Nina Božič - COnnecting REpositories · 2018. 8. 24. · Nina Božič Diplomska naloga 2 2 NANOTEHNOLOGIJA Nanotehnologija je izraz, s katerim označujemo tehnološki razvoj v nanometrskem

Nina Božič

IZDELAVA MIKRO-VAKUUMSKEGA PRIJEMALA ZA POTREBE GRADNJE

MEMS-ov

Diplomska naloga

Maribor, september 2009

Nina Božič Diplomska naloga I

Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa

IZDELAVA MIKRO-VAKUUMSKEGA PRIJEMALA ZA POTREBE GRADNJE

MEMS-ov

Študentka: Nina Božič

Študijski program: VS ŠP Elektrotehnika

Smer: Avtomatika

Mentor (FERI): red. prof. dr. Riko Šafarič

Somentor (FERI): red. prof. dr. Denis Đonlagić

Maribor, september 2009

Nina Božič Diplomska naloga II

Nina Božič Diplomska naloga III

Iskreno se zahvaljujem mentorju red. prof. dr. Riku

Šafariču in somentorju red. prof. dr. Denisu Đonlagiću

za vso strokovno svetovanje in potrpežljivost v času

nastajanja diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem

Gregorju Škorcu za pomoč in svetovanje.

Posebna zahvala pa velja staršem, ki so mi omogočili

študij in me vsa ta leta spodbujali ter mi stali ob strani.

Nina Božič Diplomska naloga IV

IZDELAVA MIKRO-VAKUUMSKEGA PRIJEMALA ZA POTREBE GRADNJE MEMS-OV

Ključne besede: nano-robot, mikro-prijemalo, nano-tehnologije, MEMS

UDK: 007.52:620.3(043.2) Povzetek

Diplomska naloga je razdeljena na dva večja dela. V prvem, teoretičnem delu sem se

najprej posvetila raziskavi področja nano-tehnologije za potrebe gradnje MEMS-ov.

Podanih je nekaj primerov uporabe le teh. Sledi pregled trenutno poznanih prijemal za

potrebe mikro in nano-pozicioniranja. Teoretični del naloge se zaključi z opisom sistema

nano-robotske celice, ki je v praktičnem delu uporabljen za izvedbo eksperimentov.

V praktičnem delu naloge je predstavljen celoten razvoj in izdelava lastnega mikro-

prijemala, ki deluje na vakuumskem principu. Vakuumsko mikro-prijemalo omogoča

rokovanje z mikro-delci. Razvite so bile štiri različne variante mikro-vakuumskih prijemal,

ki smo jih v okviru eksperimentov tudi preizkusili. V nalogi so podane osnovne smernice in

napotki za razvoj te vrste prijemal.

Nina Božič Diplomska naloga V

DESIGN OF VACUUM MICRO-GRIPPER FOR MEMS PRODUCTION Key word: nano-robot, micro-gripper, nano-technologies, MEMS

UDK: 007.52:620.3(043.2)

Abstract The diploma work is divided to two main parts. In the first theoretical part, the

presentation of several examples in the area of nano-technologies for MEMS production is

done. Then, the survey of currently known grippers for the usage in the area of micro and

nano-positioning is presented. The theoretical part ends with the description of nano-

robotic cell, which is used in a practical part of the diploma work for the experiment

execution.

So, in the practical part is presented the whole development and production of our own

vacuum micro-gripper. The vacuum micro gripper allows a handling with micro objects

(parts). The four different variants of vacuum micro-grippers have been developed and

experimentally tested. The diploma work presents the basic guidelines for this kind of

grippers’ development.

Nina Božič Diplomska naloga VI

KAZALO

1 UVOD ........................................................................................................................................ 1

2 NANOTEHNOLOGIJA ............................................................................................................ 2

2.1 Predstavitev nanotehnologije v namene gradnje MEMS .......................................... 3

2.1.1 Senzor pretoka plina ............................................................................................... 4

2.1.2 MEMS pospeškometer ........................................................................................... 5

2.1.3 MEMS senzorji tlaka ............................................................................................... 6

2.1.4 MEMS mikrofon ....................................................................................................... 7

2.2 Predstavitev poznanih mikro-prijemal .......................................................................... 8

2.2.1 Sile na mikro in nano-delec v mediju v električnem polju .................................. 8

2.2.2 Predstavitev Piezo mikro-prijemala ...................................................................... 9

2.2.3 Predstavitev termičnih mikro-prijemal ................................................................ 11

2.2.4 Dielektroforezno mikro-prijemalo ........................................................................ 12

2.2.5 Pnevmatska naprava z aktivno površino ........................................................... 18

2.3 Opis testnega sistema nano-robotske celice ............................................................ 22

3 IZDELAVA MIKRO VAKUUMSKEGA PRIJEMALA ......................................................... 28

3.1 Osnovni princip delovanja mikro-vakuumskega prijemala ...................................... 29

3.2 Opis postopka izdelave mikro-vakuumskega prijemala .......................................... 31

4 REZULTATI ............................................................................................................................ 35

4.1 135 mikronska eno-cevna varianta ............................................................................. 36

4.2 83 mikronska eno-cevna varianta ............................................................................... 38

4.3 135 mikronska podaljšana varianta ............................................................................ 39

4.4 135 mikronska matrika cevk ........................................................................................ 40

5 SKLEP ..................................................................................................................................... 41

6 LITERATURA ......................................................................................................................... 43

Nina Božič Diplomska naloga VII

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Omronov senzor pretoka plina ______________________________________________________ 4 Slika 2.2: MEMS pospeškometer ____________________________________________________________ 5 Slika 2.3: MEMS senzor tlaka _______________________________________________________________ 6 Slika 2.4: Senzor tlaka od Fiso Tehnologies _____________________________________________________ 6 Slika 2.5: Velikost MEMS mikrofona __________________________________________________________ 7 Slika 2.6: Membrana MEMS mikrofona _______________________________________________________ 7 Slika 2.7: Sile, ki delujejo na mikro ali nano delec v mediju ________________________________________ 8 Slika 2.8: Idejna zasnova Piezo prijemalo ______________________________________________________ 9 Slika 2.9: Termično mikro-prijemalo _________________________________________________________ 11 Slika 2.10: Električni dipol v električnem polju _________________________________________________ 12 Slika 2.11: Električni naboji enakega in nasprotnega predznaka __________________________________ 13 Slika 2.12: Gibanje polariziranega dielektričnega delca v nehomogenem enosmernem električnem polju _ 13 Slika 2.13: Elektroda in polariziran nevtralen delec _____________________________________________ 14 Slika 2.14: Premikanje delca bližje elektrodi __________________________________________________ 15 Slika 2.15: Delec in elektroda se privlačita ____________________________________________________ 15 Slika 2.16: Dipol ne sledi spremembi frekvence ________________________________________________ 16 Slika 2.17: Dipol obrnjen nasprotno od smeri polja _____________________________________________ 16 Slika 2.18: Neaktivno dielektroforezno prijemalo ______________________________________________ 17 Slika 2.19: Delec se zaradi električnega polja približa konici ______________________________________ 17 Slika 2.20: Skica pnevmatske naprave z aktivno površino ________________________________________ 18 Slika 2.21: Prototip pnevmatske naprave z aktivno površino _____________________________________ 19 Slika 2.22: Aktivna površina pnevmatske naprave _____________________________________________ 19 Slika 2.23: Obračanje objekta na aktivni površini ______________________________________________ 20 Slika 2.24: Osnovni princip premikanja objekta po aktivni površini ________________________________ 20 Slika 2.25: Potek konvergenčnega vala ______________________________________________________ 21 Slika 2.26: Razlaga zaprtozančnega algoritma translatornega premikanja __________________________ 21 Slika 2.27: Sistem za krmiljenje nano-robotske celice ___________________________________________ 22 Slika 2.28: Nano-robotska celica ___________________________________________________________ 23 Slika 2.29: Linearni piezoelektrični motor ____________________________________________________ 24 Slika 2.30: Krmilnik nano-robota ___________________________________________________________ 26 Slika 2.31: Spletni strežnik z operacijskim sistemom LabVIEW Real-Time ___________________________ 27 in vhodno/izhodno kartico PCI7356 _________________________________________________________ 27 Slika 3.1: Mikro-vakuumsko prijemalo _______________________________________________________ 28 Slika 3.2: Laminarni tok___________________________________________________________________ 29 Slika 3.3: Turbolentni tok _________________________________________________________________ 29 Slika 3.4: Klešče za odstranjevanje primarne zaščite ____________________________________________ 31 Slika 3.5: 135 μm cevka odrezana z navadnimi kleščami ________________________________________ 32 Slika 3.6: 135 μm cevka odrezana z rezilom za optična vlakna ____________________________________ 32 Slika 3.7: 135 μm cevka po brušenju ________________________________________________________ 33 Slika 3.8: Prah v 135 μm cevki _____________________________________________________________ 34 Slika 3.9: Odrezano 83 μm vlakno __________________________________________________________ 34 Slika 4.1: S pomočjo vakuuma dvignjen mikrodelec ____________________________________________ 36 Slika 4.2: Odložen mikrodelec ______________________________________________________________ 37 Slika 4.3: S pomočjo vakuuma dvignjen mikro-delec ____________________________________________ 38 Slika 4.4: Mikro-delci ostali na prijemalu _____________________________________________________ 39 Slika 4.5: Matrika 40 cevk _________________________________________________________________ 40

Nina Božič Diplomska naloga 1

1 UVOD

Zaradi vedno večje miniaturizacije izdelkov bodo nanotehnologije in nano-robotika

sčasoma postale vsakdan v industrijski praksi.

Na tržišču obstaja že veliko komercialnih aktuatorjev, ki so sposobni pozicioniranja v

nano-področju ( PiezoLegs, Squigle, Mikrostrukturirani roboti….). Razvoj teh aktuatorjev

je dosegel že zelo veliko stopnjo tehnološke izpopolnjenosti. Kot področje vredno ločene

obravnave pa se je izkazalo področje mikro in nano-prijemal. Različni pojavi, ki nastopijo

v mikro in nano-svetu, niso pa poznani v makro in večjih svetovih, zahtevajo nove pristope

k izgradnji takih prijemal.

Diplomska naloga je razdeljena na dva večja dela. V prvem delu smo se osredotočili na

raziskavo mikro-prijemal, ki so trenutno dostopna na tržišču. Področje uporabe mikro-

prijemal je predstavljeno v poglavju 2.2. in podaja funkcionalni opis le-teh.

V drugem - praktičnem delu pa smo se posvetili razvoju lastnega mikro-prijemala, ki

bazira na vakuumskem principu. Poglavje 3.1 podaja osnovni princip delovanja takega

prijemala, v poglavju 3.2 pa je predstavljen postopek izdelave mikro-prijemala. Rezultati

pa so zbrani v poglavju 4.1.

Poglavje 5. podaja zaključek diplomske naloge in celotno delo zaključi v smiselno celoto.


2 NANOTEHNOLOGIJA

Nanotehnologija je izraz, s katerim označujemo tehnološki razvoj v nanometrskem merilu,

navadno v velikostih od 0,1 nm do 100 nm. Nanotehnologija pomeni manipulacijo, sintezo

in kontrolo na ravni posameznih molekul ali snovi nanometerskih dimenzij.

Nanotehnologija se ukvarja z načrtovanjem, izdelavo in uporabo struktur, naprav in

sistemov na tej skali ter raziskuje obnašanje materialov.

Dosedanji prevladujoč znanstveni način pri raziskavah materialov, ki je vodil k

razumevanju in krojenju njihovih lastnosti, je temeljil prvenstveno na karakterizaciji

materialov na makro in mikro-nivoju (mikrostruktura). Novejši način, ki temelji na

kontroliranem razvoju materialov, omogoča kreiranje tako imenovanih nano-strukturnih

materialov, ki jih določa velikost posameznih gradnikov.

Cilj nanotehnologije je tudi ekonomično sestavljanje izdelkov, pri katerih bi bil vsak

atom na želenem mestu. Razvoj nanotehnologije poteka v smeri izdelave novih vrst

materialov z mnogo boljšimi lastnostmi izdelave hrane, uporabe v medicini, kjer na primer

nano-roboti popravljajo celice, razvoja računalnikov – miniaturizacije, kvantnega

računalništva ter uporabe v vesolju.

Tako se nanotehnologiji pripisuje velik gospodarski potencial. Danes se že več sto

evropskih podjetij ukvarja s komercialno uporabo nanotehnologije in zaposluje več deset

tisoč pretežno visoko kvalificiranih ljudi. Nanotehnologija lahko bistveno prispeva pri

varovanju okolja in zdravja, poleg tega pa odpira nove tržne priložnosti [1].


2.1 Predstavitev nanotehnologije v namene gradnje MEMS

Konec 80 let se je pojavil izraz MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), prvi

komercialni MEMS-i pa so bili na voljo v začetku 90 let. Leto 1984 štejemo za začetek

MEMS tehnologije, ko je bil izdelan prvi MEMS senzor za zaznavanje plinov, uporabljal

pa je resonančni silicijev most. Avtomobilska industrija je bila ena izmed osrednjih

komercialnih gonil za razvoj MEMS tehnologije: potrebovala je zanesljiv in cenen

pospeškometer za proženje zračnih blazin.

Hitra rast tehnologije MEMS je v zadnjih letih ustvarila številne novosti v različnih

panogah, od avtomobilizma in zabavne elektronike, do medicine, farmacije, proizvodnje,

vesoljske tehnologije. Majhnost, velika odzivnost, velika točnost in integracija

pretvornikov skupaj z nadzorno elektroniko so prednosti te tehnologije. Tehnike izdelave

naprav MEMS omogočajo serijsko izdelavo, posledica tega pa so nižji stroški. MEMS

naprave so sestavljene iz delov, velikosti od 1 μm do 100 μm.

MEMS tehnologija omogoča prilagoditev elektronskih vezij, integrirano izvedbo celotnega

sistema, temperaturne kompenzacije, samokalibracije, AD pretvorbe. Možna je tudi

integracija MEMS in mikrokrmilnika, tako da je na enem čipu izdelan povsem avtonomen

mikro-mehanski sistem [2].


2.1.1 Senzor pretoka plina

Osnova delovanja super občutljivega senzorja pretoka plina iz Omrona je zaščitena

tehnologija MEMS. Pri izjemno nizkih vrednostih pretoka lahko meri hitrost in smer plina

in je idealen za zaznavanje nizkotlačnih plinov v medicini, emisije plina iz bojlerjev in

zračnega pretoka v sistemih HVAC (Heating, Ventilating, Air Conditioning).

Omronov senzor (Slika 2.1) omogoča natančen nadzor prisotnosti in kroženja plinov v

okolju na način, ki je bil prej pogosto neekonomičen. Primeren je za merjenje vrednosti

dušikovega dioksida in kisika v dihalnih aparatih v kirurgiji. Lahko ga porabimo tudi za

nadzor vrednosti vnetljivih plinov in zraka za doseganje popolnega izgorevanja.

Uporabimo ga lahko za kontrolo prezračevalnih naprav v zgradbah, oziroma izboljšanje

zmogljivosti in učinkovitosti sistemov klimatizacije ter drugih sistemov [3].

Slika 2.1: Omronov senzor pretoka plina

http://en.wikipedia.org/wiki/Heatinghttp://en.wikipedia.org/wiki/Ventilation_%28architecture%29


2.1.2 MEMS pospeškometer

MEMS pospeškometer (Slika 2.2) se po principu delovanja ne razlikujejo od klasičnih

pospeškometrov. Odlikuje jih visoka resonančna frekvenca, zaradi zelo majhnih mas pa

postane pomemben šum. Tipični MEMS pospeškometer je izdelan iz gibljivega in fiksnega

dela. Če na gibljiv del deluje sila, kot posledica premika celotnega elementa, na gibljivi del

deluje pospešek. Senzor mora biti sposoben meriti sile oziroma premike med gibljivim in

negibljivim delom mikrostrukture. Obstaja več različnih načinov merjenja sile (optični,

piezoelektrični, magnetni) [4].

Slika 2.2: MEMS pospeškometer


2.1.3 MEMS senzorji tlaka

Mikro-senzorji tlaka (Slika 2.3 in Slika 2.4) imajo že več kot tridesetletno zgodovino in so

najbolj razvito področje v MEMS tehnologiji. Največ se uporabljajo v avtomobilski

industriji, pri kontroli industrijskih procesov, mikrofonih, hidravličnih sistemih in v

medicini (npr. za intravenozno merjenje krvnega tlaka). Večina tlačnih senzorjev ima

senzorični element, ki tlak pretvori v neko drugo fizikalno količino [5].

Slika 2.3: MEMS senzor tlaka

Slika 2.4: Senzor tlaka od Fiso Tehnologies


2.1.4 MEMS mikrofon

Nekateri mu tudi pravijo mikrofon čip ali silicijev mikrofon (Slika 2.5). Na tlak občutljiva

membrana je integrirana neposredno v čipu z MEMS tehniko. Običajno je opremljena z

integriranim predojačevalnikom. Delovanje večina MEMS mikrofonov je podobno

delovanju kondenzatorskega mikrofona. Na sliki 2.6 je prikazana membrana MEMS

mikrofona. Njegova majhna dimenzija, enostavno rokovanje in konkurenčna cena so

vzroki za uvajanje MEMS mikrofonov v mobilne telefone [6].

.

Slika 2.5: Velikost MEMS mikrofona

Slika 2.6: Membrana MEMS mikrofona


2.2 Predstavitev poznanih mikro-prijemal

Upogljiva mikro-prijemala so bila narejena za zelo natančno rokovanje z majhnimi

predmeti, manjšimi od 1 mm. V poglavju so predstavljena tri različna prijemala. Na

začetku je predstavljeno prijemalo iz mikro-strukturiranega stekla, ki je proženo s

piezoaktuatorjem. Temu sledi opis termičnega prijemala, ki bazira na krčenju in raztezanju

materiala pod vplivom temperature. Tretji predstavljeni primer pa prikazuje

dielektroforezo, ki bazira na razliki nabojem posameznih manipuliranih predmetov.

2.2.1 Sile na mikro in nano-delec v mediju v električnem polju

Sile, ki delujejo na mikro-delec v mediju v električnem polju (Slika 2.7) so:

FDEP – dielektroforezna sila je gibanje delca kot posledica vpliva nehomogenega

električnega polja na inducirani efektivni dipolni moment delca,

Fgravitacije – sila gravitacije ,

Fvzgon – sila vzgona je nasprotno usmerjena od sile gravitacije,

FDLVO – sila medija na delec (hidrodinamika),

FET – elektrotermična sila,

Ffluid – elektroozmozna sila: delci topila prehajajo iz raztopine z manjšo

koncentracijo topljenca v raztopino z višjo koncentracijo; koncentraciji se na koncu

izenačita,

FWalls – Van der Waalsova sila – je šibka privlačna medmolekularna sila in

Fstoh – stohastična sila.

Slika 2.7: Sile, ki delujejo na mikro ali nano delec v mediju


2.2.2 Predstavitev Piezo mikro-prijemala

Razvito je bilo prijemalo, ki omogoča manipulacijo objektov z velikostjo do 100

mikronov. Prijemalo je izdelano iz mikro-strukturnega stekla z debelino 1 mm, ki ga lahko

obdelujemo s pomočjo postopka, ki se imenuje fotolitografija. To je v bistvu kemijski

postopek podoben jedkanju, s katerim lahko dosežemo natančnost izdelanih struktur

razreda do 2 μm. Izdelati je možno 2½ dimenzionalne strukture, pri čemer nastopijo

omejitve le pri izdelavi tankih linij in lukenj z majhnim premerom (pod 20 μm premera).

Na sliki 2.8 je prikazana idejna zasnova prijemala. Za premikanje vrha prijemala sta

uporabljena dva piezo-aktuatorja z velikostjo 2 mm krat 13 mm in debeline 0,2 mm, ki

deformirata stekleno strukturo. Uporabljena piezo-aktuatorja lahko napajamo z napajalno

napetostjo znotraj intervala ±100 V, pri čemer pomeni drugačna polariteta napetosti

raztezek oziroma skrček aktuatorja.

Slika 2.8: Idejna zasnova Piezo prijemalo


S pomočjo enačbe (2.1) se lahko izračuna maksimalen pomik neobremenjenega aktuatorja.

(2.1)

kjer je:

= maksimalni pomik,

= maksimalna napetost,

d33 = premer in

= pomik.

Pri dejanski uporabi na prijemalu piezo-aktuator ni neobremenjen, saj mora pri svojem

delovanju aktivno deformirati mehanizem, ki je izdelan iz mikro-strukturnega stekla. S

pomočjo testov je bilo ugotovljeno, da je maksimalen pomik obremenjenega aktuatorja

enak 1 μm pri 100 V napajalne napetosti.

Prestavno razmerje prijemala, ki je definirano kot razmerje med pomikom vrha prijemala

in piezo-aktuatorja je enako 60. To pomeni da je maksimalni pomik vrha prijemala enak

60 μm. Pri upoštevanju obeh smeri prijemala je minimalna velikost predmeta, ki ga še

lahko primemo, enaka 30 μm, če je naravna velikost reže 150 μm [7].


2.2.3 Predstavitev termičnih mikro-prijemal

V nadaljevanju predstavljeno prijemalo, izdelano s postopkom mikro-obdelave silicija je

bilo razvito za manipulacijo z nano-cevkami. Pomik čeljusti prijemala bazira na

izkoriščanju raztezanja in krčenja osnovnega materiala ob vplivu temperature. Dobra

lastnost elektro-termičnih prijemal (Slika 2.9) je, da so sposobna proizvesti zelo velike sile

prijemanja ob relativno velikih pomikih. Slabost, ki jo na tem mestu velja omeniti pa je, da

taka prijemala dosežejo maksimalne odklone ob zelo visokih temperaturah (ca. 1700 K).

Visoke temperature prijemala lahko privedejo do taljenja silicija ali pa objekta, s katerim

manipuliramo. Ta vrsta prijemal je zato uporabna zgolj v določenih aplikacijah. Da bi

znižali temperaturo na prijemalu, obstaja možnost kombiniranja elektro-statičnega učinka z

elektro-termičnim, oziroma uporaba zgolj elektro-statičnega. Jasno, se ob tem sile

prijemanja in raztezki prijemala občutno zmanjšajo. Na Sliki 2.9 imamo predstavljeno

termično prijemalo s šestimi prečkami. Glede na različne načine priklopa napetosti lahko

dosežemo različne odklone, smeri odklona in sile na čeljusti prijemala [8].

Slika 2.9: Termično mikro-prijemalo


2.2.4 Dielektroforezno mikro-prijemalo

Dielektrični delec je nevtralen, če na njega ne vpliva električno polje. Če takšen delec

postavimo v električno polje, na naboje znotraj njega deluje Coulombova sila, ki razporedi

naboje znotraj delca. Ta pojav imenujemo polarizacija, delec lahko v električnem smislu

ponazorimo kot električni dipol (Slika 2.10). Električna sila, ki deluje na dipol povzroči

njegovo premikanje v električnem polju.

Električno nevtralen delec

Naboji se razporedijo ob vstavitvi delca v

električno polje

Razporejeni naboj modeliramo kot električni dipol

Na električni dipol deluje sila Qd

Slika 2.10: Električni dipol v električnem polju


Električna sila je privlačna, če sta naboja nasprotnega predznaka in odbojna, če sta naboja

istega predznaka (Slika 2.11).

Slika 2.11: Električni naboji enakega in nasprotnega predznaka

Tako je dielektroforeza pojav, pri katerem se dielektrični delci gibljejo v nehomogenem

električnem polju zaradi polarizacijskega efekta (Slika 2.12).

Slika 2.12: Gibanje polariziranega dielektričnega delca v nehomogenem enosmernem

električnem polju


Ker se dielektrične lastnosti delca s spremembo frekvence signala spreminjajo, lahko z

električnim poljem manipuliramo z delcem.

Iz enačbe (2.2) je razvidno, da večji, kot je delec, večja je sila. Med dielektričnimi

lastnostmi medija in delca mora biti čim večja razlika. Dielektroforezna sila deluje

predvsem na majhnih razdaljah in le v bližini elektrod:

, (2.2)

kjer je:

- dielektrična lastnost delca,

- dielektrična lastnost medija,

r - polmer delca in

- gradient kvadrata električnega polja.

Dielektroforezno prijemalo, ki je bilo narejeno v laboratoriju, je bilo zmožno delec samo

dvigniti in prestaviti, ne pa ga tudi aktivno odložiti. Delovanje dielektroforeznega

prijemala lahko ponazorimo z naslednjim primerom: na ploskev postavimo elektrodo, na

kateri napetost niha z določeno frekvenco. Nato na ploskev postavimo polarizirano

nevtralno telo (Slika 2.13).

Slika 2.13: Elektroda in polariziran nevtralen delec


Elektrine na elektrodi ustvarijo električno polje, s katerim premikamo delec bliže

(Slika 2.14) oziroma stran od elektrode – odvisno od frekvence nihanja napetosti na

elektrodi.

Slika 2.14: Premikanje delca bližje elektrodi

Če je frekvenca dovolj nizka, elektroda delec privlači kot dipol v nehomogenem polju

(Slika 2.15). Če bomo delec odmaknili od elektrode, se bo delec k elektrodi vrnil.

Slika 2.15: Delec in elektroda se privlačita


Če pa frekvenco povečamo, se naboj dipola delca ne more več dovolj hitro obračati

(Slika 2.16) in tako ga polje vedno ujame nekaj časa narobe obrnjenega. Tisti trenutek, ko

je dipol obrnjen nasprotno od smeri polja (Slika 2.17), nanj deluje odbojna sila in ga

premika stran od elektrode. Če delec približamo elektrodi, se bo zopet oddaljil [9].

Slika 2.16: Dipol ne sledi spremembi frekvence

Slika 2.17: Dipol obrnjen nasprotno od smeri polja


Na sliki 2.18 je prikazano neaktivno dielektroforezno prijemalo, na sliki 2.19 pa, kako smo

delec pod vplivom električnega polja približal konici, ki nam je služila kot elektroda.

Slika 2.18: Neaktivno dielektroforezno prijemalo

Slika 2.19: Delec se zaradi električnega polja približa konici


2.2.5 Pnevmatska naprava z aktivno površino

Masovna proizvodnja čipov integriranih vezij in MEMS-ov zahteva bistveno inovacijo pri

masovnem premikanju teh objektov. Do sedaj so se uporabljale robotske roke, kar je

onemogočilo hitro in ceneno premikanje tisoče majhnih čipov na delovni površini, saj je

robotska roka zmožna pobrati, prestaviti in odložiti samo eno komponento naenkrat. Da se

naredi naprava, ki bi bila zmožna masovnega in cenenega premikanja in sortiranja teh

miniaturnih naprav je za komercialni uspeh MEMS komponent bistvenega pomena.

Pnevmatska naprava z aktivno površino (Slika 2.20) je zgrajena iz množice navpičnih

paralelnih cevk z notranjim premerom 0,4 mm. Površina, po kateri se objekt premika je

ravna in gladka. Preko dvopoložajnega ventila krmilimo zračni pretok skozi cevke v eno

ali drugo stran v posamezni cevki, odvisno od tega, ali želimo ustvariti podtlak ali nadtlak.

Če je cevka pokrita z objektom ali ne, ugotovimo z merilci zračnega toka, ki so montirani v

cevkah. PC računalnik nam služi za komunikacijo človek-stroj, s pomočjo

mikrokontrolerjev pa se izvaja krmiljenje ventilov in branje vrednosti zračnega tlaka v

posameznih cevkah.

Slika 2.20: Skica pnevmatske naprave z aktivno površino


Prototip pnevmatske naprave z aktivno površino (Slika 2.21) je zgrajen iz 100-tih cevk in

nam omogoča premikanje in držanje objekta po površini (Slika 2.22), aktivno sproščanje in

obračanje objekta. Senzor oblike delca služi za sortiranje objekta na površini. Naprava

lahko rokuje z objekti poljubnih oblik in aktivno premika več objektov hkrati, na katere

deluje kontrolirana sila.

Slika 2.21: Prototip pnevmatske naprave z aktivno površino

Slika 2.22: Aktivna površina pnevmatske naprave


S pnevmatsko napravo z aktivno površino so bile narejene raziskave za tri različne načine

premikanja: translacija objekta, rotacija objekta in obračanje (Slika 2.23). Za vse tri načine

premikanja je bilo izvedeno v odprti položajni zanki (krmiljenje) in premikanje v zaprti

regulacijski zanki (pozicioniranje). Silo gibanja na objekt ustvari zračni tok, ki se pojavi

med sesajočo in pihajočo cevko (Slika 2.24). Objekt začne drseti proti sesajoči cevki, ko

postane sila zaradi zračnega toka večja od sile trenja med aktivno površino in spodnjo

stranjo objekta. Če je sila trenja večja od sile zračnega toka, si lahko pomagamo tako, da

cevke pod objektom pihajo zrak in s tem zmanjšamo trenje.

Slika 2.23: Obračanje objekta na aktivni površini

Slika 2.24: Osnovni princip premikanja objekta po aktivni površini


Od odprtozančnih algoritmih za krmiljenje objekta po aktivni površini je bila raziskana

tehnika konvergenčnih valov (Slika 2.25). Temne cevke zrak sesajo, svetle cevke pa zrak

pihajo. Konvergenčni valovi se premikajo en za drugim in tako ustvarjajo silo proti

središču, kamor objekt porivajo. Tako se ob koncu objekt nahaja v središču

konvergentnega vala. Slabost te metode je nepredvidena zaustavitev na oviri ali pa se oster

vogal objekta zatakne v cevki in tako ne doseže cilja, niti se ne ve, da cilj ni bil dosežen.

Slika 2.25: Potek konvergenčnega vala

Problem odprtozančnih algoritmov smo rešili tako, da smo vpeljali merjenje položaja

vsakih 100 ms in tako smo lahko predvideli, ali se objekt res giblje v želeni smeri. Poleg

konvergenčnih valov smo uporabili še premikajoče se linije v x-smeri in y-smeri

(Slika 2.26). Dokler objekt ni dosegel želenega položaja, sta se obe liniji pomikale od

dejanskega do želenega položaja in če se je objekt na prvotno zamišljeni poti zataknil, je

algoritem poiskal drugo pot [10].

Slika 2.26: Razlaga zaprtozančnega algoritma translatornega premikanja


2.3 Opis testnega sistema nano-robotske celice

V nadaljevanju bo predstavljen celoten obstoječ sistem za krmiljenje nano-robotske celice.

Kot je prikazano na sliki 2.27, je nano-robotska celica povezana preko krmilnika na

vhodno/izhodno kartico (krmilnik gibanja) vgrajeno v računalnik, ki deluje kot spletni

strežnik na osnovi LabVIEW Real-Time operacijskega sistema. Do strežnika želimo

dostopati z računalnikom, na katerem je nameščen uporabniški vmesnik.

Slika 2.27: Sistem za krmiljenje nano-robotske celice


Nano-robotska celica (slika 2.28) je zgrajena tako, da vsebuje pet linearnih motorjev s

petimi pripadajočimi merilnimi sistemi. Linearni motorji so pritrjeni na kovinsko

konstrukcijo z vodilom za pomik v smeri osi Y. Prva dva motorja služita kot aktuatorja za

pomikanje po X in Y osi, ostali trije motorji pa služijo kot aktuatorji za pomikanje

podajalnih miz po Z osi. Nano-robot vsebuje tudi prijemalo, ki omogoča manipulacijo

predmetov v smeri X in Y osi.

Slika 2.28: Nano-robotska celica


Uporabljeni so linearni piezoelektrični motorji PizoLEGS proizvajalca PizoMotor Upssala

AB (slika 2.29), ki so se na področju mikro in nano-robotike dobro uveljavili. Odlikuje jih

dobra dinamika, zmožnost ustvarjanja majhnih pomikov in premagovanja relativno velikih

sil. Kot slabost pa velja omeniti histerezo piezoelektrika, ki povzroča težave pri

pozicioniranju. Linearni piezoelektrični motor proizvede linearno gibanje z ustreznim

prekrmiljenjem, tako imenovanih piezo nog. Piezo nogi sta dva piezoelektrična aktuatorja,

spojena eden na drugega, ki v odvisnosti od napajalne napetosti proizvedeta romboidno

gibanje vrha teh nog.

Slika 2.29: Linearni piezoelektrični motor

Kadar oba piezoelektrična aktuatorja posamezne noge napajamo istočasno z enako

napetostjo, se bo noga raztegnila. V primeru odstopanja ene izmed napetosti od druge pa se

bo noga ustrezno napetostni razliki ukrivila. V ohišju linearnega piezoelektričnega motorja

se nahaja točno določeno število parov nog, ki z ustreznim vodenjem ustvarijo linearno

koračno gibanje reda nekaj nanometrov. Pri uporabi elektronike (demo krmilnika)

proizvajalca motorjev lahko doseže pomike s hitrostjo do 12,5 mm/s in premaga silo do

6,4 N. Ker pa tukaj ni uporabljena ta elektronika, ampak je bila razvita lastna, znaša

največja možna hitrost motorja 50 mm/s. Standardni motor ima pogonsko palico dolžine

50 mm.


Za merjenje položaja je uporabljen linearni enkoder proizvajalca NANOS Instruments, ki

omogoča nanometersko resolucijo. Deluje po elektromagnetnem principu in ima vgrajeno

balansirano elektroniko, s katero je možno doseči resolucijo do 61 nm, s predpisanim

dovoljenim odstopanjem ± 0,15%. Ima tri kanale (A, B in Z) na katerih lahko v realnem

času odčitavamo trenutno pozicijo. Deluje na TTL nivoju, vse do frekvence 4 MHz.

Magnetna skala je dolžine 50 mm, njena namestitev pa je zavoljo elektronike, ki

kompenzira pozicijska odstopanja pri montaži, relativno enostavna.

Krmilnik služi za krmiljenje posameznih osi oziroma linearnih piezoelektričnih motorjev

nano-robota in prejemanje povratnih informacij z linearnih enkoderjev. Omogoča

krmiljenje vseh petih osi in prijemala, vsebuje pa še tipalo za merjenje temperature

okolice. Krmilne signale za vodenje linearnih piezoelektričnih motorjev prejema iz

vhodno/izhodne kartice PCI7356 (krmilnik gibanja) nameščene v računalniku, ki deluje

kot spletni strežnik. Na to vhodno/izhodno kartico pa pošilja nazaj tudi povratne

informacije iz linearnih enkoderjev.

Krmilnik nano-robota (Slika 2.30) je zgrajen na dveh nosilnih ploščah, ki so izdelane iz

akrilnega stekla. To omogoča lažji dostop do posameznih komponent krmilnika in možnost

nadgradnje ter manjših sprememb na samem krmilniku. Na zgornjo ploščo je nameščenih

pet osnovnih plošč BB035, v katere so vstavljene kartice TMCM090 proizvajalca Trinamic

Motion Control GmbH & Co. KG. Te so bile razvite prav za krmiljenje linearnih

piezoelektričnih motorjev piezoLEGS. Na zgornji levi strani zgornje nosilne plošče se

nahaja stikalni napajalnik, ki služi za napajanje osnovnih plošč BB035 (napajalna napetost

znaša 48V). Na zgornji desni strani zgornje nosilne plošče pa se nahaja razdelilna omarica,

kjer so zbrani vsi signalni in napajalni kabli. Na spodnji nosilni plošči so nameščene

stikalna kartica, kartica za merjenje temperature in modul za napajanje oziroma krmiljenje

prijemala. Stikalna kartica je zgrajena na osnovi optokoplerjev TLP521-4. Polovica kartice

je namenjena avtomatski izbiri resolucije, saj optokoplerji delujejo kot stikala in

nadomeščajo mostičke (jumper-je) na osnovnih karticah BB035. Referenčni signal (index

– Z) iz enkoderjev pa je speljan preko druge polovice optokoplerjev. Referenca enkoderjev

je neposredno povezana preko optokoplerjev na vhod (HOME) krmilnika gibanja ali

vhodno/izhodne kartice PCI7356.


Kartica namenjena merjenju temperature je zgrajena na osnovi temperaturnega tipala

PT1000 in izvoru konstantnega električnega toka. Napajanju oziroma krmiljenju

piezoelektričnega aktuatorja na prijemalu služi relejski modul, ki ga napaja z napetostjo

± 100 V.

Slika 2.30: Krmilnik nano-robota


Za izvajanje krmilnih algoritmov v realnem času je uporabljen namizni računalnik, ki ima

vgrajen dvojederni procesor. Deluje na osnovi LabVIEW Real-Time operacijskega sistema

(RealTime Desktop Target) in zgrajenega uporabniškega vmesnika. Ta operacijski sistem

omogoča med drugim tudi, da računalnik deluje kot spletni strežnik (Slika 2.31).

Vgrajeno ima vhodno/izhodno kartico PCI7356 (krmilnik gibanja) proizvajalca National

Instruments, ki služi kot vmesnik med uporabniškim vmesnikom zgrajenim v LabView

okolju (krmilnim algoritmom) in krmilnikom nano-robota. Krmilniku pošilja krmilne

signale za krmiljenje posameznih osi nano-robota in z njega sprejema povratne informacije

o njihovem dejanskem položaju [11,12].

Slika 2.31: Spletni strežnik z operacijskim sistemom LabVIEW Real-Time

in vhodno/izhodno kartico PCI7356


3 IZDELAVA MIKRO VAKUUMSKEGA PRIJEMALA

Na podlagi študije mikro-prijemal, ki so bila omenjena v prejšnjem poglavju in tehnologije

prisotne v Laboratoriju za kognitivne sisteme v mehatroniki, smo se odločili, da naredimo

prijemalo, ki bo s pomočjo vakuuma dvignil mikro-delec in ga premaknil na drugo mesto.

Prijemalo je sestavljeno iz ogrodja (Slika 3.1), v katerem je nameščena mikro-cevka, ki se

uporablja za pretok zraka v eno ali drugo smer, odvisno, ali želimo ustvariti podtlak ali

nadtlak. Zračni pretok skozi cevko se krmili preko dvopoložajnega ventila. Za mikro-

cevko smo uporabili steklene kapilare z notranjim premerom 83 μm oziroma 135 μm.

Slika 3.1: Mikro-vakuumsko prijemalo


3.1 Osnovni princip delovanja mikro-vakuumskega prijemala

V odvisnosti od pogojev, prihaja pri gibanju fluidov v mikro cevkah do različnih oblik

toka. Profil pretočne hitrosti medija je odvisna od vrednosti Reynoldsovega števila (3.1),

torej od pretočne hitrosti, dimenzije mikro-cevke, ter viskoznosti medija. Pojavijo se lahko

dve obliki hitrostnega profila: laminarni tok (Slika 3.2) in turbolentni tok (Slika 3.3).

Slika 3.2: Laminarni tok

Slika 3.3: Turbolentni tok

ReDv D

, (3.1)

kjer je:

v - srednja vrednost hitrosti,

- dinamična viskoznost,

- gostota merilnega medija in

D - premer cevke.


Če imamo opravka z laminarnim tokom, je vrednost Reynoldsovega števila majhna

(ReD < 2300), to pomeni velik vpliv sil notranjega trenja. Pri turbolentnem toku pa je

vrednost Reynoldsovega števila večja (ReD > 2300), vendar ta meja ni ostra, ampak nam

pove, da oblikovan laminarni tok ostane stabilen pri ReD < 2300 in da oblikovan

turbolentni tok ostane stabilen pri ReD > 2300.

Fluid se pri laminarnem toku giblje v plasteh. Smer gibanja fluida je enaka v plasteh in

znotraj posamezne plasti. Tlačne izgube so linearno proporcionalne povprečni hitrosti v

mikro-cevki. Vstopna hitrost je manjša od končne laminarne hitrosti in tudi trenje je v

začetnem območju mikro-cevke drugačno, kakor v nadaljevanju. Hitrost laminarnega toka

ima obliko parabole, saj se hitrost zaradi trenja fluida ob stene mikro-cevke zmanjša.

Če se pretočna hitrost v nekem trenutku zaradi trenja ob stenah mikro-cevke poveča, se

oblikuje pretočno vrtinčenje zaradi odvajanja toka od sten. Tako se oblikuje turbulentni

tok. Tokovnice se med seboj prepletajo, posamezni delci imajo že blizu stene cevke

sorazmerno veliko hitrost, tako da ta ni dosti manjša od hitrosti delcev v sredini cevke [13].


3.2 Opis postopka izdelave mikro-vakuumskega prijemala

Izdelava mikro-cevk se je pričela z rezanjem le teh, vendar smo morali pred rezanjem

najprej odstraniti vso zaščito. Vsaka steklena kapilara ima vsaj primarno akrilno zaščito, ki

stekleni del ščiti pred praskami. Pri upogibanju kapilare nastanejo v steklu veliki pritiski in

vsakršna, še tako majhna zareza na površini stekla se takoj razširi v popolno razpoko preko

celotnega preseka vlakna. Gola steklena kapilara bi bila zato v praksi povsem neuporabno.

Primarno zaščito in ostale zaščitne sloje lahko odstranimo na vsaj tri načine: mehansko, z

ustreznimi kleščami (Slika 3.4), kemično, z ustreznim topilom ali toplotno, z vročo konico

spajkalnika. Uspešnost rezanja preverimo pod mikroskopom v varilniku za optična vlakna.

Če z rezultatom rezanja nismo zadovoljni, postopek ponovimo.

Slika 3.4: Klešče za odstranjevanje primarne zaščite


Na sliki 3.5 je primer mikro-cevke odrezana z navadnimi kleščami. Cevka je počila in je

zato neuporabna. Zato smo morali uporabili posebno rezilo za rezanje optičnih vlaken. Iz

slike 3.6 je razvidno, da nam cevka ni počila in dobili smo lepši rez. Dolžina cevk je bila

približno 2 cm.

Slika 3.5: 135 μm cevka odrezana z navadnimi kleščami

Slika 3.6: 135 μm cevka odrezana z rezilom za optična vlakna


Naslednji korak je bil brušenje cevk. Da se ustvari vakuum, mora biti rez zelo raven.

Brusili smo z finim diamantnim brusnim papirjem. Na sliki 3.7 je primer zbrušene 135 μm

cevke.

Slika 3.7: 135 μm cevka po brušenju


Za brušenje cevke smo porabili veliko časa in še vedno nismo dobili čistega reza. Poleg

tega se na sliki 3.8 vidi, koliko prahu se je nabralo v cevki zaradi brušenja.

Odločili smo se, da uporabimo vlakno z manjšim premerom. Notranji premer je bil 83 μm.

Slika 3.8: Prah v 135 μm cevki

Pri 83 μm cevki nismo imeli teh težav, saj je iz slike 3.9 razvidno, da je rez raven. Tako teh

cevk ni bilo potrebno brusiti.

Slika 3.9: Odrezano 83 μm vlakno


4 REZULTATI

To poglavje predstavlja rezultate testiranj na realnem laboratorijskem objektu nano-

robotske celice, predstavljene v poglavju 2.3, s pomočjo prijemala predstavljenega v

poglavju 3. Za potrebe testiranj smo morali laboratorijskemu sistemu dograditi vakuumski

sistem. Tega smo zgradili na osnovi vakuumskega modula FESTO VADM-45-P. Podtlak

modula je nastavljiv v območju od -0.1 do 0.99 Bar-a. Testiranja so pokazala, da ta tlak

dejansko leži med -0.2 in 0,85 Bar-a. Ker je modul načrtovan za uporabo v industrijskih

aplikacijah, mora biti napajan s konstantnim virom zraka, nazivnega tlaka 8 Bar-ov. Tega

zagotavljamo s kompresorjem HERCULES 200/10/24, ki je sposoben zagotoviti 10 Bar-ov

tlaka ob nazivnem pretoku180 l/min. Sistem je dopolnjen še z bistabilnim ventilom FESTO

CPE14-M1BH-5J-1/8, ki omogoča da s prijemalom sesamo ali izpihujemo. V primeru

izpihovanja je tlak izpihovanja nastavljiv od 0 do 9 Bar-ov s pomočjo tlačnega regulatorja

FESTO LRMA-QS-4. Poizkusi na omenjenem sistemu so bili opravljeni na cevkah dveh

različnih premerov, dveh različnih dolžin ter matriko 40-ih cevk.


4.1 135 mikronska eno-cevna varianta

V ogrodje prijemala smo vstavili 135 μm vlakno. Za mikrodelec smo uporabili košček

sladkorja velikosti približno 500 µm. S pomočjo petih linearnih motorjev smo se s

prijemalom pomaknili nad mikrodelec. Pomaknili smo se še po z osi in tako smo se

približali mikrodelcu. Ko smo bili dovolj blizu, da smo premagali silo gravitacije, se je

delec prisesal na mikro-cevko (slika 4.1) in tako se je ustvaril podtlak. Delec smo lahko

prestavili na novo mesto.

Slika 4.1: S pomočjo vakuuma dvignjen mikrodelec


Ko smo hoteli mikrodelec odložiti, smo izklopili vakuumski modul. Njegova teža je bila

dovolj velika, da je bila gravitacijska sila večja od adhezivne sile. Tako smo delec brez

težav lahko odložili na želeno mesto (slika 4.2).

Slika 4.2: Odložen mikrodelec


4.2 83 mikronska eno-cevna varianta

Pri 83 μm cevki smo cel postopek ponovili z razliko, da so mikrodelci bili še manjši. Za

mikrodelec smo uporabili moko in sladkor. Tudi te mikrodelce smo lahko s pomočjo

vakuuma dvignili, kot je razvidno iz slike 4.3. Težava pa je nastala, ko jih je bilo potrebno

odložiti. Ker je bila sila gravitacije manjša od adhezivne sile, je mikrodelec ostal na

prijemalu in ga nismo mogli odložiti (Slika 4,4). To smo hoteli rešili z izpihovanjem delca

s cevke, vendar nam je delce moke odpihnilo, delce sladkorja pa nam je včasih uspelo

odložiti ob minimalnem tlaku pihanja.

Delce, ki so bili manjši od premera mikro-cevke smo posesali, zato manjših delcev od

83 µm nismo smeli uporabljati. Razdalja, pri kateri se je delec prisesal na mikro-cevko je

bila veliko manjša, kot pa pri 135µm cevki.

Slika 4.3: S pomočjo vakuuma dvignjen mikro-delec


Slika 4.4: Mikro-delci ostali na prijemalu

4.3 135 mikronska podaljšana varianta

Poizkus podaljšane mikro-cevke je bil narejen z namenom, da bi ugotovili, do katere

dolžine lahko podaljšamo cevko, da sistem prijemala še deluje.

Izvedba podaljšanje cevke je bila zelo otežena, saj pri upogibanju vlakna nastanejo v steklu

veliki pritiski.

Problem je nastal tudi pri montaži cevke v ogrodje prijemala. Ker je cevka krhka, je že zelo

majhna sila povzročila zlom le-te in tako je bila cevka neuporabna.

Ugotovili smo, da se že ob majhni spremembi dolžine znatno zmanjša podtlak. Sistem je

deloval do dolžine cevke približno 50 mm, a še to z zelo zmanjšanim podtlakom.


4.4 135 mikronska matrika cevk

Za izdelavo matrike cevk smo se odločili, ker so do sedaj predstavljena prijemala bila

zmožna dvigniti, prestaviti in odložiti le en delec na enkrat, kar onemogoči hitro in

masovno premikanje delcev.

Ideja matrike cevk je bila, da bi zračni pretok skozi cevke individualno krmilili preko

dvopoložajnega ventila. Tako bi ventil vodil skozi cevko zračni pretok v eno ali drugo

stran, odvisno od tega, ali je dvopoložajni ventil povezal cevko z regulatorjem nadpritiska

ali podpritiska. Tako bi lahko spremenili orientacijo mikrodelca direktno na prijemalo.

Cilj izdelave je bil narediti čim bolj raven in gladek zgornji del cevk, to je površina, po

kateri se mikrodelci premikajo.

Matrika cevk je zgrajena iz 40-ih navpičnih paralelnih mikro-cevk z notranjim premerom

135 µm in dolžino približno 20 mm. Izdelava teh cevk je bila kompleksna in dolgotrajna,

saj je bilo potrebno vsako cevko posebej polirati, da bi bile vse cevke enake dolžine.

Problem se je pojavil tudi pri sestavljanju in poravnavi cevk. Težava pri lepljenju cevk je

bila, da je lepilo zamašilo nekatere cevke. Iz slike 4.5 je razvidno, da površina zgornjega

dela cevk ni gladka in ravna. Ko smo delec dvignili, se je prijel na cevko, ki je najbolj

štrlela iz matrike.

Slika 4.5: Matrika 40 cevk


5 SKLEP

V začetku diplomskega dela smo najprej opisali pojme kot so nanotehnologija, nano-

robotika, MEMS, kjer smo tudi opisali nekaj senzorjev MEMS tehnologije.

Naredili smo pregled trenutno aktualnih prijemal. Opisali smo njihovo delovanje ter

prednosti in slabosti le teh. V nadaljevanju smo opisali strojno in aparaturno opremo, ki

smo jo uporabljali. Predstavili smo nano-robotsko celico, krmilnik nano-robota, spletni

strežnik s krmilnikom gibanja PCI7356 in osebni računalnik. Nato smo opisali osnovni

princip delovanja lastnega vakuumskega mikro-prijemala. Podrobneje smo predstavila

tehnologijo izdelave lastnega mikro-prijemala. Na koncu smo še napisali ugotovitve in

rezultate vakuumskega prijemala.

Strojna in programska oprema testnega sistema je že bila na voljo ob pričetku diplomskega

dela. Nano-robotska celica in pripadajoči krmilnik nano-robota sta bila razvita v

laboratoriju za kognitivne sisteme v mehatroniki. Prav tako pa je že bil implementiran

računalnik, na katerem teče spletni strežnik z vhodno/izhodno kartico PCI7356 (krmilnik

gibanja). Naša naloga je bila narediti mikro-prijemalo, ki bazira na vakuumskem principu.

Za mikro-cevko smo uporabili stekleno kapilaro. Poizkuse smo naredili s cevkami z

notranjim premerom 135 µm in 83 µm. Raziskali smo, kako vpliva dolžina cevke na

podtlak in kako deluje matrika 40-ih cevk.

Razvoj in izdelava mikro-prijemala je bilo kompleksno, saj imamo opravka z mikro in

nano-svetom in tako nimamo dobre predstave in občutka, kaj se dejansko dogaja v tem

svetu.

Pred rezanjem smo morali kapilaram odstraniti primarno zaščito, posledica tega pa je bila

krhkost cevke.


Pri testiranju smo prišli do ugotovitve, da večji, kot je premer cevke, večji je podtlak, zato

je lahko delec bolj oddaljen od prijemala. Delce, ki so bili manjši od premera cevk smo jih

posesali, delce, ki so bili preveliki in pretežki, pa se niso prijeli na cevko. Raziskali smo

tudi, kako vpliva dolžina cevke na podtlak. Ugotovili smo, da se že ob majhni spremembi

dolžine znatno zmanjša podtlak. Sistem je deloval do dolžine cevke približno 50mm, a še

to z zelo zmanjšanim podtlakom.

Pri izdelavi matrike cevk se je pojavil problem pri sestavljanju in poravnavi cevk. Zgornji

del cevk ni bil raven, pri lepljenju pa so se nekatere cevke zamašile. Delec se je prisesal na

cevko, ki je najbolj štrlela iz matrike. V matriki cevk vidim prihodnost, vendar bi bilo

potrebno razviti tehnologijo za sestavljanje matrike in brušenje prisesalne površine,

posebej še, če bi razvili sistem za krmiljenje pretoka fluida in merjenje pritiska v vsaki

posamezni cevki neodvisno (glej podpoglavje 2.3.4). V tem primeru bi lahko mikro objekt

tudi rotirali okoli ene osi na prijemalu, kar predstavlja dodatno prostostno stopnjo nano-

robota.

Nadaljevanje razvoja teh prijemal vidimo predvsem pri boljši mehanski izvedbi samega

prijemala. V nalogi smo prijemala preizkušali prototipno, prototipe pa izdelovali z

omejeno tehnologijo. V prihodnosti bi se vsekakor veljalo posvetiti izvedbi poizkusov s

cevkami manjšega nazivnega premera. Prav tako velja raziskati področje fiksiranja in

pritrditve posamezne cevke na prijemalu, ki je za samo delovanje prijemala ključnega

pomena. Poiskati velja rešitev pritrditve, ki bi napajalni tlak privedla čim bliže mikro-

cevki, na način, da ves čas ne bi delali v strahu pred lomom cevke.

Diplomska naloga podaja osnovne smernice za nadaljnji razvoj mikro-vakuumskih

prijemal.


6 LITERATURA

[1] http://www.nanosvet.com/Nanotehnologija/nanotehnologija.htm/.

[2] http://www.sl.articlesphere.com/Article/.

[3] Miel elektronika, D&F, superobčutljivi MEMS senzor pretoka plina iz Omrona,

Svet elektronike (2003).

[4] http://lbm.fe.uni-lj.si/Uporaba_ADXL.htm.

[5] http://electronicdesign.com/Articles.

[6] M. Kosmatin, Akustični senzorji, Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana 2009.

[7] G. ŠKORC, J. ČAS, S. BREZOVNIK, R. ŠAFARIČ: Simulacija nano robotske

celice s podporo za 6D-HID. V: ZAJC, Baldomir (ur.), TROST, Andrej (ur.).

Zbornik sedemnajste mednarodne Elektrotehniške in računalniške konference ERK

2008, 29. september - 1. oktober 2008, Portorož, Slovenija, (Zbornik ...

Elektrotehniške in računalniške konference ERK ...). Ljubljana: IEEE Region 8,

Slovenska sekcija IEEE, 2008, zv. A, str. 245-248.

[8] Karin Nordstr¨om Andersen, D. H. Petersen, K. Carlson, K. Mølhave, Ozlem

Sardan, A. Horsewell,Volkmar Eichhorn, Sergej Fatikow, Member, IEEE, and Peter

Bøggild, Multimodal Electrothermal Silicon Microgrippers for Nanotube

Manipulation.

[9] http://jacob.fe.uni-lj.si/slo/electricity/index.html.

http://www.nanosvet.com/Nanotehnologija/nanotehnologija.htm/


[10] S. Uran, R. Šafarič: Naprava s pnevmatično aktivno površino, Tehnike krmiljenja

gibljivih predmetov = A pneumatic active-surface device: control techniques for

flexible objects. Strojniški vestnik, 2002, Vol. 48, No. 6, pp. 332-354.

[11] Zapušek S., Krmiljenje nanorobotske celice s haptično napravo : diplomsko delo,

Maribor 2009.

[12] G. ŠKORC, J. ČAS, S. BREZOVNIK, R. ŠAFARIČ, Development of a nano

robotic cell. V: 18th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube

Region, Brasov, Romania, May 25-27, 2009. RAAD 2009 : [proceedings].

[Bucharest]: CIMR, cop. 2009, 6 str.

[13] D. Đonlagić, D. Đonlagič: Merjenje pretokov fluidov, Fakulteta za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko, Maribor 1998, str: 14,15,412.


Naslov

Nina Božič

Petrovče 131

3301 Petrovče

GSM: 040/611-641

E-mail: [email protected]

Kratek življenjepis

Ime in priimek: Nina Božič

Rojena: 10.5.1985

Osnovna šola: 1992 - 2000, OŠ Petrovče

Srednja šola: 2000 - 2004, Šolski center Velenje, Poklicna in tehnična elektro

in računalniška šola

Fakulteta: 2004 - 2009, FERI Maribor, VS, elektrotehnika - avtomatika


IZJAVA:

Spodaj podpisana Nina Božič izjavljam, da sem diplomsko nalogo napisala sama in se

zavedam morebitnih posledic v primeru kršitve.

Podpis:

Documents

Nina Božič - COnnecting REpositories · 2018. 8. 24. · Nina Božič Diplomska naloga 2 2 NANOTEHNOLOGIJA Nanotehnologija je izraz, s katerim označujemo tehnološki razvoj v nanometrskem