小物体的操纵与半导体器件的制造是特别相关的。小电子元件需 要精确放置在衬底上。经常将晶状的Si晶片用作衬底。显然半导体器 件的成本与衬底的尺寸关联密切，因此，衬底上制造的半导体器件越 多，则每个半导体器件的生产成本就越低。如果给定了衬底的表面尺 寸，那么当采用较小尺寸的元件时，则衬底上容纳的半导体器件的数 量将会增多。需要操纵这些元件，例如需要将其拾取并精确放置在衬 底上的预定位置处。

本发明涉及一种用于操纵小物体的系统。

从美国专利US6294063中获知这样一种系统。

已知的用于操纵的系统尤其涉及对密闭封装的操纵。已知系统包 括为该密闭封装提供相互作用位置的反应面。进一步提供了与该反应 面连接的入口，以便将密闭封装引入到该反应面上。产生可编程的操 纵力，使密闭封装通过任意选择的路径在反应面周围移动。通过电场 或通过光源产生该操纵力。该操纵力可包括介电泳力、电泳力、光学 力或机械力。

已知系统的缺点是密闭封装只能在反应面上移动，因此当更多的 密闭封装放置在该反应面上时，操纵变得更加麻烦。此外，密闭封装 的尺寸在100nm到1cm的范围内。

本发明的目的在于提供一种用于操纵小物体的系统，该系统特别 在操纵大量小物体的应用中更加灵活。本发明的另一个目的在于提供 一种用于操纵小物体的系统，该系统能够操纵比已知密闭封装更小的 小物体。

通过根据本发明的用于操纵小物体的系统能够实现上述目的，所 述系统包括：运送该小物体的载体；

接收该小物体的衬底；以及

将该小物体与该载体和/或该衬底可分开地连接的小滴流体。

根据本发明的用于操纵小物体的系统基于表面润湿的物理现象来 工作。特别有利的是可以采用电控的表面润湿，即电润湿。

本发明的用于操纵小物体的系统利用将该小物体与载体可分开地 连接的小滴流体，在该载体上，小物体输送到衬底。这种小滴流体还 可以或可替换地用于在到达时连接小物体和衬底。在一个例子中，例 如通过范德华力使小物体很弱地接合到载体上并运送到衬底。然后该 小物体与衬底上的小滴流体接触。小物体与小滴流体的接合比该小物 体与载体的接合更强，当载体移开时，该小物体通过小滴流体保持与 衬底的连接。最后，例如通过蒸发除去该小滴流体。在另一个方案中， 该小滴流体使该小物体在传送过程中与该载体连接。在到达时，该小 物体与衬底的连接比该小物体与该小滴流体的连接更强。当载体移开 时，该小滴流体和小物体之间的连接断开，之后该小物体留在该衬底 上。

本发明的用于操纵小物体的系统特别用于操纵所讨论的具有对运 载流体有适度润湿性的承载侧的小物体。当在操作中时，运载小滴流 体用于在该小物体的承载侧拾取该小物体。当该运载小滴流体移动到 接近该小物体时，小物体承载侧和运载小滴流体的流体之间的粘附力 使该小物体与该运载小滴流体连在一起。然后，将载有该小物体的运 载小滴流体运送到该小物体在衬底上的目标位置。此外，该小物体与 运载小滴流体的粘附力很低，从而使该小物体面向目标区的一侧与该 目标区之间的粘附力大于该运载小滴流体与该小物体承载侧之间的适 度粘附力。小物体承载侧和运载小滴流体之间的适度润湿性和相应的 适度粘附力应该足够大，以使该小物体与流体运载小滴流体充分接 合，另一方面，该适度粘附力应该足够小，从而在该小物体和将要放 置小物体的衬底之间存在较高的润湿性和相应较大的粘附力。值得注 意的是，相应较大的粘附力至少应当涉及当放置小物体时该小物体面 向衬底的那一侧，和放置小物体的衬底上小滴流体的目标区表面。

有各种方法将小物体从目标小滴流体放置到衬底上。值得注意的 是，在将该小物体运送到目标小滴流体上的目标区之后，可以将该小 物体胶合在衬底的目标区上；另一种接合方法也是可行的，如当该小 物体到达其目标位置时利用冷却的蜡，或者通过焊接将该小物体接合 到该衬底的目标位置上。

用于操纵小物体的这种系统特别适合于操纵非常小的物体，这些 小物体明显小于由已知的用于操纵小物体的系统所操纵的小物体。本 发明的用于操纵小物体的系统能够操纵尺寸在20μm到500μm范围内的 小物体。本发明的用于操纵小物体的系统进一步适合于并行地操纵多 个小物体。

多种液体都适合于形成该小滴流体，甚至可以使用蒸汽泡。该运 载小滴流体应该具有粘附力，并因此应该具有表面张力，从而使该小 滴流体以稳定的方式运载该小物体。目标小滴流体与该小物体的粘附 力应该比该运载流体与该小物体的粘附力大，或者电润湿效应应该使 目标小滴流体与该小物体的粘附力增大，以大于该小物体与运载流体 的粘附力。

参考从属权利要求中限定的实施例来进一步详尽阐述本发明的这 些和其他方面。

优选的是，用于操纵小物体的系统还具有在衬底上的目标小滴流 体，该小物体具有高润湿性的目标侧。即，承载侧对运载流体具有适 度粘附力，而目标侧对目标流体具有较大粘附力。在一些应用中，同 一种流体既可以用作运载小滴流体也可以用作目标小滴流体。例如， 当该流体是水或水溶液时，承载侧具有较低程度的适度亲水性，而目 标侧具有更强的亲水性。

当在操作中时，载体用指向小物体承载侧的运载小滴流体拾取待 操纵的小物体。然后该小物体通过运载小滴流体与载体弱连接。例如， 该小物体留在该运载小滴流体上，或者当采用略微亲水性的承载侧 时，该小物体悬在该载体上。然后将带有与运载小滴流体连接的小物 体的载体，即载有小物体的运载小滴流体移动到衬底，从而使该小物 体的目标侧接触目标小滴流体。由于该目标侧是更强烈亲水的，因此 小物体与目标小滴流体的连接比该小物体与运载小滴流体的连接更 强。通过移动载体离开衬底，首先断开运载小滴流体与小物体的连接， 小物体保持与衬底上的目标小滴流体连接。这样，将小物体放置在衬 底上。然后，通常例如通过蒸发目标流体的流体蒸发而除去该目标小 滴流体。

优选的是，预先制备衬底，目标小滴流体置于预定位置或按照预 定空间图案放置。因此，一个或多个小物体自动设置于这些预定位置 或根据该预定图案放置。因此，小物体不需要对衬底表面上的适当路 径进行繁重的搜索就可以到达其衬底上的目标位置。

当运载和目标小滴流体相对于小物体较小时，获得了用于拾取该 小物体并将其放置在适当位置的特别好的结果，从而使该小滴流体的 尺寸，特别是当小滴流体位于载体或衬底上时该小滴流体的厚度，与 小物体的尺寸，特别是小物体在横截于所讨论的该小滴流体的方向上 的尺寸之比在1/10到1/3的范围内。最有利的是，这一比值约为1/5。 在小物体的横向尺寸和小滴流体厚度之比为1/10到1/3的范围内，所 讨论的通过小滴流体运载的小物体或者悬在小滴流体上的小物体实现 了稳定平衡。值得注意的是，当小物体和小滴流体的尺寸之比在优选 范围内时，几乎从来不会出现运载小滴流体的意外破裂或者目标小滴 流体的意外破裂。此外，所讨论的小滴流体的厚度应该大大低于小物 体横向尺寸(宽度)的1/2，即小于1/3，从而使该小物体以稳定的方 式留在小滴流体的顶部。另一方面，小滴流体相对于该小物体的宽度 不应该太薄，从而使小滴流体能够有效地将小物体与其上设置小滴流 体的表面分开。特别是，小滴流体优选应该比小物体的宽度的1/10更 薄。这样，加载的小滴流体在其上移动的表面的不规则性不会妨碍载 有小物体的小滴流体的运动。

优选的是，衬底具有一个或多个电极。这些电极可以设置在衬底 的表面上或该表面下。通过施加电压可以驱动这些电极。这一电压影 响运载小滴流体和衬底表面之间的相互作用。值得注意的是，运载小 滴流体和衬底表面的接触角随该衬底相对于该流体的电势系数而增 大。即，当施加电压时，使该衬底在电极区域中更加亲水。这一现象 经常称为“电润湿”，并在H.J.J.Verheijen和M.W.J.Prins撰写 的论文“Reversible electrowetting and trapping of charge： Model and Experiments”，in Langmuir 19(1999)6616-6620中更 详细地讨论。在操作中，当待操作的小物体与目标小滴流体接触时驱 动该电极。然后电润湿效应使衬底表面更亲水，从而使目标小滴流体 集中在电极区域附近。此外，当驱动该电极时，小物体与目标小滴流 体的接合比该小物体与运载小滴流体的接合更强，当运载小滴流体移 开时更容易断开小物体和运载小滴流体之间的连接。

更优选的是，将电极形成空间形状，从而使其对应于待操纵的小 物体的形状。当小物体放置在目标小滴流体上时，电极的电场使目标 小滴流体上的小物体沿着该电极的形状自动定向。当目标流体蒸发 时，小物体位于电极顶部。因此，待操纵的小物体旋转或翻转，并且 可获得随机方位，不需要特别的步骤就可将小物体放置在衬底上其正 确方向上。

权利要求8中限定了采用本发明的用于操纵小物体的系统的非常 实用的实施例。拾取运载小滴流体从容器中置于拾取板上。一般来说， 在拾取板上布置大量拾取运载小滴流体。优选的是，拾取板具有按照 预定空间图案设置的许多电极。在驱动这些电极时，根据这些电极的 图案自动布置该拾取运载小滴流体。特别是，微射流阵列对于在拾取 板上放置许多拾取运载小滴流体是很实用的。值得注意的是，该微射 流阵列允许并行处理大量拾取运载小滴流体。随后，拾取板上的拾取 运载小滴流体例如通过将小物体从存储板上升高而负载了该小物体。 然后将待操作的小物体发送到供给板，供给器目标小滴流体置于该供 给板上。载有小物体的拾取板和运载供给器目标小滴流体的供给板移 动到彼此接近，从而使该小物体用其高润湿性侧接触供给板上提供的 供给器目标小滴流体。然后拾取板和供给板彼此移开，从而从供给板 提升或者拾取该小物体。然后将载有小物体的目标小滴流体经接头运 送到放置板，该接头连接供给器板和放置板。接头可以是挠性接头， 从而使拾取板和放置板可以彼此相对移动，同时使它们通过该挠性接 头保持连接。供给器板有多个电极，在驱动时使被驱动的电极周围的 区域更加亲水。连续驱动邻接电极，使目标小滴流体例如逐步地在电 极上朝该挠性接头移动。可以将加载的目标小滴流体越过挠性接头运 送到放置板。即，允许加载的目标小滴流体滚下挠性接头到达放置板 上。为此，挠性接头具有其邻接电极。然后通过连续驱动挠性接头的 电极，在该挠性接头上传送加载的供给器目标小滴流体。按照这种方 式，供给器目标小滴流体还起到将小物体从该供给器板经接头运送到 放置板的作用。

邻接电极和控制这些电极的连续驱动从而控制小滴流体的传送的 适当设计本身在M.G.Pollack等人撰写的论文“Electrowetting- based actuation of liquid droplets for microfluidic applications”，in Appl.Phys.Lett.77(2000)1725-6中公开。

放置板具有放置电极的图案。当驱动放置板上的放置电极时，根 据当通过向放置板的放置电极施加电压而驱动该放置电极时产生的电 润湿效应，很容易将载有小物体的供给器目标小滴流体移动到放置板 上，和/或在放置板上定向。优选的是，本发明的用于操纵小物体的系 统具有检测系统，该检测系统区分带有负载的运载小滴流体和空的运 载小滴流体。集成光学检测器非常适合于检测运载小滴流体上是否存 在小物体。将空的供给器目标小滴流体从拾取板上除去。这是通过使 其上检测到空的小滴流体的电极不起作用而实现，从而使空的小滴流 体不再保持在合适位置。根据检测系统的输出信号来控制使拾取板上 的电极不起作用。当输出信号对应于空的运载小滴流体时使电极不起 作用。可以提供具有电极段的排放管线来排空这种空的小滴流体。

最后，将供给器目标小滴流体上的小物体运送到器件衬底上。在 该器件衬底上提供了衬底电极，在驱动该衬底电极时，该衬底电极将 衬底小滴流体保持在适当位置。放置板和器件衬底彼此移动，从而使 放置板上的小物体接触衬底小滴流体。当控制向器件衬底上的衬底电 极和放置板上的放置电极施加的电压时，衬底小滴流体与小物体的粘 附力比放置板上供给器目标小滴流体与小物体的粘附力大。然后，器 件衬底和放置板彼此移离，小物体保持在器件衬底上。然后例如简单 地通过蒸发除去衬底小滴流体。优选的是，衬底电极形成为在驱动该 衬底电极时定向小物体。根据预定的图案进一步设置衬底电极，所述 图案对应于将要形成在器件衬底上的电子电路的电路图。这样，根据 图案和衬底电极预定图案的定向来放置小物体。因此，当已经除去衬 底小滴流体时，在器件衬底上形成了具有由非常小的物体构成的非常 小的元件的电子电路。因此，衬底电极可以起电子电路中的电连接的 作用。

参考下文中描述的实施例和附图说明本发明的这些和其他方面， 其中：

图1示出本发明的系统的示意图；

图2示出在本发明的系统的衬底中采用的电极的两个示例；

图3示出采用本发明的操纵小物体的系统的实例。

图1示出本发明的系统1的示意图。小物体2一开始(a)放置在 载体3上的运载小滴流体4上。然后载体3朝衬底5移动，小物体将 要放置在衬底5上。载体3移动(b)该小物体到置于衬底5上的目标 小滴流体6附近，使小物体与目标小滴流体接触。小物体2接触目标 小滴流体6的一侧是该小物体的高可湿性侧，因此，小物体与目标小 滴流体6的接合变得比该小物体与运载小滴流体4的接合更强。在操 纵小物体的系统的下一阶段操作(c)中，通常通过使载体3远离衬底 5移动而使该载体和衬底彼此远离移动。然后，首先断开小物体2和运 载小滴流体之间的连接，小物体2保持与目标小滴流体6的连接，并 且小物体2悬在衬底5上。衬底5具有与电压源10连接的电极7。电 压源10向电极施加电压，因此通过电润湿效应，充分增强了目标小滴 流体和小物体的粘附力，特别是与该小物体的高可湿性一侧的粘附 力。电压源10施加于电极的电压是可调的，从而控制该目标小滴流体 与小物体的粘附力。

图2示出在本发明的系统的衬底中采用的电极的两个示例。特别 是，图2a和2b示出根据所包含的该小物体而成形的电极7的两个例 子的顶视图。图2a示出具有三个扇形71、72、73的电极7。该电极 特别适合于根据扇形71、72、73的方位而定向该小物体。即，当向电 极7施加电压时，在扇形71、72、73附近的电润湿效应比两个扇形之 间的区域中的电润湿效应强。因此，在能量方面有利于小物体根据扇 形71、72、73对准。类似地，图2b示出具有伸长形状的电极7，特 别是非常适合于沿着电极7的长轴74定向该小物体的椭圆形。

图3示出其中采用了本发明的用于操纵小物体的系统的实例。在 图3的实施例中，拾取板31用作载体3，该拾取板上设置多个电极81、 82。根据用于驱动这些电极的图案而在该拾取板上放置大量拾取运载 小滴流体4。随后，拾取运载小滴流体4装载小物体。在图3的实施例 中，小物体悬在该拾取板上。类似于图2中示出的简单例子，拾取板 31朝进给板51移动，该进给板用作其上放置了小物体的衬底。进给板 51具有多个电极75、76。在进给板51上，放置了几个供给器目标小 滴流体6。利用施加于电极75、76的电压和进给板51上电极75、76 的形状，根据电润湿效应来控制这些供给器目标小滴流体的位置。拾 取板31朝进给板51移动，以便使该拾取板上的小物体4接触到供给 器目标小滴流体。在下一个阶段中，拾取板31远离该进给板移动，将 这些小物体留在该进给板上。图3中示出这一操作阶段中的用于操纵 小物体的系统，其中拾取板31刚好将小物体4移交给进给板51。如图 3中所示，一些目标小滴流体没有载有小物体。进给板51上的电极75、 76分成多个段，相邻的电极段是可以利用电压单独寻址的。通过连续 驱动相邻的电极段，目标小滴流体移过进给板51。来自进给板51的目 标小滴流体作用于检测系统90，在该检测系统中辨别出空载的目标小 滴流体并将其移动到容器91中。随后将加载的目标小滴流体移过挠性 接头100和放置板110。挠性接头100和放置板110都具有分段电极 101、102和111、112。在连续施加于挠性接头100的相邻电极段101、 102的电压控制下，加载的目标小滴流体移过该挠性接头。最后，加载 的目标小滴流体停留在放置板110上放置电极111、112上的期望的位 置处。在施加于放置板上的电极段111、112的电压控制下，加载的目 标小滴流体停留在该放置板上。

为了向进给板51上的电极段75、76、挠性接头100上的多段电 极101、102和放置板110上的放置电极段111、112施加电压，用于 操纵小物体的系统具有可调节的电压源115，该电压源也具有微处理机 (μ)。通过电子电压分配系统116使电压源115与多个电极段连接。 对微处理机(μ)进行编程，以控制向进给板、挠性接头和放置板的相 邻电极段连续施加电压。最后，将具有小物体的放置板移动到器件衬 底52，该小物体加载到供给器目标小滴流体上，而该供给器目标小滴 流体现在保持在放置电极上的适当位置。在器件衬底上提供了衬底目 标小滴流体61。放置板和器件衬底移动到彼此接近，从而使放置板110 上的目标供给器小滴流体6上的小物体接触衬底目标小滴流体61。在 衬底上设置衬底电极113，通过具有微处理机的电压源117和电子电压 分配系统118驱动该衬底电极。当驱动该器件衬底上的衬底电极113， 而放置板上的放置电极111、112无效时，该小物体与衬底目标小滴流 体61连接，并脱离放置板110上的供给器目标小滴流体6。一旦带有 其小物体的加载小滴流体置于器件衬底上的适当位置，就通过例如蒸 发除去该衬底目标小滴流体，那么小物体就置于放置板上。例如，当 小物体是微型集成电路时，它们形成了该器件衬底上形成的较大电子 电路。