介电泳辅助的药物洗脱支架载药机理

针对微探针型药物洗脱支架局部载药的特殊要求,提出基于介电泳自组织的载药新方法。首先根据介电泳装配原理,建立介电泳辅助的药物洗脱支架载药模型,并结合量纲一介电泳力及粒子运动控制方程,对解空间内介电泳力分布及粒子运动轨迹进行有限元模拟,讨论粒子相对电极位置及布朗运动对其装配效率的影响,在理论上证明基于介电泳装配的载药方案完全可行。最后在数值模拟的基础上,通过支架表面尖端载药测试平台,对理论预测进行了试验验证。试验结果表明：在去离子水中,当电压峰—峰值为10 V,频率处于0.1～1.0 MHz范围内时,直径4.4 mm的乳胶颗粒在正介电泳力作用下向尖端聚集,且当频率约为500 kHz时,其粒子运动速度达到最大。     

基于宏弯损耗原理的光纤微力传感器北大核心CSCD

针对微操作/微装配系统中夹持力和装配力微小、不易感测,且微器件易变形、断裂等问题,设计一种基于宏弯损耗原理的光纤微力传感器,用于微力传感。建立了光纤微力传感器测量微小力的传感方程,仿真研究了微力传感器结构参数对传感性能的影响,并通过测试验证了理论模型的正确性。结果表明:基于宏弯损耗的光纤微力传感器可实现微小力的绝对测量,并且可以通过优化光纤微力传感器的结构参数,实现分辨率和测量范围的调整。文中研制的光纤微力传感器,分辨率可达6 mN。     

毛细力辅助飞秒激光直写制备各向异性及多级结构

将飞秒激光双光子聚合加工技术和毛细力诱导自组装技术相结合实现了各向异性结构和多级结构的制备。首先,使用飞秒激光双光子加工技术加工出微柱阵列,将微柱置于显影液中显影,然后放置在空气中。在显影液蒸发的过程中,微柱结构单元受到毛细力的作用而弯曲实现自组装。通过控制微柱的高度和直径的不一致性实现了两种各向异性结构制备方法,并成功制备了底层微柱直径分别为2μm和6μm双层结构。由于毛细力的大小和微柱高度无关,且同样端部变形量下较高微柱的弹性回复力小于较低微柱的弹性回复力,更易发生弯曲;直径较大的微柱具有更强的抗弯曲能力,从而引导直径较小的微柱向较大的微柱倾斜,藉此制备了各向异性结构。使用毛细力自组装辅助飞秒激光微纳加工可以实现灵活可控的复杂3D结构的加工,并将在生物医药、化学分析、微流体等领域发挥重要作用。     

微装配系统三维坐标变换的研究

提出了基于立体视觉的微装配系统中微器件三维坐标变换的方法.该方法的系统模型中综合考虑了CCD摄像系统、显微成像系统、工作台以及微夹持手等多坐标系统,并运用光学原理,建立了微装配系统中微器件成像关系.研究分析表明,这种方法是一种有效、简单、易行的方法.     

微器件装配系统与关键技术

微装配技术是实现组合结构的微机械电子学系统的关键技术之一。本文介绍了目前两种典型的可以实现不同功能的微器件装配系统以及设计微器件装配系统的关键技术。     

基于毛细力的芯片微操作方法研究

提出一种基于毛细力的芯片微操作方法,可实现微芯片的精准拾取、释放以及与尺寸匹配的基底的高精度自对齐。开发可精确模拟液桥形态的双迭代算法,求解微芯片操作过程中的拾取力与释放力,深入研究基于毛细力的微芯片的拾取以及释放的机理以及必要条件。研究液滴体积、基底接触角对微芯片拾取力和释放力的影响。结果表明,拾取力和释放力均随液滴体积的增大而增大,释放力随基底接触角的减小而增大。进一步通过试验验证基于毛细力的芯片微操作方法的可行性,研究液滴体积对微芯片操作的影响,并统计微芯片操作的成功率。基于毛细力的微操作方法在软体机器人、微机电系统、可穿戴设备的集成等领域具有潜在应用。     

三维微力探针传感器技术研究

结合光纤探针与四悬臂梁支撑结构的特点,研制了一种基于微探针形式,具有μN级三维微力测量和传感能力的压阻式三维微力探针传感器.通过ANSYS数值仿真的方法研究了传感器结构之间的应力特点.并且通过实验验证了所研制的传感器的综合精度可达到0.2%FS,干扰误差≤0.3%FS.     

介电电泳细胞分析芯片结构设计及富集效率优化

为了研制高富集效率的介电电泳细胞分析芯片,首先从介电电泳力出发,推导了悬浮细胞所受的介电电泳力公式。通过对比常规微电极的电场强度分布,选择叉指式阵列微电极构建介电电泳芯片;通过模拟不同结构参数下微通道中的电场分布对芯片结构参数进行优化设计。针对Hep G2肝癌细胞,分别分析了细胞受介电电泳力、流体力以及重力作用下的运动情况,获得了Hep G2肝癌细胞富集的初步优化条件。为了对模拟结果进行验证,采用微加工技术制作了介电电泳细胞分析芯片。以Hep G2肝癌细胞为待测样品,当芯片所施加正弦交流电压为5 V,频率为4 MHz时,获得了88.89%的富集效率。     

纳米操纵机器人及其自动化设计

在纳米技术和纳米材料领域,纳米操纵机器人已经成为一种用于分析和制作原型纳米器件的使能技术.这类纳米操纵机器人拾放操作灵活,可将单个纳米器件集成到现有的微器件中来提高微器件的总体性能和灵敏度.如今这种被称作微纳米集成装配的自动化装置不再局限于实验室使用,还需要应用于工业领域.本文综述了纳米微操作机器人的产生、集成装配和自动化等方面的基础技术,同时探讨了不同种类原子力显微镜超级探针的装配方案.     

微颗粒的三维空间跨尺度装配方法

针对微颗粒空间装配的问题,以外径为十几微米的微颗粒与外径为几百微米的柱腔装配为研究对象,开展微颗粒空间跨尺度装配方法研究。首先,针对微颗粒受到基底表面作用力影响不易被拾取与释放的问题,分析了微颗粒的受力情况,设计了真空吸附式微夹持器用于微颗粒的拾取与释放;然后,针对由于微颗粒与柱腔的尺寸跨度大,很难实现装配过程中二者空间位置实时监测的问题,设计了具有多维视觉监测功能的微装配机器人并且建立了多维视觉监测模型,实现微颗粒与柱腔装配过程的在线监测;最后,提出了基于多维视觉监测模型的微颗粒与柱腔空间半自动装配方法。实验结果证明了所提方法的有效性,并且实现了将外径为20μm的微颗粒放入外径为200μm的柱腔内的目标。该方法适用于微机电系统制造中微颗粒的三维空间装配。     

Virtual reality interface for nano-manipulation based on enhanced images

Lacking real-time visual feedback is one of the main problems in working with AFM in a nano-environment. To overcome this problem, we begin to design a virtual reality environment. First, nano-image is enhanced by using image processing technique and genetic algorithms then the location and number of nano-particles and other properties are determined. A nano-manipulation environment is implemented and the forces between the tip of the probe and nano-particle are analyzed, so that we increase the ability of user in driving nano-particle in this environment. In the first step, nano-image quality will be improved by applying different filters that each one is appropriate to eliminate one type of noise. Genetic algorithms are applied to determine a suitable set of appropriate filters among filters bank, then the location and number of nano-particles will be extracted by using image processing technique. For nano-manipulation operation, the dimensions of the base plate and exact place of nano-particles on it should be defined, and the user can choose the primary and final location of the nano-particle. The second stage of simulation is driving the nano-particle in such a way that the tip of atomic force microscopy probe aims at nano-particle with constant velocity. At this moment, the movement of the tip of the probe begins, and the nano-particle moves to a chosen place, so that the user can see the manipulation process.     

FORCE TRANSDUCER MODELING OF RECTANGULAR,V–SHAPED,AND DAGGER CANTILEVER PROBES BASED ON ATOMIC FORCE MICROSCOPY

Real-time monitoring of the nano-particle manipulation process by atomic force microscope (AFM) is almost impossible since the manipulator of the AFM is used as either the imaging or manipulation tool at a given instant. As one approach to this problem, researchers scan the area where the target particle exists, before and after the nano-manipulation. Thus, by using some fixed reference features, the new relative position of the particle is obtained from the images. However, this imaging is offline, and unexpected problems during nano-manipulation process cannot be detected. In this article, force transducer of the AFM rectangular, V-shaped, and dagger cantilevers, which convert the three-dimensional deflections measured by the detection system to corresponding three-dimensional force, are modeled and compared. So there would be a feedback from the real-time force system during nano-manipulation process, which can be utilized for better understanding and reliable handling of nano-particles. Furthermore, the manipulation forces are affected directly by spring constants of cantilever. Hence, the cantilever is the most significant and sensitive component of the AFM. Therefore, variations of the lateral, longitudinal, and normal spring constants of the mentioned cantilever for different geometrical parameters are analyzed and discussed.     

基于AFM的化学机械抛光磨粒模拟研究

当前的化学机械抛光(CMP)磨损模型中大多数都缺少微观试验数据的支持。为进步揭示CMP中纳米磨粒对材料表面的磨损机制,提出了采用原子力显微镜(AFM)来模拟CMP中的单个磨粒的试验方案,并验证该模拟试验方案的可行性。结果表明:采用AFM探针来模拟CMP过程中单个磨粒对芯片表面的磨损与相互作用的试验方案是完全可行的;可以通过AFM探针对芯片表面的相互作用与磨损,模拟得出单个磨粒对芯片表面的作用与磨损状况,并可以在此微观试验数据的基础上建立起新的CMP磨损模型。     

界面张力驱动的微粒自组装研究

界面张力驱动的液-液界面／液-固界面微粒自组装是一种新型的自组装方法，其主要原理是通过物理手段，使微粒在界面张力驱动作用下，聚集成二维有序结构。文中首先介绍了微粒自组装的基本原理和发展现状，而后对作者实现的亚毫米量级微粒自组装作了介绍，最后对实验结果进行了初步的理论分析。     

水平加热管上气泡动力特性对纳米颗粒悬浮液过冷沸腾的影响

纯水在水平加热管加热下的过冷池沸腾试验揭示出,在热流密度低于24.4 kW/m2时,加热管底部所需的过热度最低,中部次之,顶部最高;随着热流密度的增加,加热管各位置所需的过热度逐渐趋于一致。纳米颗粒悬浮液的试验发现,低热流密度时,各位置处所需过热度的差异较小,但随着热流密度的增加,加热管底部所需的过热度超过了顶部,这种差异随着颗粒浓度的增加而增加。从气泡动力学角度对产生差异的原因进行了分析,主要的结论是,考虑纳米颗粒/团聚体在加热管顶部表面的沉积/吸附,会降低加热管表面粗糙度,同时使得悬浮液微液底层内出现一个吸引力Fa,从而使得悬浮液的相变温度提高,而由于加热管中、底部分粗糙系数降低所带来的换热降低较加热管顶部要强,使得大部分热流密度下加热管顶部沸腾所需的过热度较中、底部分要高。     

基于毛细管力流体自装配系统的建模与仿真

建立了一种计算模型，用于计算基于毛细管力流体自装配系统表面自由能。运用数字图像处理中模板匹配的计算方法，实现了对任意复杂形状绑定点系统表面自由能的计算，进而仿真出表征能量状态与装配状态之间关系的能量地形图。通过分析能量地形图中对应于正确装配的全局能量陷阱和对应于误装配的局部能量陷阱，可以实现对系统装配效率的预测。     

Ni-ZrO_2纳米复合电铸层耐磨性研究

利用SEM分析了纯镍铸层,以及用直流和脉冲工艺所制备N i-ZrO2纳米复合电铸层的表面形貌,研究了直流条件下镀液中纳米颗粒悬浮量对纳米复合电铸层在干摩擦状态下耐磨性的影响,并对纳米复合电铸层磨损表面的形貌和磨损机理进行了探讨。结果表明:纳米复合电铸层的表面形貌不同于纯镍铸层;由于纳米颗粒的强化作用,使纳米复合电铸层表现出优良的耐磨性,并且磨损机理发生了变化;纳米复合电铸层的耐磨性取决于其中纳米颗粒的复合量。     

中间层液体的表面能对粘着行为中Pull-off力影响的实验研究

中间层液体膜存在的情况下,弯月面力(Cap illary Force)的作用使Pull-off力增加。中间层液体的表面能是影响弯月面力作用强度的重要因素之一。利用表面张力仪测量了1,2二氯丙烷、1,2乙二醇等5种液体的表面能,利用表面力仪测量了这5种液体作为中间层时Pull-off力的值。结果表明,在一定范围内,粘度相近液体量相同时,Pull-off力随表面能增加而增加;表面能相等时,Pull-off力随液体量增加而增加。