Ett internationellt team av forskare har utvecklat en ny ljusbaserad manipulationsmetod som en dag kan användas för att massproducera elektroniska komponenter för smartphones, datorer och andra enheter. Ett billigare och snabbare sätt att producera dessa komponenter kan göra det billigare att ansluta vardagsföremål - från kläder till hushållsapparater - till internet, främja konceptet som kallas sakernas internet. Mikromanipulationstekniken kan också användas för att skapa en säkrare och snabbare laddning av batterier för mobila enheter.

Optiska fällor, som använder ljus för att hålla och flytta små föremål i vätska, är en lovande kontaktfri metod för montering av elektroniska och optiska enheter. Dock, när du använder dessa fällor för tillverkningstillämpningar, vätskan måste tas bort, en process som tenderar att förskjuta alla mönster eller strukturer som har bildats med hjälp av en optisk fälla.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express , forskare i Steven Neales Micromanipulation Research Group, University of Glasgow, Skottland, beskriva deras metod för att använda en avancerad optisk infångningsmetod som kallas optoelektronisk pincett för att montera elektriska kontakter. Tack vare en innovativ frystorkningsmetod som utvecklats av Shuailong Zhang, medlem i Neales forskargrupp, vätskan kunde avlägsnas utan att störa de sammansatta komponenterna.

"De krafter som bildas av dessa optoelektroniska pincetter har jämförts med Star-Trek-liknande traktorstrålar som kan flytta föremål genom ett medium utan att något rör dem, "sa Neale." Detta framkallar bilder av löpande band utan robotarmar. Istället, diskreta komponenter samlar sig nästan magiskt när de styrs av ljusets mönster. "

Forskarna demonstrerade tekniken genom att montera ett mönster av små lödpärlor med en optoelektronisk fälla, ta bort vätskan, och sedan värma upp mönstret för att smälta ihop pärlorna, bilda elektriska anslutningar. De använde lödpärlorna för att visa att i framtiden dessa mikropartiklar kan monteras och smälta för att skapa elektriska anslutningar.

"Optoelektroniska pincetter är kostnadseffektiva och möjliggör parallell mikromanipulation av partiklar, sa Zhang, som nu är vid University of Toronto i Kanada. "I princip, vi kan flytta 10, 000 pärlor samtidigt. Att kombinera detta med vårt frystorkande tillvägagångssätt skapar en mycket billig plattform som är lämplig för massproduktion. "

Förbättrad elektroniktillverkning

Den nya tekniken kan erbjuda ett alternativt sätt att göra kretskort som ansluter komponenterna som finns i det mesta av dagens elektronik. Dessa typer av enheter tillverkas för närvarande med hjälp av automatiserade maskiner som tar upp små delar, placera dem på kretskortet och löd dem på plats. Denna process kräver ett dyrt motoriserat skede för att placera brädet och en dyr hög precision robotarm för att plocka upp och placera de små delarna på enheten. Kostnaden för dessa mikromanipulationssystem fortsätter att stiga när elektronikens krympande storlek ökar precisionskraven.

"Den optoelektroniska pincetten och frystorkningstekniken kan användas för att inte bara montera lödpärlor, men också för att montera ett brett spektrum av föremål, till exempel halvledar -nanotrådar, kolnanorör, mikrolaser och mikroLED, "sa Zhang." Så småningom, vi vill använda detta verktyg för att montera elektroniska komponenter som kondensatorer och motstånd samt fotoniska enheter, såsom lasrar och lysdioder, tillsammans i en enhet eller ett system. "

Fånga partiklar med optoelektronisk manipulation

Forskarna använde optoelektroniska pincetter eftersom denna optiska manipulationsmetod kan bilda tusentals fällor samtidigt, erbjuder potentialen för massivt parallell montering. Pincetten formas med ett kiselskikt som ändrar dess elektriska konduktivitet när den utsätts för ljus. I de områden som utsätts för ljuspunkter, bildas ett ojämnt elektriskt fält som interagerar med partiklar eller pärlor i ett vätskeskikt ovanpå kislet, så att partiklarna kan flyttas exakt genom att flytta ljuspunkten. Genom att skapa mönster för ljuspunkter kan flera partiklar flyttas samtidigt.

"Med hjälp av vår metod, vi kan flytta lödpärlor som mäter från nanometerområdet upp till cirka 150 mikron, "sa Zhang." Vi har kunnat flytta föremål som är över 150 mikron, men det är mer utmanande eftersom när objektets storlek ökar, friktionskraften ökar också. "

Efter att ha använt den optoelektroniska pincetten för att montera ett mönster med en diameter på 40 mikron, kommersiellt tillgängliga lödpärlor, forskarna frös vätskan i den optoelektroniska pincettanordningen och minskade sedan det omgivande trycket för att låta den frysta vätskan vända från ett fast ämne direkt till en gas. Detta frystorkande tillvägagångssätt tillät de sammansatta lödpärlorna att förbli fixerade på plats efter att vätskan hade avlägsnats. Forskarna säger att den kan användas för att avlägsna vätska som används med alla typer av optisk fälla, eller till och med fällor som bildas med akustiska vågor.

Förutom att montera lödpärlorna i olika linjer, forskarna visade också parallell montering av flera pärlor och använde pärlorna för att bilda elektriska anslutningar. Lödpärlorna uppvisar en stark dielektrisk kraft, vilket innebär att de kan flyttas exakt och snabbt, möjliggör mycket effektiv montering av strukturer.

Forskarna arbetar nu med att förvandla sitt laboratoriebaserade system till ett system som kombinerar den optoelektroniska pincetten och frystorkningsprocessen i en enda enhet. De utvecklar också ett mjukvarugränssnitt för att styra genereringen av ett ljusmönster baserat på antalet partiklar som behövde fångas.

"Vi använder nu en dator för att generera ljusmönstret för att flytta pärlorna, men vi arbetar med en app som gör att en surfplatta eller smarttelefon kan användas istället, "sa Zhang." Detta kan tillåta någon att sitta borta från systemet och använda fingret för att styra partiklarnas rörelser, till exempel."

Neale fick nyligen finansiering för att fortsätta denna forskning genom att använda den nya metoden för optisk mikromanipulation för att skapa kondensatorer med hög energitäthet för att ersätta batterier i mobila enheter.