Droplet self-alignment: High-precision robotic microassembly and self-assembly

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2012-06-29
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2012
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
153
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 69/2012
Abstract
Droplet self-alignment is a microassembly process where the surface tension of liquid aligns microparts to a substrate. Traditionally, solder has been used, but using unconventional liquids, such as water or adhesives in air, has several attractive properties. Water is compatible with most materials and processes, it is easy to achieve good droplet confinement and it evaporates quickly. Adhesives have the ability to make irreversible bonding. Nevertheless, achieving adhesive droplet self-alignment is difficult, because adhesives generally have a small surface tension. Both liquids can be adapted to low temperature processes. This thesis describes water droplet self-alignment in high detail, by measuring yield, accuracy, capabilities to build complex structures, and speed of the process. Experiments have been done using an environment-controlled microassembly station and recorded using high-speed microscopy. The results show that droplet self-alignment can achieve industrially relevant performance, and the results may be used as a basis of future process design rules. A new, microfabricated silicon capillary gripper has been developed, which picks microparts using the surface tension of water. Pick-and-place experiments showed that microparts are self-aligned to the tool by droplet self-alignment. The developed gripper enables handling microparts accurately and delicately. Finally, new patterned oleophilic / oleophobic surfaces have been developed that enable self-alignment using oil-like liquids, including low-temperature curable adhesives. Self-alignment using an industrial adhesive on the patterns was demonstrated. While this surface was used for droplet self-alignment, a micropatterned oleophilic / oleophobic surface may well have other applications outside droplet self-alignment.

Pisaran itsekohdistus on mikrokokoonpanoprosessi, jossa nesteen pintajännitys kohdistaa mikrokokoisia kappaleita alustalle. Perinteisesti nesteenä on käytetty juotetta. Epätavanomaisten nesteiden, kuten veden tai liiman, käyttö ilmassa on useilla tavoilla houkuttelevaa. Vesi on yhteensopiva useimpien materiaalien ja prosessien kanssa. On helppo valmistaa pintoja, jotka rajaavat veden kostumista. Lisäksi vesi haihtuu nopeasti. Liimat taas pystyvät muodostamaan pysyvän liitoksen. Liimapisaraan perustuva itsekohdistus on kuitenkin hankalaa, koska liimoilla on pieni pintajännitys. Molempia nesteitä voidaan käyttää matalissa lämpötiloissa. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin vesipisaraan perustuvaa itsekohdistusta mittaamalla sen saantoa, tarkkuutta, kykyä rakentaa monimutkaisia rakenteita ja nopeutta. Kokeita on tehty mikrokokoonpanoasemalla, joka sijaitsee olosuhteiltaan säädellyssä kammiossa. Kokeet nauhoitettiin suurnopeusmikroskoopilla. Tulokset näyttävät, että pisaraan perustuvalla itsekohdistuksella voidaan saavuttaa teollisesti merkittävä tehokkuus, ja tuloksia voidaan hyödyntää tulevaisuuden prosessisuunnittelun pohjana. Lisäksi väitöskirjatyössä on kehitetty uudentyyppinen, piipohjainen kapillaaritarttuja, joka poimii mikrokappaleita veden pintajännitystä käyttäen. Poimintakokeissa osoitettiin, että kappaleet itsekohdistuvat työkaluun pisaran avulla. Tarttuja mahdollistaa mikrokappaleiden käsittelyn tarkasti ja niitä vahingoittamatta. Väitöskirjassa näytetään myös, että kuvioituja oleofobisia / oleofiilisiä pintoja voidaan käyttää liimapisaraan perustuvassa itsekohdistuksessa. Itsekohdistus näytettiin kokeellisesti käyttäen kaupallista liimaa ja kehitettyä pintaa. Vaikka kyseistä pintaa käytettiin itsekohdistukseen, kuvioidulla oleofobisella / oleofiilisellä pinnalla voi hyvin olla muitakin sovelluksia.
Description
Supervising professor
Koivo, Heikki, Professor
Thesis advisor
Zhou, Quan, Adjunct Professor
Keywords
droplet self-alignment, microassembly, self-assembly, oleophobic, wetting, surface tension, pisaran itsekohdistus, mikrokokoonpano, itsekokoonpano, oleofobinen, kostuminen, pintajännitys
Parts
  • [Publication 1]: Veikko Sariola, Quan Zhou, and Heikki N. Koivo, “Hybrid microhandling: A unified view of robotic handling and self-assembly,” J. Micro-Nano Mechatronics, vol. 4, no. 1, pp. 5-16, 2008.
  • [Publication 2]: Veikko Sariola, Mirva Jääskeläinen, and Quan Zhou, “Hybrid microassembly combining robotics and water droplet self-alignment,” IEEE Transactions on Robotics, vol. 26, no.6, pp. 965-977, 2010.
  • [Publication 3]: Veikko Sariola, Quan Zhou, and Heikki N. Koivo “Three Dimensional Hybrid Microassembly Combining Robotic Microhandling and Self-Assembly,” in Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, ICRA’09, pp.2605-2610, 12-17 May 2009.
  • [Publication 4]: Mirva Jääskeläinen, Veikko Sariola, and Quan Zhou, “Environmental effects on droplet self-alignment assisted hybrid microassembly,” in Proc. IEEE Int. Symp. Assembly and Manufacturing, ISAM’09, pp. 177-182, 2009.
  • [Publication 5]: Bo Chang, Veikko Sariola, Mirva Jääskeläinen, and Quan Zhou, “Self-alignment in the stacking of microchips with mist-induced water droplets,” J. Micromechanics and Microengineering, vol. 21, no. 1, 2011.
  • [Publication 6]: Veikko Sariola, Ville Liimatainen, Tatu Tolonen, Reidar Udd, and Quan Zhou, “Silicon Capillary Gripper With Self-alignment Capability,” in Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, ICRA’11, pp. 4098-4103, May 2011.
  • [Publication 7]: Bo Chang, Veikko Sariola, Susanna Aura, Robin H. A. Ras, Maria Klonner, Harri Lipsanen, and Quan Zhou, “Capillary-driven Self-assembly of Microchips on Oleophilic/Oleophobic Patterned Surface Using Adhesive Droplet in Ambient Air,” Applied Physics Lett., vol. 99, no. 3, 2011.
Citation