Μέθοδοι χειρισμού μικροαντικειμένων για διαχωρισμό και συναρμολόγηση

Abstract

The mass production of the Microelectromechanical Systems (MEMS) is an ongoing research field. The micro – handling of the microparts that compose the MEMS is an important process in the micro – factories. Nowadays, in the MEMS industry micro – grippers and micro – tweezers are used for manipulating serially the individual micro – components implementing applications as the microparts’ sorting and assembly. But such methods conclude in the long cycle – time production and sometimes in causing damages on the MEMS. Methods for the contactless micromanipulation with force fields have been proposed in bibliography promising to optimize the MEMS manufacturing. Although, the most contactless micromanipulation systems that have been presented until now are not autonomous in order to accomplish individually the handling process. In this PhD thesis an autonomous device for the handling of multiple plastic microparts with conductive pads underneath is proposed. The “Smart Platform” is a PCB with conductive electrodes and dielectric layers where the microparts are moved due to the successive charging of the platform’s electrodes. The position and the orientation of the components of on the “Smart Platform” are detected with the aid of the visual sensors system. Firstly, the bibliography related to the micromanipulation is presented better clarifying the contribution of the thesis. Then, the design of the “Smart Platform” is described in detail focusing on the electric properties of the device. The physics of the system are specified and the interactions between the platform’s and the microparts’ electrodes are determined with Finite Elements Method analysis. The design of the electrodes’ layout underneath the microparts is proposed and semi – empirical fitting force functions are described for the electrostatic forces. The microparts are massively transmitted on the “Smart Platform” with transfer lines and as a result they are usually positioned on the device with random configurations (non – centralized/ non – aligned). Two new algorithms are introduced in order to be detected all the possible activations that can be applied simultaneously to the platform’s electrodes for a micropart’s motion between two equilibrium positions. The flexibility of the platform to handle components in random configurations shows that it is an autonomous system. Activation algorithms for the systematic motion of the microparts between two platform’s electrodes are proposed. The efficiency of the computed activation algorithms is certified on a simulated “Smart Platform”. The parallel motion of multiple microparts on the “Smart Platform” is studied. A new method for the parallel centralization and aligning of multiple micro – components is proposed proving that the platform is an autonomous device. Then, the simultaneous motion of the microparts on the platform is studied. Considering that the microparts are centralized and aligned the Static Obstacles Space and the Free Configuration Space of the microparts is computed. For the parallel motion of the microparts the Free State Space on the platform is specified considering the Action Space and the Priority of each micropart. A modified A* algorithm is proposed for the path computation of multiple simultaneously moving microparts. The computations of the algorithm are implemented in the Free State Space considering the priority of each micropart during their parallel motion in the time – space. The algorithm finds for each micropart the shortest path in time – space due to a new distance cost function that is proposed. The novelty of the function is the heuristic function that is introduced where the distance between the neighbor microparts is also taken into account. The activation algorithms for the motion of the microparts, the centralization/aligning method and the path computation algorithm are applied in the parallel sorting and assembly of the microparts. A new method for the parallel sorting of multiple components with respect to their geometry is proposed. Then, techniques for the parallel assembly of multiple microparts with the same geometry are studied. In order to be avoided undesired collisions between the microparts that are assembled the minimum distances between them are determined. Finally, assembly rules are described considering the minimum activations that can be applied simultaneously to the SP electrodes.

Τα τελευταία χρόνια η ανάπτυξη μεθόδων για τη μαζική σύνθεση και παραγωγή Μικροηλεκτρομηχανικών Συστημάτων (MEMS) είναι ένα ερευνητικό πεδίο με ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Κατά τη διαδικασία της παραγωγής των MEMS χρησιμοποιούνται ειδικά σχεδιασμένα μίκρο - εργαλεία όπως ρομποτικές μίκρο – αρπάγες και μίκρο – λαβίδες με τα οποία πραγματοποιείται χειρισμός σειριακά για το διαχωρισμό τους και την συναρμολόγηση τους. Από τη σχετική βιβλιογραφία προκύπτει ότι κατά το σειριακό χειρισμό με ρομποτικά μίκρο – εργαλεία έχουμε μεγάλους χρόνους και υψηλά κόστη παραγωγής καθώς και την πρόκληση μικροφθορών στα επιμέρους στοιχεία των MEMS. Εφαρμογές μίκρο – χειρισμού με πεδία δυνάμεων τα οποία αναπτύσσονται σε ειδικά διαμορφωμένες συσκευές έχουν προταθεί με στόχο τον περιορισμό αυτών των προβλημάτων. Προς το παρόν οι μέθοδοι αποκλειστικά με πεδία δυνάμεων δεν έχουν ενταχθεί στη γραμμή παραγωγής των μίκρο – εργοστασίων εξαιτίας της περιορισμένης αυτονομίας και ευελιξίας των περισσότερων συσκευών και των διατάξεων με τα οποία αναπτύσσονται. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής προτείνεται μια αυτόνομη συσκευή χειρισμού μικροαντικειμένων κατασκευασμένων από πλαστικά/μονωτικά υλικά και αγώγιμα ηλεκτρόδια στην κάτω επιφάνεια τους. Πρόκειται για την «Έξυπνη Πλατφόρμα» αγώγιμων ηλεκτροδίων, η κατάλληλη ενεργοποίηση των οποίων προκαλεί την κίνηση των μικροαντικειμένων εξαιτίας των πεδίων ηλεκτροστατικών δυνάμεων που εφαρμόζονται στα μικροαντικείμενα. Η θέση και ο προσανατολισμός των μικροαντικειμένων στην πλατφόρμα ανιχνεύεται με τη βοήθεια αισθητήρων όρασης οι οποίοι είναι κατάλληλα τοποθετημένοι στη συσκευή. Αρχικά παρουσιάζεται η βιβλιογραφία, που σχετίζεται με το ερευνητικό πεδίο του χειρισμού μικροαντικειμένων, ώστε να αναδείχνει το ερευνητικό κενό και η συμβολή της διατριβής. Εν συνεχεία περιγράφεται η «Έξυπνη Πλατφόρμα», η δομή της διάταξης τα τεχνικά και ηλεκτρικά της χαρακτηριστικά. Περιγράφονται οι φυσικές διεργασίες στις οποίες στηρίζεται η λειτουργία της πλατφόρμας και υπολογίζονται με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ της πλατφόρμας και των μικροαντικειμένων. Προτείνονται μέθοδοι διάταξης των ηλεκτροδίων στα μικροαντικείμενα. Ορίζονται οι συνθήκες φόρτισης των ηλεκτροδίων της πλατφόρμας για την επιτυχή κίνηση των μικροαντικειμένων και διατυπώνονται ημι-εμπειρικές προσαρμοσμένες συναρτήσεις για τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης. Ένα σημαντικό ζήτημα που τίθεται για τις μεθόδους χειρισμού των μικροαντικειμένων με πεδία δυνάμεων είναι η περιορισμένη ευελιξία και αυτονομία, που χαρακτηρίζει τις συσκευές που τις υποστηρίζουν. Τα μικροαντικείμενα μεταφέρονται στην «Έξυπνη Πλατφόρμα» μέσω γραμμών μεταφοράς και τοποθετούνται σε τυχαίες διαμορφώσεις – μη κεντραρισμένα σε ηλεκτρόδιο της πλατφόρμας/ μη ευθυγραμμισμένα με τον προσανατολισμό του Κεντρικού Συστήματος Αναφοράς – . Η εύρεση όλων των δυνατών ενεργοποιήσεων των ηλεκτροδίων της πλατφόρμας για την κίνηση ενός μικροαντικειμένου προς μια νέα Θέση Ισορροπίας οποιαδήποτε κι αν είναι η αρχική του διαμόρφωση υλοποιείται με δυο νέους αλγορίθμους. Η αποτελεσματικότητα των αλγορίθμων επιβεβαιώνεται προσομοιώνοντας τις ενεργοποιήσεις, που προκύπτουν από τους αντίστοιχους υπολογισμούς τους. Εν συνεχεία προτείνονται αλγόριθμοι ενεργοποίησης για τη διακριτή κίνηση των μικροαντικειμένων μεταξύ δύο ηλεκτροδίων της «Έξυπνης Πλατφόρμας» (τα οποία αποτελούν ταυτόχρονα θέσης ισορροπίας των μικροαντικειμένων), αφότου κεντραριστούν κι ευθυγραμμισθούν στην «Έξυπνη Πλατφόρμα». Ένα στοίχημα για τη Βιομηχανία των MEMS είναι ο παράλληλος χειρισμός πολλαπλών μικροαντικειμένων με στόχο το διαχωρισμό και τη μικροσυναρμολόγηση τους. Τα μικροαντικείμενα μεταφέρονται σε συστάδες στην «Έξυπνη Πλατφόρμα» με γραμμές μεταφοράς και ως είναι λογικό τα περισσότερα τοποθετούνται σε τυχαίες διαμορφώσεις. Προτείνεται μια νέα μέθοδος για το αυτόνομο παράλληλο κεντράρισμα κι ευθυγράμμιση πολλαπλών μικροαντικειμένων προετοιμάζοντας τα για την εφαρμογή των ενεργοποιήσεων αντίστοιχων ενεργοποιήσεων. Εν συνεχεία, προσδιορίζεται ο χώρος στατικών εμποδίων και ο ελεύθερος χώρος διαμορφώσεων των μικροαντικειμένων στην «Έξυπνη Πλατφόρμα». Ο προσδιορισμός των ελεύθερων μονοπατιών για την ταυτόχρονη κίνηση πολλαπλών μικροαντικειμένων στην «Έξυπνη Πλατφόρμα» πραγματοποιείται με έναν προσαρμοσμένο Α* αλγόριθμο. Πρόκειται για ένα συνεργατικό Α* (cooperative A*) αλγόριθμο ο οποίος ψάχνει στον ελεύθερο χώρο καταστάσεων εντοπίζοντας μοναδικά μονοπάτια στο χωροχρόνο για κάθε μικροαντικείμενο λαμβάνοντας υπόψη την προτεραιότητα του. Μια σημαντική συνεισφορά αποτελεί μια νέα συνάρτηση κόστους στους υπολογισμούς της οποίας λαμβάνεται υπόψη η απόσταση μεταξύ γειτονικών μικροαντικειμένων. Η ευρεστική συνάρτηση της συνάρτησης κόστους συνεισφέρει στον εντοπισμό μονοπατιών για την παράλληλη κίνηση πολλαπλών μικροαντικειμένων σε προβλήματα μεγαλύτερης πολυπλοκότητας για το κομμάτι της μικρορομποτικής καθώς και στη βελτιστοποίηση του χρόνου κίνησης καθενός εξ αυτών. Τέλος, οι μέθοδοι ενεργοποιήσεων και οι αλγόριθμοι που προτείνονται για το χειρισμό των μικροαντικειμένων εφαρμόζονται για τον παράλληλο διαχωρισμό και τη συναρμολόγηση τους. Καταρχάς προτείνεται μια νέα μέθοδος για τη συστηματικό διαχωρισμό των μικροαντικειμένων σε περιοχές της «Έξυπνης Πλατφόρμας» με κριτήριο τη γεωμετρία τους. Εν συνεχεία προτείνονται μέθοδοι για τη συναρμολόγηση μεταξύ αντικειμένων ίδιας γεωμετρίας με στόχο η διαδικασία να υλοποιηθεί με τον ελάχιστο αριθμό ενεργοποιήσεων αποφεύγοντας τις συγκρούσεις μεταξύ των μικροαντικειμένων. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι εφαρμόζονται και επαληθεύονται σε μια προσομοιωμένη πλατφόρμα.