Ny tilgang bruger lys i stedet for robotter til at samle elektroniske komponenter

Et internationalt team af forskere har udviklet en ny lysbaseret manipulationsmetode, der en dag kan bruges til at masseproducere elektroniske komponenter til smartphones, computere og andre enheder. En billigere og hurtigere måde at producere disse komponenter på kunne gøre det billigere at forbinde hverdagsgenstande – fra tøj til husholdningsapparater – til internettet, fremme konceptet kendt som tingenes internet. Mikromanipulationsteknikken kan også bruges til at skabe en sikrere og hurtigere opladning af batterier til mobilenheder.

Optiske fælder, som bruger lys til at holde og flytte små genstande i væske, er en lovende berøringsfri metode til samling af elektroniske og optiske enheder. Imidlertid, når du bruger disse fælder til fremstillingsapplikationer, væsken skal fjernes, en proces, der har tendens til at fortrænge ethvert mønster eller struktur, der er blevet dannet ved hjælp af en optisk fælde.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , forskere i Steven Neales Micromanipulation Research Group, University of Glasgow, Skotland, detaljer om deres metode til at bruge en avanceret optisk fangstmetode kendt som optoelektronisk pincet til at samle elektriske kontakter. Takket være en innovativ frysetørringsmetode udviklet af Shuailong Zhang, medlem af Neales forskningsgruppe, væsken kunne fjernes uden at forstyrre de samlede komponenter.

"Kræfterne dannet af disse optoelektroniske pincet er blevet sammenlignet med Star-Trek-lignende traktorbjælker, der kan flytte genstande gennem et medium uden at noget rører dem, " sagde Neale. "Dette fremmaner billeder af samlebånd uden robotarme. I stedet, diskrete komponenter samler sig næsten magisk, da de styres af lysets mønstre."

Forskerne demonstrerede teknikken ved at samle et mønster af små loddeperler med en optoelektronisk fælde, fjernelse af væsken, og derefter opvarme mønsteret for at smelte perlerne sammen, danner elektriske forbindelser. De brugte loddeperlerne til at demonstrere, at i fremtiden, disse mikropartikler kunne samles og smeltes for at skabe elektriske forbindelser.

"Optoelektroniske pincet er omkostningseffektive og tillader parallel mikromanipulation af partikler, " sagde Zhang, som nu er på University of Toronto i Canada. "I princippet, vi kan flytte 10, 000 perler på samme tid. Ved at kombinere dette med vores frysetørringstilgang skaber vi en meget billig platform, der er velegnet til brug i masseproduktion."

Forbedret elektronikproduktion

Den nye teknik kunne tilbyde en alternativ måde at lave de printplader, der forbinder de komponenter, der findes i det meste af nutidens elektronik. Disse typer enheder fremstilles i øjeblikket ved hjælp af automatiserede maskiner, der opsamler små dele, placer dem på printpladen og lod dem på plads. Denne proces kræver et dyrt motoriseret trin til at placere brættet og en kostbar højpræcisions robotarm til at samle op og placere de små dele på enheden. Omkostningerne ved disse mikromanipulationssystemer fortsætter med at stige, efterhånden som elektronikkens krympende størrelse øger præcisionskravene.

"Den optoelektroniske pincet og frysetørringsteknikken kan bruges til ikke kun at samle loddeperler, men også at samle en bred vifte af objekter såsom halvleder nanotråde, kulstof nanorør, mikrolasere og mikroLED'er, sagde Zhang. Til sidst, vi ønsker at bruge dette værktøj til at samle elektroniske komponenter såsom kondensatorer og modstande samt fotoniske enheder, såsom lasere og lysdioder, sammen i en enhed eller et system."

Indfangning af partikler med optoelektronisk manipulation

Forskerne brugte en optoelektronisk pincet, fordi denne optiske manipulationstilgang kan danne tusindvis af fælder på én gang, tilbyder potentialet for massivt parallel montering. Pincetten er dannet ved hjælp af et lag silicium, der ændrer dens elektriske ledningsevne, når den udsættes for lys. I de områder, der er udsat for lyspunkter, dannes et uensartet elektrisk felt, der interagerer med partikler eller perler i et væskelag oven på silicium, lader partiklerne bevæges præcist ved at flytte lyspunktet. At skabe mønstre af lyspunkter gør det muligt at flytte flere partikler samtidigt.

"Ved at bruge vores metode, vi kan flytte loddeperler, der måler fra nanometerområdet op til omkring 150 mikron, " sagde Zhang. "Vi har været i stand til at flytte objekter, der er over 150 mikron, men det er mere udfordrende, fordi når størrelsen af ​​objektet øges, friktionskraften øges også."

Efter at have brugt den optoelektroniske pincet til at samle et mønster med en diameter på 40 mikron, kommercielt tilgængelige loddeperler, forskerne frøs væsken i den optoelektroniske pincet og reducerede derefter det omgivende tryk for at tillade den frosne væske at blive fra et fast stof direkte til en gas. Denne frysetørringsmetode tillod de samlede loddeperler at forblive fikseret på plads, efter at væsken var fjernet. Forskerne siger, at det kan bruges til at fjerne væske brugt med enhver form for optisk fælde, eller endda fælder dannet med akustiske bølger.

Ud over at samle loddeperlerne i forskellige linjer, forskerne demonstrerede også parallel samling af flere perler og brugte perlerne til at danne elektriske forbindelser. Loddeperlerne udviser en stærk dielektrisk kraft, hvilket betyder, at de kan flyttes præcist og hurtigt, tillader meget effektiv montering af strukturer.

Forskerne arbejder nu på at omdanne deres laboratoriebaserede system til et, der vil kombinere den optoelektroniske pincet og frysetørringsproces i en enkelt enhed. De udvikler også en softwaregrænseflade til at styre genereringen af ​​et lysmønster baseret på antallet af partikler, der skulle fanges.

"Vi bruger nu en computer til at generere lysmønsteret for at flytte perlerne, men vi arbejder på en app, der gør det muligt at bruge en tablet eller smartphone i stedet, " sagde Zhang. "Dette kunne give nogen mulighed for at sidde væk fra systemet og bruge deres finger til at kontrollere partiklernes bevægelser, for eksempel."

Neale modtog for nylig finansiering til at fortsætte denne forskningslinje ved at bruge den nye optiske mikromanipulationstilgang til at skabe kondensatorer med høj energitæthed til at erstatte batterier i mobile enheder.