用于单个纳米颗粒检测的固态纳米孔器件的仿真与优化

基于固态纳米孔器件的检测技术是近年来的研究热点,它可广泛用于各种纳米颗粒、生物分子检测及DNA测序等各个领域.采用数值方法对两种常用的纳米孔器件,即圆柱形纳米孔和棱台形纳米孔器件在检测纳米颗粒穿过时的局部电场变化以及离子电流特性进行了系统性的仿真和分析,提出了采用纳米孔阻塞电流因子,来评估器件性能.在此基础上,深入分析和讨论了纳米孔的孔径和孔深等参数的变化对检测纳米粒子性能的影响,并提出了优化的纳米孔器件设计方案.研究结果对纳米孔器件的制备,以及其在检测纳米颗粒的应用实践中提供了理论指导.     

动态光散射测量超细颗粒实验系统仿真

由于进行动态光散射超细颗粒大小测量实验困难.为准确测量,利用多尺度的小波变换技术,提出了一种小波变换的动态光散射信号的模拟方法,建立了一个测量超细颗粒的实验仿真系统.首先,系统采用小波变换的信号模拟方法获取动态光散射信号,然后,利用AR模型谱估计方法对模拟信号进行功率谱计算,最终采用非线性最小二乘法对功率谱进行拟合反演出粒径,从而实现了颗粒测量实验系统的仿真.采用该系统,对100nm及500hm颗粒测量实验进行了仿真,仿真测量的粒径反演误差分别为1.22％及0.82％,满足国标误差要求.因此,改进系统用于动态光散射测量超细颗粒实验仿真是可行的,为动态光散射技术的研究提供了一种简易、便捷的实验方法.     

几种基于MEMS的纳米梁制作方法研究

特征尺度在纳米量级的梁结构是多种纳机电器件的基本结构.提出了几种基于MEMS技术的纳米梁制作方法,通过利用MEMS技术中材料与工艺的特性实现单晶硅纳米梁的制作.在普通(111)硅片上,利用各向异性湿法腐蚀对(111)面腐蚀速率极低的特性,通过干法与湿法腐蚀相结合制成厚度在100 nm以下的纳米梁.该方法不使用SOI硅片,有效控制了成本.在(100)SOI硅片上,通过氧化减薄的方法得到厚度在100 nm以下的多种纳米梁,由于热氧化的精度高,一致性好,该方法重复性与一致性均较好.在(110)SOI硅片上,利用硅的各向异性腐蚀特性以及(110)硅片的晶向特点,制作宽度在100 nm以下的纳米梁,梁的两个侧面是(111)面.     

异面结构GaAs光导开关耐压特性研究

光导开关用于产生高功率脉冲,提高光导开关的耐压能力可有效提高器件的输出功率。用SIL-VACO软件对共面和异面电极结构的GaAs光导开关进行了仿真分析,比较了两者的击穿电压,指出异面开关耐压性能优于共面开关。对设计制作的3mm间隙宽度的GaAs光导开关进行了耐压特性试验,并结合模拟结果进行分析。模拟结果和试验结果表明：和共面电极结构相比,异面结构的光导开关具有更高的耐压能力,击穿电场可达7．67kV／mm。     

精密压阻弹性体及力敏触觉传感器阵列

空气热氧化用多元醇溶剂热方法得到的金属钌纳米颗粒,可以得到纳米氧化钌颗粒,将其与金属钌纳米粉体混合,使其具有适当的聚集特性,将混合粉体与硅橡胶复合,呈现具有良好的压阻重复性和压阻敏感性,测量不同尺寸电极间的压阻行为,表明此种导电硅橡胶在毫米尺寸以上呈现一定的标度不变性,表明材料在一定尺寸范围内满足微型化要求,适用于集成的压阻弹性体应力测量阵列,我们制备了测量面载荷分布的阵列电极,设计了用于动态触觉传感测量的电路和支持软件,结果表明,针对压阻材料电阻/载荷敏感特性,通过每个压阻单元微秒级的信号获取和数据处理,可以实现毫米尺度的静态或动态载荷三维成像,该传感阵列的可重复和定量特性使其基本满足实用的人体工学器件要求。     

微器件自动装配系统的定标和操纵策略

主要研究了自动微器件装配系统的定标技术和操纵策略两个问题.在加入了尺度因子优化步骤之后,一种基于Tsai两步法的自定标方法实现了亚微米级的定标精度,并且获得了更加可信的定标角度参数.这种定标方法应用于微器件装配系统中并可以实现高精度的微器件定位.除了精确定标之外,我们还应该选择合适的工作环境来控制粘附力的大小来提高微器件操纵成功率,选择合适的夹持和释放方式来提高微器件操纵效率和释放位置精度,选择一种安全简单的移动路径来缩短移动时间.实验表明,我们的自动微器件装配系统可以在10 s内完成一个器件的定位和移动操作,并实现数微米的释放位置精度.     

单片机在光导器件稳定性测量中的应用

光导器件稳定性测量在工程中有着广泛的应用前景。本文提出一种软硬相结合的光导器件稳定性测量方法,以单片机为核心构建了信号处理和控制电路,实现对不同测量条件下光导器件上输出的模拟信号的采集和各种辅助装置的控制,然后传输到上位机进行处理分析,得出光导器件稳定性参数指标。     

微/纳米冰镊操作器执行过程的数值模拟

冰镊是一种借助于针尖与作用对象之间形成的极微小冰晶来实现对物体灵巧操纵的微/纳米操作技术,应用该器件不仅可以实现如拾取、摆放等简单动作,更可以方便地实施如拉伸、旋转等复杂操作,且不受对象的形状、带电与否、重量、材料以及质地等限制,并可与其它机构结合,组成微观意义上的自动化设备.针对冰镊的工作原理,基于相应的流体力学及传热学数学模型,从数值计算角度对微纳米尺度下冰镊的执行过程进行了模拟,在此基础上可望更好地理解冰镊的工作状态及控制过程,从而有助于设计优化新的微/纳米冰镊器件.     

水基TiO2纳米浆体的制备及其分散稳定研究

纳米TiO2颗粒经表面处理制得稳定分散的水基TiO2浆体.谢乐公式计算出晶粒平均粒径均为58.0nm左右,HRTEM谱图观察晶粒粒径约为50nm左右与谢乐公式计算相一致,且纳米粒子基本呈椭圆形,SDBS包覆于纳米粒子表面,起到空间位阻作用抑制了纳米颗粒的团聚.实验研究了溶液pH值、分散处理时间和分散剂用量等因素对浆体稳定性的影响,结果由FT-IR分析表明,较佳的工艺条件下制得的浆体溶液中,SDBS对TiO2颗粒的吸附方式由物理吸附趋于化学吸附,并以多层吸附的形式通过静电作用和空间位阻作用有效防止纳米粒子团聚,制得了稳定分散的水基纳米TiO2浆体.     

随机栅长变化引起纳米MOSFET失配模型

随着CMOS技术进入纳米工艺,随机栅长变化成为影响集成电路性能和成品率最重要因素之一.文中分析并验证了纳米MOS器件随机栅长变化导致电流增益因子与阈值电压的之间的相关性及失配解析关系式,并以此为基础,结合偏差传递理论实现了22 nm工艺MOSFET电流失配模型.仿真实验结果表明,该模型揭示了短沟道效应导致的器件阈值电压变化改变了载流子有效迁移率,进而影响电流增益因子及器件电流的规律,精确地估计了随机栅长变化导致的电气参数统计变化特性.     

纳米级动态粘着接触的有限元模型与仿真

对纳米级动态粘着接触过程进行仿真,是为了研究微纳米尺度的机电系统(如MEMS)中所存在的纳米级表面接触和摩擦,对系统进行减粘附设计.利用商用有限元分析软件ANSYS建立的纳米尺度的动态粘着接触模型,采用原子间Len-nard-Jones作用势函数来描述表面力,用数值求解的方法来描述基本球-盘模型的接触-分离行为,最终得到接触过程的力-位移曲线和枯着接触的分离点和粘着力的大小.将有限元粘着接触模型仿真所得结果与常用的接触模型(DMT模型、JKR模型)解析解对比,证明了有限元粘着接触模型的适用性.由于有限元模型不受接触副几何形状和材料性质的限制,可以进一步对表面形貌修饰后的粘性接触过程和多峰粘着接触过程进行仿真.     

纳米压痕仿真软件系统的开发

随着纳米技术的发展,人们越来越关注材料在纳米级条件下的力学性质。以分子动力学方法为基础。开发了纳米压痕仿真软件包（NIMS1.0）。软件包括前处理、求解、后处理等三个模块。可以仿真纳米压痕全过程。能够方便地获得和跟踪试样的多种重要参数。显示二维、三维仿真结果,输出载荷-压痕曲线并计算纳米硬度值。通过仿真,可以对实验中无法观察到的现象进行研究并探索其机理。将仿真结果与实验结果相比较,验证了仿真的可靠性。软件本身具有良好的可扩展性和可移植性。作为纳米压痕技术的重要辅助与补充。该软件为纳米科学研究提供了又一有力手段。     

利用DEP和流体驱动的碳纳米管组装研究

碳纳米管在微结构上的组装是实现纳器件的关键.本论文分别采用电泳和流体驱动方法对两种不同的多壁碳纳米管进行了排布组装研究.电泳过程中频率一定时,增加电压或电泳时间,碳管沉积的密度增加;流体排布组装过程中,适当的流体速度得到较好的排布效果;较直的碳管取得更好的排布组装效果.同时根据实验结果对电泳和流体驱动两种组装方法的优势和问题进行了比较,结果表明,介电电泳组装能实现在电极间的定位组装,流体排布组装可实现较大面积的均匀排布.     

Automatic assembly simulation of product in virtual environment based on interaction feature pair

In engineering practical implications, assembly simulation is a useful solution to test the planned assembly process and address assembly issues. However, it is usually carried out by time-consuming human–computer interaction, which causes a lot of unavoidable laborious work. Assembly simulation could exhibit the design intent in virtual environment through the interactions between parts. Unfortunately, the models which modeled with current constraint-based method cannot provide sufficient interaction information to support assembly simulation, and the needed information should be added by designers manually. To solve this problem, this paper introduces the concept of interaction feature pair (IFP) and presents an automatic assembly simulation method based on IFP. The proposed IFP provides a form that endues a part with the capability of knowing which part is going to interact with and how to interact. Based on IFP, the automatic assembly simulation is carried out in two steps: First, a graph-based method in presented to generate the interaction sequence, which provides the information that when and which feature should be mated during assembly. Then, the randomized motion planning is employed in the established C-space to find a collision-free path for each part, and the planning results in C-space are transferred into the movements of parts in simulation environment. With these two steps, the parts could interact with other parts under a certain interaction sequence, which automatically simulates the assembly of the product. Finally, an implementation sample is presented and the results show the effectiveness of the proposed method.     

Measuring the instability of AC arc discharges

A digital approach using a microprocessor has been developed to give accurate values for AC arc discharge instabilities. This case study is based on theoretically interpreting the instability of arcs in terms of an instability factor related to the deviation of instantaneous values of arc voltages from a predetermined average value. A simple AC atmospheric pressure low-power arc discharge simulation circuit is used and the microprocessor-based measurements applied were found to give accurate indications of instability factors at different arc gaps. This article describes the hardware and software aspects of the system, accounts for the results and provides final critical remarks.     

LCL-S型注入信号式能量与信号共享通道ICPT系统研究

针对感应耦合电能传输(Inductive Coupled Power Transfer,ICPT)系统应用场景中的信号反向传输需求,提出了一种基于LCL-S谐振拓扑的注入信号式ICPT电能信号共享通道系统。运用交流阻抗法对所提出的系统的电能通道与信号通道分别进行了理论分析,建立了数学模型。以负载得到的电压恒定为前提,兼顾信号调制解调结构的影响,分析计算了系统参数,并搭建了MATLAB/Simulink验证模型。仿真结果表明,信号传递电路引入后,负载可以实现恒压,系统能量传输正常,在保证能量传输的情况下,可以实现信号的反向传输。最后按照仿真模型搭建了实际电路,验证了所提出的系统的可行性。     

Hybrid molecular dynamics-continuum simulation for nano/mesoscale channel flows

The present study deals with multiscale simulation of the fluid flows in nano/mesoscale channels. A hybrid molecular dynamics (MD)-continuum simulation with the principle of crude constrained Lagrangian dynamics for data exchange between continuum and MD regions is performed to resolve the Couette and Poiseuille flows. Unlike the smaller channel heights, H < 50σ (σ is the molecular length scale, σ ≈ 0.34 nm for liquid Ar), considered in the previous works, this study deals with nano/mesoscale channels with height falling into the range of 44σ ≤ H ≤ 400σ, i.e., O(10)–O(10²) nm. The major concerns are: (1) to alleviate statistic fluctuations so as to improve convergence characteristics of the hybrid simulation—a novel treatment for evaluation of force exerted on individual particle is proposed and its effectiveness is demonstrated; (2) to explore the appropriate sizes of the pure MD region and the overlap region for hybrid MD-continuum simulations—the results disclosed that, the pure MD region of at least 12σ and the overlap region of the height 10σ have to be used in this class of hybrid MD-continuum simulations; and (3) to investigate the influences of channel height on the predictions of the flow field and the slip length—a slip length correlation is formulated and the effects of channel size on the flow field and the slip length are discussed. An erratum to this article can be found at     

基于ALGOR的汽车钢板弹簧疲劳仿真分析

针对汽车平衡悬架钢板弹簧设计过程中,对力学特性和疲劳寿命仿真计算效率、精度等要求很高的问题,利用Auotodesk Inventor建立某汽车多片钢板弹簧的CAD模型并进行合理的模型简化;应用ALGOR的非线性MES模块求解接触应力及总成预应力;通过ALGOR Fatigue Wizard进行疲劳寿命预测,提出S-N曲线的获取方法并对比修正结果.结果表明：在交变载荷作用下,最小疲劳寿命处于最大主应力位置;Goodman的结果修正更可靠.另外,ALGOR中的自动六面体网格技术、S-N曲线自动生成等前后处理技术可大大降低仿真技术应用的难度.     

复杂装配体多层次装配路径规划研究

针对传统装配路径规划方法应用于复杂装配体时出现的组合爆炸问题,提出了一种基于人机交互的改进A-Star(A*)算法多层次装配路径规划方法。算法在传统启发式路径规划算法的基础上引入了干涉威胁概率、平滑度代价、权重系数参数,实现了算法不同侧重方向的最优路径寻找。算法首先根据基于人机交互的路径规划方法结合操作者的装配经验将复杂装配体划分为多个装配层次段,其次对各层次段中的装配零部件运用改进A*算法求解最优拆卸路径,并最终根据路径反演原则生成整个复杂装配体最优装配路径。结合算法仿真对比与KUKA工业机器人路径规划实例验证,得出上述方法较传统启发式路径规划方法提升了路径规划效率,满足了工业生产中复杂装配体自动路径规划需求。     

Carbon-based nanoprobes for cell biology

Since the discovery of carbon nanotubes, many researchers have attempted to utilize carbon nanotubes and nanopipes as nanoprobes, in particular for cell probing. These attempts have proved challenging due to the difficulty of interfacing the nanostructures with macroscopic handles. Recently, we developed a new manufacturing technique that allows us to fabricate integrated carbon nanopipettes (CNPs) that consist of a macroscopic glass handle with a carbon nanopipe at its tip. The manufacturing process does not require any assembly. The CNPs can function as multifunctional probes by allowing liquid flow through their hollow lumen and facilitating electrical measurements through their conductive carbon lining. Furthermore, the carbon nanopipe’s surface can be functionalized with proteins and oligonucleotides to facilitate the immobilization of macromolecules. In this review article, we recount the development of nanoprobes, discuss how prior art motivated the development of CNPs, and summarize the utilization of CNPs as cellular probes, in particular for injecting reagents into cells and for monitoring cell membrane potential. We also comment on the characteristics of liquid flow through the carbon pipes that form the CNPs’ tips.