专利名称：基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法
技术领域：
本发明属于精密加工技术领域，尤其涉及一种基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法。
背景技术：
在微米甚至纳米尺寸进行连接和固定对于微纳器件的制造、固定、修复、测试等具有重要的作用。目前有一些技术可以实现微纳结构的固定和连接，但是存在设备复杂昂贵、 工艺复杂、加工后存在污染等问题。例如，聚焦离子束(FIB)、电子束诱导沉积(EBID)技术可以实现微纳米尺度的连接和切割，但需要复杂的仪器设备及高真空和超洁净的环境，并且对被加工器件会造成污染和损伤；利用电子束光刻(EBL)结合溅射、蒸镀等微纳加工方法也可以实现纳米级的固定和连接，但同样需要复杂、昂贵的仪器设备及高真空系统，并且涂胶、去胶、溅射等工艺步骤同样会对器件造成污染和损伤。传统的点胶技术利用压力将胶从中空的针头中推出形成胶滴，由于微米特别是纳米尺度中空针头的制作难度，因此利用点胶法实现微米特别是纳米尺度的固定和连接具有一定的难度。近年来出现的蘸笔纳米光刻技术(Dip-pen nanolithography,DPN)是利用原子力显微镜(AFM)的探针把"墨水"分子传输至基底表面，使之形成自组装单分子层。DPN作为一种构造微米纳米结构的技术，以其高分辨率、定位准确和直接书写等优点，在物理、化学、 生物等领域研究中得到了广泛应用。这种基于蘸笔的流体微量控制技术在基底表面形成的流体面积或图案可由针尖直径、接触时间等参数控制，因此利用这种方法可以实现微米甚至纳米尺度的胶滴，从而实现一种新的微纳尺度固定和连接的方法。。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法，用于解决目前使用的微纳结构的固定和连接方法存在的不足。为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法，其特征是所述方法包括步骤101、对基底和待固定样品进行处理，使其基底和待固定样品处于亲胶状态；步骤102、在探针表面包覆一层液体胶；步骤103、控制探针与基底接触，使探针与基底之间形成液桥，实现基底和待固定样品的连接。所述步骤103具体是步骤201 拾取待固定样品并放置在基底需要连接的位置；步骤202 控制探针与基底上需要连接的位置接触，使探针与基底之间形成液桥；步骤203 待液体胶从探针扩散至基底设定面积或者设定时间后，抬起探针；步骤204 等待液体胶固化后，完成基底和待固定样品的连接。所述步骤103具体是
步骤301 控制探针与基底上需要连接的位置接触，使探针与基底之间形成液桥；步骤302 待液体胶从探针扩散至基底设定面积或者设定时间后，抬起探针；步骤303 拾取待固定样品并放置在基底的液体胶胶滴上；步骤304 等待液体胶固化后，完成基底和待固定样品的连接。所述液体胶为导电胶或者非导电胶。所述液体胶为瞬间胶、环氧树脂、厌氧胶水、UV胶水、热熔胶、AB胶或者导电银胶。所述探针针尖的直径为0. 1纳米-10毫米。所述探针针尖采用金属材料或者非金属材料制成。所述探针携带存储液体胶的容器或者连续提供液体胶的装置。所述探针为1个或者多个。本发明提供的方法与常用的FIB、EBID、EBL等方法相比具有胶滴在微/纳米尺度方便可控、对样品无污染和损伤、无需真空和超净环境、成本低廉等优点。
图1是实施基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法的装置结构图；其中，(a)是装置宏观结构图，(b)是显微镜下微观结构图；图2是利用基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法实现氧化锌线-微石墨岛复合结构制作的原理图；其中，(a)是氧化锌线-微石墨岛复合结构未连接示意图，(b)是包覆液体胶的探针与微石墨岛复合结构接触示意图，(C)是氧化锌线-微石墨岛复合结构连接示意图；图3是利用基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法实现电连接的原理图；其中，(a)是未实现电连接的示意图，(b)是实现了电连接的示意图；图4是利用基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法实现微电子封装的原理图；图5是采用多个探针实现基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法的原理图；图中标记1-精密机械手及控制器，2-光学显微镜，3-探针，4-液体胶，5-基底， 6-待固定样品，7-外壳。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。图1是基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法实施原理图，实施本发明过程中，需要借助如下装置，包括精密机械手及控制器1 (如图1 (a)所示)、光学显微镜2、探针3、液体胶 4(如图1 (b)所示)。其工作原理是利用光学显微镜2在基底5上找到需要连接待固定样品6的位置，将表面包覆一层液体胶4的探针3安装在精密机械手1的前端。在显微镜下， 利用精密机械手1控制探针3与基底5上待固定样品的位置接触，这时液体胶4与基底5 之间形成液桥。由于基底5和待固定样品6被事先处理成亲胶状态，在表面张力的作用下， 液体胶4从探针表面逐渐转移到基底5，并在基底5上扩散，直至扩散到实现基底5和待固定样品6的同时接触，然后抬起探针，等待液体胶的固化实现待固定样品的连接。在本发明的实施例中，需要说明的是，探针3、基底5和待固定的样品6可通过选择或处理，使其处于亲胶的状态。同样，在本发明的实施例中，液体胶4包括瞬间胶、环氧树脂、厌氧胶水、UV胶水、 热熔胶等。液体胶4可以是导电的或非导电的，比如AB胶(两液混合硬化胶)、导电银胶寸。为了对本发明提出的工作原理有更清楚的理解，以下结合实施例及附图详细说明基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法。实施例1图2是利用基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法实现氧化锌线-微石墨岛复合结构制作的原理图。在本实施例中，首先采用PECVD、光刻、RIE等微加工工艺制备微米尺度的微石墨岛(上表面为200纳米厚的二氧化硅层)，由于石墨岛层间具有排列整齐的原子，因此微石墨岛具有范德华自回复等良好的运动特性。采用电化学腐蚀或物理刻蚀等方法制作出具有合适尖端直径的钨探针(亲胶状态)，将钨探针安装在精密机械手上(MM3A，德国Kleindiek Nanotechnik公司生产)，然后通过蘸取等方法使探针的表面包覆一层AB胶。在光学显微镜(KH-3000，日本HiRox公司生产)下，利用精密机械手控制探针与微石墨岛上表面的二氧化硅层接触，这时探针与二氧化硅之间形成液桥。由于二氧化硅表面是亲胶的，在表面张力的作用下液体胶从探针表面逐渐转移到二氧化硅表面。通过控制合适的接触时间和显微镜监测，使胶滴在微石墨岛二氧化硅表面形成合适的尺寸(不能流到微石墨岛的侧边)然后抬起探针。接下来，将氧化锌线撒布在合适的其他基底上(如硅片表面)，在显微镜下利用另一个带有钨探针的精密机械手粘取(范德华力黏附力)合适直径的氧化锌线。控制机械手使氧化锌线的中部与微石墨岛上的液体胶的胶滴接触，由于胶滴的黏附力大于钨探针的范德华黏附力，此时抬起钨探针氧化锌线将留在微石墨岛的上表面。最后，放置样品一段时间使液体胶的固化。由于本发明提出的基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法对样品侧边无污染，因此制作的氧化锌线-微石墨岛复合结构仍然具有范德华自回复等良好的运动特性。实施例2图3是利用基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法实现电连接的原理图。在本实施例中，首先利用光刻、溅射等微加工方法在带有二氧化硅的硅片上制作金电极，电极间距为3 微米。利用介电电泳等方法在金电极间搭接碳纳米管、氧化锌纳米线等纳米材料。采用电化学腐蚀或物理刻蚀等方法制作出具有合适尖端直径的钨探针(亲胶状态)，将钨探针安装在精密机械手上(MM3A，德国Kleindiek Nanotechnik公司生产)，然后通过蘸取等方法使探针的表面包覆一层AB胶或导电银胶。在光学显微镜(KH-3000，日本HiRox公司生产) 下，利用机械手控制探针与搭接了纳米材料的微电极接触，这时探针与电极之间形成液桥。 由于电极表面是亲胶的，在表面张力的作用下液体胶从探针表面逐渐转移到电极表面。通过控制合适的接触时间和显微镜监测，使胶滴在微电极表面形成合适的尺寸(足以覆盖搭接纳米材料的微电极)然后抬起探针。最后，放置样品一段时间使液体胶的固化。由于固化的胶能够使纳米材料与微电极保持良好的接触状态，因此利用本发明的方法可实现微纳尺寸良好的电连接。实施例3图4是利用基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法实现微电子封装的原理图。在本实施例中，首先利用精密机械手和显微镜实现封装外壳与封装位置的精确定位。将带有存储液体胶的容器和连续提供液体胶的装置的探针安装在精密机械手上。在光学显微下，利用机械手控制探针与待连接位置接触，与前面的实施例原理类似，探针与待粘结物之间形成液桥，在表面张力的作用下液体胶从探针表面逐渐转移到待粘结物表面。在本实施例中由于探针带有存储胶的容器和连续供胶装置，因此可连续地实现对微电子器件的封装。实施例4图5是采用多个探针实现基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法的原理图。在本实施例中，实验装置和原理与实施例1中的基本相同，只是将多个探针通过连接装置与机械手相连，这样可以并行的进行蘸胶、滴胶、粘接样品等步骤，大大地提高了效率。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法，其特征是所述方法包括步骤101、对基底和待固定样品进行处理，使其基底和待固定样品处于亲胶状态； 步骤102、在探针表面包覆一层液体胶；步骤103、控制探针与基底接触，使探针与基底之间形成液桥，实现基底和待固定样品的连接。
2.根据权利要求1所述的基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法，其特征是所述步骤103 具体是步骤201 拾取待固定样品并放置在基底上需要连接的位置； 步骤202 控制探针与基底上需要连接的位置接触，使探针与基底之间形成液桥； 步骤203 待液体胶从探针扩散至基底设定面积或者设定时间后，抬起探针； 步骤204 等待液体胶固化后，完成基底和待固定样品的连接。
3.根据权利要求1所述的基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法，其特征是所述步骤103 具体是步骤301 控制探针与基底上需要连接的位置接触，使探针与基底之间形成液桥； 步骤302 待液体胶从探针扩散至基底设定面积或者设定时间后，抬起探针； 步骤303 拾取待固定样品并放置在基底的液体胶胶滴上； 步骤304 等待液体胶固化后，完成基底和待固定样品的连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法，其特征是所述液体胶为导电胶或者非导电胶。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法，其特征是所述液体胶为瞬间胶、环氧树脂、厌氧胶水、UV胶水、热熔胶、AB胶或者导电银胶。
6.根据权利要求1、2或3所述的基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法，其特征是所述探针针尖的直径为0. 1纳米-10毫米。
7.根据权利要求1、2或3所述的基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法，其特征是所述探针针尖采用金属材料或者非金属材料制成。
8.根据权利要求1、2或3所述的基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法，其特征是所述探针携带存储液体胶的容器或者连续提供液体胶的装置。
9.根据权利要求1、2或3所述的基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法，其特征是所述探针为1个或者多个。
全文摘要
本发明公开了精密加工技术领域中的一种基于蘸笔原理的微纳尺度连接方法，用以解决常用的微纳尺度结构的固定和连接方法存在的不足。包括对基底和待固定样品进行处理，使其基底和待固定样品处于亲胶状态；在探针表面包覆一层液体胶；在基底上确定需要连接的位置，控制探针与基底接触，使探针与基底之间形成液桥。在表面张力的作用下，通过控制探针直径、接触时间等参数实现微米甚至纳米尺度胶滴在基底的形成，从而实现基底和待固定样品微纳米尺度的连接。本发明与常用的微纳尺度结构的固定和连接方法相比，具有胶滴在微/纳米尺度方便可控、对样品无污染和损伤、无需真空和超净环境以及成本低廉等优点。
文档编号B81C3/00GK102344115SQ20111029570
公开日2012年2月8日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者任晓艳, 周兆英, 李丹, 杨兴, 郑泉水 申请人:清华大学