (Фиг. 3б). Расплав 15, полученный в тигле 16 с помощью нагревания слитка сплава высокочастотным индуктором 17, выпускается на закалочный медный диск 18 путем подачи избыточного давления инертного газа, например, гелия, в тигель и затвердевает в виде ленты 14. Охлаждение расплава осуществляют со скоростью V, определяющей соотношение толщин аморфного и кристаллического слоев 13, 12, при этом изменение скорости охлаждения расплава V осуществляют путем варьирования скорости вращения закалочного медного диска V, задавая и контролируя технологические параметры процесса закалки расплава, например, размер и форму выливного отверстия в тигле, температуру расплава, расстояние между местом излива расплава из тигля и закалочным диском, величину избыточного давления для выдавливания расплава из тигля. Скорость вращения V изменяют, например, в интервале 1000-2000 оборотов/мин. Скорость охлаждения оценивают по выражению: V≅2π⋅R⋅V⋅(T-T)/L, где T и T - температуры плавления и стеклования; R - радиус закалочного диска; L - размер зоны столкновения струи расплава с поверхностью барабана. Температуру расплава в момент разливки из тигля выставляют, например, 1150°С. Ширину ленты варьируют, например, в диапазоне 1-20 мм, длину ленты - до нескольких десятков метров. Для изготовления материала используют сплав с высокой склонностью к аморфизации, например, сплавы квазибинарной системы TiNi-TiCu с содержанием меди от 17 до 34 ат. %. Слитки из сплавов Ti-Ni-Cu изготавливают в дуговой печи с шестикратной переплавкой в атмосфере аргона в поле токов высокой частоты. Для изготовления слитков используют чистые материалы, например, электродный никель (Ni Н0), бескислородная медь (Cu М0), йодидный титан (чистота 99,999).
6
5
6
5
5
50
50
25
0
кр
При закалке из жидкого состояния с высокими скоростями охлаждения расплава (более 10 К/с) сплав, например, TiNiCu, получают в виде тонкой ленты (20-50 мкм) в аморфном состоянии, однако из-за различия в скоростях закалки на поверхности ленты, контактирующей с закалочным диском-холодильником, и в объеме ленты, при более низких скоростях охлаждения расплава, например, (10÷10 К/с), на неконтактной (свободной) поверхности ленты образуется поверхностный кристаллический слой 12, т.е. такая лента представляет собой слоистый аморфно-кристаллический композит 14 (Фиг. 3а). В зависимости от скорости охлаждения расплава V, которую устанавливают путем подбора скорости вращения V медного диска 18, соотношение толщин аморфного 13 и кристаллического слоев 12 варьируется. В частности, снижение V от 9⋅10 до 5⋅10 К/с приводит к увеличению толщины кристаллического слоя d от 0,4 до 10 мкм при практически неизменной толщине ленты (Фиг. 4).
н
к
Аморфно-кристаллический композит 14 проявляет обратимый ЭПФ на изгиб, что поясняется следующим образом. В процессе его изготовления часть расплава 15 при попадании на закалочный медный диск 18 затвердевает с образованием аморфной фазы 13, тогда как другая часть расплава затвердевает не на поверхности закалочного диска 18, а на уже образовавшемся аморфном слое 13 (Фиг. 5а). При этом скорость охлаждения внешнего (неконтактного) слоя снижается, что при затвердевании приводит к формированию в этом слое кристаллической структуры 12. Дальнейшее охлаждение кристаллического слоя 12 должно было бы привести к его сокращению из-за процесса термического сжатия, однако аморфный слой 13, имеющий меньший коэффициент термического линейного расширения (КТЛР), более высокую прочность и большую толщину, препятствует этому процессу (Фиг. 56). В результате при охлаждении до комнатной температуры кристаллический слой 12 оказывается псевдопластически растянутым (Фиг. 5в). Если такой композит нагреть выше температуры А в материале кристаллического слоя 12, то за счет реализации ЭПФ кристаллический слой 12 будет стремиться к сжатию, что приведет к изгибу композита подобно биметаллической пластине (Фиг. 5г). При охлаждении ниже температуры М за счет упругости аморфного слоя 13 композит 14 возвращается в исходное состояние (Фиг. 5в).
Таким образом, слоистый композиционный материал 14 обладает обратимой памятью формы на изгиб (Фиг. 6), обусловленной протеканием термоупругих мартенситных превращений в кристаллическом слое 12 и контрсилы от упругого аморфного слоя 13, причем такой материал не требует какой-либо дополнительной обработки, что упрощает процесс его изготовления и повышает стабильность работы материала при проявлении обратимого ЭПФ.
ам
кр
к
Для формирования подвижного 10 и неподвижного 11 элементов актюатора 1 (Фиг. 2) в аморфном слое 13 композиционного материала 14 делают протяженное сквозное отверстие 9 вдоль ленты параллельно границе между слоями 12, 13 таким образом, что с одного конца актюатора 1 оставляют оба элемента 10, 11 соединенными, а с другого конца актюатора создают захват для удержания микро- или нанообъектов путем разъединения элементов 10, 11 прорезью 9 на расстояние h, которое соответствует минимальному размеру захватываемого объекта. При этом положение и ширину прорези 9 выбирают достаточными для получения неподвижного элемента 11 аморфным, а подвижного элемента 10 - аморфно-кристаллическим термочувствительным с кристаллическим слоем 12 на внешней стороне актюатора, причем кристаллический слой 12 обладает памятью формы и является псевдопластически растянутым, а аморфный слой является упругим. В результате формируют подвижный элемент 10 с возможностью увеличения зазора захвата до максимального значения Н при увеличении температуры в интервале мартенситного превращения в кристаллическом слое 12 и уменьшения зазора захвата до минимального значения h при уменьшении температуры в интервале мартенситного превращения в кристаллическом слое 12. Путем варьирования положения и ширины прорези 9 изменяют также соотношение толщин аморфного и кристаллического слоев (d, и d, соответственно) в термочувствительном подвижном элементе 10, которое определяет максимальный зазор захвата Н при нагреве термочувствительного элемента 10 выше температуры А в кристаллическом слое 12 и, соответственно, максимальный размер захватываемого объекта.
к
к
На Фиг. 2в, г показан пример конкретного выполнения микромеханического актюатора 1, изготовленного методом селективного ионного травления с помощью технологии фокусированных ионных пучков (ФИП) из аморфно-кристаллической ленты 14 толщиной около 4,5 мкм, в исходном «холодном» (ниже температуры М) состоянии (Фиг. 2в) и в «горячем» (выше температуры А) состоянии после нагрева (Фиг. 2г).
ам
кр
Толщины аморфного d, и кристаллического d слоев в подвижном элементе (кантилевере) 10, а также их соотношение варьируют:
1) выбором состава композиционного материала 14 и скоростью охлаждения расплава V;
2) расположением и размерами отверстия 9, сделанного в материале 14;
3) уменьшением толщин аморфного 13 и кристаллического 12 слоев одновременно или по отдельности, например, с помощью химического или электрохимического травления.
50
25
25
В данном примере конкретного исполнения микромеханического актюатора 1 (микропинцета) из слоистого композиционного материала 14 с обратимым ЭПФ, изготовленного из сплава TiNiCu сверхбыстрой закалкой из расплава, приведены характерные размеры данного устройства (Фиг. 2):
кр
- толщина кристаллического слоя в кантилевере 10: d=0,8 мкм;
ам
- толщина аморфного слоя в кантилевере 10: d=1,1 мкм;
кр
ам
- общая толщина кантилевера 10: d=d+d=1,9 мкм;
- длина кантилевера 10:
- ширина отверстия 9: b=0,9 мкм:
- общая толщина актюатора 1: D=4,4 мкм;
а
- ширина актюатора 1: =3-5 мкм;
- максимальная ширина зазора варьируется в диапазоне: H=1-5 мкм;
- минимальная ширина зазора варьируется в диапазоне: h=5-1000 нм.
При такой конфигурации устройство для манипулирования микро- и нанообъектами способно захватывать и хранить микро- и нанообъекты размером в диапазоне от 5 нм до 5 мкм, а при закреплении на микро- или наноманипуляторе перемещать в пространстве захваченный объект.
Время срабатывания (быстродействие) устройства для манипулирования микро- и нанообъектами определяется быстродействием микромеханического актюатора (микропинцета) и температурными режимами, устанавливаемыми на модуле температурного контроля в зависимости от конкретного применения устройства. В примере конкретного исполнения устройства (Фиг. 2в, г) увеличение зазора захвата до величины H=1,92 мкм при нагреве микропинцета и уменьшение зазора захвата до величины h=0,78 мкм при охлаждении микропинцета происходило за одинаковое время 800 мс.
Для упрощения процесса закрепления микромеханического актюатора 1 на теплопроводящей пластине 6, актюатор 1 (микропинцет) формируют, например, методом селективного ионного травления с помощью технологии фокусированных ионных пучков (ФИП), на конце отрезка аморфно-кристаллической ленты 14 из сплава с ЭПФ (Фиг. 7). В другом частном случае, например, с помощью технологии химического осаждения из паровой фазы (CVD) в аппарате ФИП, актюатор 1 закрепляют, например, вольфрамом или платиной 19, к конически заостренному, например, до 5 мкм, концу микропроволоки 20, например, диаметром 500 мкм, с высокой теплопроводностью, например, из металла (меди или вольфрама) или керамики (Фиг. 8).
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство для манипулирования микро- и нанообъектами с функцией хранения и способ изготовления микромеханического актюатора существенно повышают надежность и срок службы изделия за счет выполнения термочувствительного подвижного элемента актюатора в виде аморфно-кристаллического композита, представляющего собой сплошной материал одного химического состава без механического соединения слоев. Устройство способно захватывать малые объекты, например, нанообъекты (углеродная нанотрубка, графеновый лист, вискер и т.п.), и удерживать их неограниченное время без приложения дополнительной энергии, реализуя функцию хранения микро- и нанообъектов. Управление актюатором (микропинцетом) посредством модуля температурного контроля на основе элементов Пельтье позволяет поддерживать заданную температуру или отрабатывать заданный режим нагрева и охлаждения во времени с высокой точностью и скоростью. Все вышесказанное обеспечивает повышение устойчивости к циклическим нагрузкам, надежности и быстродействия изделия, расширяет его функциональные возможности по сравнению с прототипом, что имеет определяющее значение для таких современных областей техники как микро- и наномеханика (МЭМС и НЭМС), робототехника, энергетика, приборостроение, авиационные и космические технологии, биомедицина и биоинженерия.