Een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuwe op licht gebaseerde manipulatiemethode ontwikkeld die ooit zou kunnen worden gebruikt om elektronische componenten voor smartphones massaal te produceren, computers en andere apparaten. Een goedkopere en snellere manier om deze componenten te produceren, zou het goedkoper kunnen maken om alledaagse voorwerpen - van kleding tot huishoudelijke apparaten - met internet te verbinden, het bevorderen van het concept dat bekend staat als het internet der dingen. De micromanipulatietechniek kan ook worden gebruikt om een ​​veiligere en snellere vervanging voor batterijen van mobiele apparaten te creëren.

optische vallen, die licht gebruiken om kleine voorwerpen in vloeistof vast te houden en te verplaatsen, zijn een veelbelovende contactloze methode voor het assembleren van elektronische en optische apparaten. Echter, bij gebruik van deze vallen voor productietoepassingen, de vloeistof moet worden verwijderd, een proces dat de neiging heeft om elk patroon of elke structuur die is gevormd met behulp van een optische val te verplaatsen.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , onderzoekers in Steven Neale's Micromanipulation Research Group, Universiteit van Glasgow, Schotland, beschrijven hun methode voor het gebruik van een geavanceerde optische trapping-aanpak die bekend staat als opto-elektronische pincetten om elektrische contacten te assembleren. Dankzij een innovatieve vriesdroogmethode ontwikkeld door Shuailong Zhang, een lid van Neale's onderzoeksgroep, de vloeistof kon worden verwijderd zonder de geassembleerde componenten te verstoren.

"De krachten die door deze opto-elektronische pincetten worden gevormd, zijn vergeleken met Star-Trek-achtige trekstralen die objecten door een medium kunnen bewegen zonder dat iets ze aanraakt. "zei Neale. "Dit roept beelden op van assemblagelijnen zonder robotarmen. In plaats daarvan, discrete componenten assembleren zichzelf bijna magisch als ze worden geleid door de patronen van licht."

De onderzoekers demonstreerden de techniek door een patroon van kleine soldeerkralen samen te stellen met een opto-elektronische val, het verwijderen van de vloeistof, en dan het patroon verhitten om de kralen aan elkaar te smelten, elektrische verbindingen vormen. Ze gebruikten de soldeerkralen om aan te tonen dat in de toekomst, deze microdeeltjes zouden kunnen worden geassembleerd en gefuseerd om elektrische verbindingen te maken.

"Opto-elektronische pincetten zijn kosteneffectief en maken parallelle micromanipulatie van deeltjes mogelijk, " zei Zhang, die nu aan de Universiteit van Toronto in Canada zit. "In principe, we kunnen 10 verplaatsen, 000 kralen tegelijk. Door dit te combineren met onze vriesdroogaanpak ontstaat een zeer goedkoop platform dat geschikt is voor gebruik in massaproductie."

Verbeterde productie van elektronica

De nieuwe techniek zou een alternatieve manier kunnen zijn om de printplaten te maken die de componenten in de meeste hedendaagse elektronica verbinden. Dit soort apparaten worden momenteel gemaakt met behulp van geautomatiseerde machines die kleine onderdelen oppikken, plaats ze op de printplaat en soldeer ze op hun plaats. Dit proces vereist een dure gemotoriseerde fase om het bord te positioneren en een kostbare, zeer nauwkeurige robotarm om de kleine onderdelen op te pakken en op het apparaat te plaatsen. De kosten van deze micromanipulatiesystemen blijven stijgen naarmate de krimpende omvang van elektronica de precisie-eisen verhoogt.

"Het opto-elektronische pincet en de vriesdroogtechniek kunnen worden gebruikt om niet alleen soldeerkralen te assembleren, maar ook om een ​​breed scala aan objecten te assembleren, zoals halfgeleider nanodraden, koolstof nanobuisjes, microlasers en microLED's, "zei Zhang. "Uiteindelijk, we willen deze tool gebruiken om elektronische componenten zoals condensatoren en weerstanden te assembleren, evenals fotonische apparaten, zoals lasers en leds, samen in een apparaat of systeem."

Deeltjes vangen met opto-elektronische manipulatie

De onderzoekers gebruikten opto-elektronische pincetten omdat deze optische manipulatiebenadering duizenden vallen tegelijk kan vormen, biedt het potentieel van massaal parallelle montage. Het pincet wordt gevormd met behulp van een laag silicium die zijn elektrische geleidbaarheid verandert bij blootstelling aan licht. In de gebieden die zijn blootgesteld aan lichtpunten, een niet-uniform elektrisch veld vormt dat interageert met deeltjes of kralen in een vloeibare laag bovenop het silicium, waardoor de deeltjes precies kunnen worden verplaatst door het lichtpunt te verplaatsen. Door patronen van lichtpunten te creëren, kunnen meerdere deeltjes tegelijkertijd worden verplaatst.

"Met onze methode we kunnen soldeerkralen verplaatsen van het nanometerbereik tot ongeveer 150 micron, " zei Zhang. "We hebben objecten kunnen verplaatsen die groter zijn dan 150 micron, maar het is een grotere uitdaging omdat naarmate het object groter wordt, de wrijvingskracht neemt ook toe."

Na gebruik van het opto-elektronische pincet om een ​​patroon met een diameter van 40 micron te assembleren, in de handel verkrijgbare soldeerparels, de onderzoekers bevroor de vloeistof in het opto-elektronische pincet en verlaagden vervolgens de omgevingsdruk om de bevroren vloeistof direct van een vaste stof in een gas te laten veranderen. Door deze vriesdroogbenadering konden de geassembleerde soldeerkralen op hun plaats blijven nadat de vloeistof was verwijderd. De onderzoekers zeggen dat het kan worden gebruikt om vloeistof te verwijderen die wordt gebruikt met elk type optische val, of zelfs vallen gevormd met akoestische golven.

Naast het assembleren van de soldeerkralen in verschillende lijnen, de onderzoekers demonstreerden ook parallelle assemblage van verschillende kralen en gebruikten de kralen om elektrische verbindingen te vormen. De soldeerkralen vertonen een sterke diëlektrische kracht, wat betekent dat ze nauwkeurig en snel kunnen worden verplaatst, waardoor een zeer efficiënte montage van constructies mogelijk is.

De onderzoekers werken er nu aan om van hun laboratoriumgebaseerde systeem een ​​systeem te maken dat het opto-elektronische pincet en het vriesdroogproces in één enkele eenheid zou combineren. Ze ontwikkelen ook een software-interface om het genereren van een lichtpatroon te regelen op basis van het aantal deeltjes dat moest worden opgevangen.

"We gebruiken nu een computer om het lichtpatroon te genereren om de kralen te verplaatsen, maar we werken aan een app waarmee in plaats daarvan een tablet of smartphone kan worden gebruikt, "zei Zhang. "Hierdoor kan iemand weg van het systeem gaan zitten en zijn vinger gebruiken om de bewegingen van de deeltjes te regelen, bijvoorbeeld."

Neale ontving onlangs financiering om deze onderzoekslijn voort te zetten door gebruik te maken van de nieuwe optische micromanipulatiebenadering om condensatoren met hoge energiedichtheid te creëren om batterijen in mobiele apparaten te vervangen.