微移液管探针结构读写的环境湿度控制方法

廖晓波; 庄健; 程磊; 杨九林; 郑强强

doi:10.37188/OPE.20212910.2432

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

微移液管探针结构读写的环境湿度控制方法

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2026-09-12

- 微移液管探针结构读写的环境湿度控制方法
- Environmental humidity control method for structural reading and writing based on micropipette probe
- 光学精密工程 2021年29卷第10期页码：2432-2443
- 作者机构：
  
  1.西安交通大学机械工程学院，陕西西安 710049
  2.西南科技大学制造学院，制造过程测试技术教育部重点实验室，四川绵阳 621010
- 作者简介：
  
  廖晓波（1982-），男，湖北天门人，西安交通大学机械工程博士研究生， 2008年于西南科技大学获得硕士学位，现为西南科技大学制造科学与工程学院讲师，主要研究方向为微纳检测与制造，机器视觉伺服控制。E-mail：liaoxiaobo@swust.edu.cn廖晓波（1982-），男，湖北天门人，西安交通大学机械工程博士研究生， 2008年于西南科技大学获得硕士学位，现为西南科技大学制造科学与工程学院讲师，主要研究方向为微纳检测与制造，机器视觉伺服控制。E-mail：liaoxiaobo@swust.edu.cn
  庄　健（1974-），男，江苏南通人，博士，教授，博士生导师，1999年于西安交通大学获得硕士学位，2002年于西安交通大学获得博士学位，主要研究方向为微纳测量技术、智能优化算法、机电控制系统。E-mail：zhuangjian@mail.xjtu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金面上项目(51375363);四川省科技厅创业人才资助项目(2020JDRC0072)
- DOI：10.37188/OPE.20212910.2432
  中图分类号： TH871;TP399
- 收稿：2021-04-07，
  
  修回：2021-06-24，
  
  纸质出版：2021-10-15
- 稿件说明：
移动端阅览
廖晓波,庄健,程磊等.微移液管探针结构读写的环境湿度控制方法[J].光学精密工程,2021,29(10):2432-2443.

LIAO Xiao-bo,ZHUANG Jian,CHENG Lei,et al.Environmental humidity control method for structural reading and writing based on micropipette probe[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(10):2432-2443.
廖晓波,庄健,程磊等.微移液管探针结构读写的环境湿度控制方法[J].光学精密工程,2021,29(10):2432-2443. DOI： 10.37188/OPE.20212910.2432.

LIAO Xiao-bo,ZHUANG Jian,CHENG Lei,et al.Environmental humidity control method for structural reading and writing based on micropipette probe[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(10):2432-2443. DOI： 10.37188/OPE.20212910.2432.

摘要

为了克服环境湿度变化对微移液管探针结构读写稳定性的不利影响，本文首先设计了一种混合室和工作室的双气室结构，在工作室的内置隔板上均匀分布小孔形成均匀的微气流，确保工作室内湿度均匀并减小对工作点气流扰动的影响。然后，通过数值模拟验证了设置混合室和工作室双气室结构的合理性，且以小于0.06 m·s

流速对工作室进行双侧充气时，对工作点的气流扰动小于50 μm·s

。制作实物并实验表明，该系统能够在5分钟内将工作室的湿度控制在给定值（环境温度25 ℃），且相对湿度的稳态误差为2.59%；通过控制环境湿度，对比不同湿度条件下微移液管探针电沉积（写）结构质量和扫描（读）成像质量，发现该环境湿度控制方法能够满足微移液探针微纳读写的工作要求。该方法对提高基于移液管探针微结构制造和检测的稳定性和可靠性具有重要的现实意义。

Abstract

To overcome the adverse effects of environmental humidity changes on structural reading and writing using a micropipette probe

this study designs a double air chamber structure with mixing and working chambers

and evenly distributes the air flow holes in the partitioning in the work chamber to form a uniform micro air flow. The purpose of these designs is t

o ensure uniform humidity in the micro-nano processing area of the working chamber and reduce the impact of air flow disturbance on the micro-nano working area. Then

the rationality of the double-air chamber structure with mixing and working compartments was verified by numerical simulation. When the working chamber is inflated on both sides with a flow rate of less than 0.06 m·s

-1

airflow disturbance at the working point is less than 50 μm·s

-1

. Experiments using homemade experimental equipment demonstrated that the system can maintain the humidity of the working chamber at a given value (ambient temperature 25℃) for a duration of 5 min

with a steady-state error in relative humidity of 2.59%. Comparing the micropipette probe electrodeposition (write) structure quality and scanning (read) imaging quality at different humidities revealed that the environmental humidity control method can meet the work requirements of micropipette probe micro-nano reading and writing. Therefore

the microenvironment humidity control method has important practical significance for improving the stability and reliability of micropipette-based probe micro structure manufacturing and detection.

关键词

Keywords

references

明平美，李欣潮，张新民，等 . 电化学三维微沉积技术及其研究进展［J］. 中国科学：技术科学， 2018 ， 48 （ 4 ）： 347 - 359 . doi: 10.1360/N092017-00172 http://dx.doi.org/10.1360/N092017-00172

MING P M ， LI X CH ， ZHANG X M ， et al . Research progress of electrochemical three-dimensional micro-deposition technology ［J］. Scientia Sinica （Technologica）， 2018 ， 48 （ 4 ）： 347 - 359 . （in Chinese） . doi: 10.1360/N092017-00172 http://dx.doi.org/10.1360/N092017-00172

张小舟，王佩红，刘星，等 . 电化学沉积法制备ZnO柔性纳米发电机［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 9 ）： 2223 - 2229 . doi: 10.3788/ope.20182609.2222 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182609.2222

ZHANG X ZH ， WANG P H ， LIU X ， et al . Fabrication of ZnO flexible nanogenerator by electrodeposition ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 9 ）： 2223 - 2229 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182609.2222 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182609.2222

HU J ， YU M F . Meniscus-confined three-dimensional electrodeposition for direct writing of wire bonds ［J］. Science ， 2010 ， 329 （ 5989 ）： 313 - 316 . doi: 10.1126/science.1190496 http://dx.doi.org/10.1126/science.1190496

KIM J T ， SEOL S K ， PYO J ， et al . Three-dimensional writing of conducting polymer nanowire arrays by meniscus-guided polymerization ［J］. Advanced Materials ， 2011 ， 23 （ 17 ）： 1968 - 1970 . doi: 10.1002/adma.201004528 http://dx.doi.org/10.1002/adma.201004528

LEI Y ， GAO F P ， GUO J J ， et al . Microfabrication of conductive copper patterns by meniscus-confined electrodeposition ［J］. Integrated Ferroelectrics ， 2018 ， 190 （ 1 ）： 164 - 172 . doi: 10.1080/10584587.2018.1457354 http://dx.doi.org/10.1080/10584587.2018.1457354

LEI Y ， ZHANG X Y ， XU D D ， et al . Dynamic “scanning-mode” meniscus confined electrodepositing and micropatterning of individually addressable ultraconductive copper line arrays ［J］. The Journal of Physical Chemistry Letters ， 2018 ， 9 （ 9 ）： 2380 - 2387 . doi: 10.1021/acs.jpclett.8b00636 http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.8b00636

YI Z ， LEI Y ， ZHANG X ， et al . Ultralow flexural properties of copper microhelices fabricated via electrodeposition-based three-dimensional direct-writing technology ［J］. Nanoscale ， 2017 ， 9 （ 34 ）： 12524 - 12532 . doi: 10.1039/c7nr03803h http://dx.doi.org/10.1039/c7nr03803h

MORSALI S ， DARYADEL S ， ZHOU Z ， et al . Multi-physics simulation of metal printing at micro/nanoscale using meniscus-confined electrodeposition： Effect of nozzle speed and diameter ［J］. Journal of Applied Physics ， 2017 ， 121 （ 21 ）： 214305 . doi: 10.1063/1.4984910 http://dx.doi.org/10.1063/1.4984910

MORSALI S ， DARYADEL S ， ZHOU Z ， et al . Multi-physics simulation of metal printing at micro/nanoscale using meniscus-confined electrodeposition： Effect of environmental humidity ［J］. Journal of Applied Physics ， 2017 ， 121 （ 2 ）： 024903 . doi: 10.1063/1.4973622 http://dx.doi.org/10.1063/1.4973622

SEOL S K ， KIM D ， LEE S ， et al . Electrodeposition-based 3D printing of metallic microarchitectures with controlled internal structures ［J］. Small ， 2015 ， 11 （ 32 ）： 3896 - 3902 . doi: 10.1002/smll.201500177 http://dx.doi.org/10.1002/smll.201500177

CHEN X L ， LIU X H ， CHILDS P ， et al . A low cost desktop electrochemical metal 3D printer ［J］. Advanced Materials Technologies ， 2017 ， 2 （ 10 ）： 1700148 . doi: 10.1002/admt.201700148 http://dx.doi.org/10.1002/admt.201700148

LASLAU C ， WILLIAMS D E ， KANNAN B ， et al . Scanned pipette techniques for the highly localized electrochemical fabrication and characterization of conducting polymer thin films， microspots， microribbons， and nanowires ［J］. Advanced Functional Materials ， 2011 ， 21 （ 24 ）： 4607 - 4616 . doi: 10.1002/adfm.201101081 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201101081

HU J . Interfacial Physics in Meniscus-confined Electrodeposition and its Applications for Fabricating Electronic Structures ［D］. University of Illinois at Urbana-Champaign ， 2011 . doi: http://hdl.handle.net/2142/24476 http://dx.doi.org/http://hdl.handle.net/2142/24476

DARYADEL S ， BEHROOZFAR A ， MORSALI S R ， et al . Localized pulsed electrodeposition process for three-dimensional printing of nanotwinned metallic nanostructures ［J］. Nano Letters ， 2018 ， 18 （ 1 ）： 208 - 214 . doi: 10.1021/acs.nanolett.7b03930 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b03930

WILLIAMS C G ， EDWARDS M A ， COLLEY A L ， et al . Scanning micropipet contact method for high-resolution imaging of electrode surface redox activity ［J］. Analytical Chemistry ， 2009 ， 81 （ 7 ）： 2486 - 2495 . doi: 10.1021/ac802114r http://dx.doi.org/10.1021/ac802114r

EBEJER N ， SCHNIPPERING M ， COLBURN A W ， et al . Localized high resolution electrochemistry and multifunctional imaging： scanning electrochemical cell microscopy ［J］. Analytical Chemistry ， 2010 ， 82 （ 22 ）： 9141 - 9145 . doi: 10.1021/ac102191u http://dx.doi.org/10.1021/ac102191u

TAO B L ， UNWIN P R ， BENTLEY C L . Nanoscale variations in the electrocatalytic activity of layered transition-metal dichalcogenides ［J］. The Journal of Physical Chemistry C ， 2020 ， 124 （ 1 ）： 789 - 798 . doi: 10.1021/acs.jpcc.9b10279 http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b10279

TAKAHASHI Y ， KUMATANI A ， MUNAKATA H ， et al . Nanoscale visualization of redox activity at lithium-ion battery cathodes ［J］. Nature Communications ， 2014 ， 5 ： 5450 . doi: 10.1038/ncomms6450 http://dx.doi.org/10.1038/ncomms6450

MAXWELL J M ， HUSON M G . Using the scanning probe microscope to measure the effect of relative humidity on sample stiffness ［J］. Review of Scientific Instruments ， 2002 ， 73 （ 10 ）： 3520 - 3524 . doi: 10.1063/1.1505663 http://dx.doi.org/10.1063/1.1505663

STUKALOV O ， MURRAY C A ， JACINA A ， et al . Relative humidity control for atomic force microscopes ［J］. Review of Scientific Instruments ， 2006 ， 77 （ 3 ）： 033704 . doi: 10.1063/1.2182625 http://dx.doi.org/10.1063/1.2182625

庄健，高丙立，王志武，等 . 扫描电化学池显微镜阿基米德螺旋快速扫描方法的研究［J］. 仪器仪表学报， 2019 ， 40 （ 12 ）： 175 - 184 . doi: 10.1016/j.micron.2019.102683 http://dx.doi.org/10.1016/j.micron.2019.102683

ZHUANG J ， GAO B L ， WANG ZH W ， et al . Study on the Archimedes spiral rapid scanning method for scanning electrochemical cell microscope ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2019 ， 40 （ 12 ）： 175 - 184 . （in Chinese） . doi: 10.1016/j.micron.2019.102683 http://dx.doi.org/10.1016/j.micron.2019.102683

计时鸣，马宝丽，谭大鹏 . 结构化表面环境下软磨粒流的流场数值分析［J］. 光学精密工程， 2011 ， 19 （ 9 ）： 2092 - 2099 . doi: 10.3788/OPE.20111909.2092 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20111909.2092

JI SH M ， MA B L ， TAN D P . Numerical analysis of soft abrasive flow in structured restraint flow passage ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2011 ， 19 （ 9 ）： 2092 - 2099 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20111909.2092 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20111909.2092

刘鹏，宋力，余志武 . 不同干湿条件下混凝土表层内水分传输［J］. 中南大学学报（自然科学版）， 2014 ， 45 （ 8 ）： 2830 - 2838 .

LIU P ， SONG L ， YU ZH W . Water transport in concrete cover under different drying-wetting conditions ［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2014 ， 45 （ 8 ）： 2830 - 2838 . （in Chinese）

庄健，王志武，廖晓波 . 应用于高速离子电导扫描成像的双压电定位平台［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2203 - 2214 . doi: 10.37188/OPE.20202810.2203 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202810.2203

ZHUANG J ， WANG ZH W ， LIAO X B . Dual-stage piezo nanopositioner for high-speed ion conductance microscopy imaging ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 10 ）： 2203 - 2214 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202810.2203 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202810.2203

LEWIS J ， Direct ink writing of 3 D functional materials ［J］. Advanced Functional Materials ， 2006， 16 （ 17 ）： 2193 - 2204 .

PINER ， ZHU ， XU ， et al . “Dip-Pen” nanolithography ［J］. Science ， 1999 ， 283 （ 5402 ）： 661 - 663 . doi: 10.1126/science.283.5402.661 http://dx.doi.org/10.1126/science.283.5402.661

浏览量

1181

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于通道注意力增强网络的高效消色差超透镜逆向设计

基于Mamba架构的遥感图像超分辨率重建方法综述

复杂关节物体六自由度位姿估计与实时系统

中国仪器企业如何突破规模瓶颈

光子晶体激光器掩埋纳米孔结构自动量取