粗糙度对微流道内流体连续自搬运的影响

微流控芯片中各功能单元间样品的运输依赖于流体在微通道中的流动,尺度效应加剧表面作用效果,使得微流道内流体无需外部动力即可实现连续铺展搬运。为了深入研究微流道内流体的流动机制和动力学特性,分析影响微流道内流体自搬运效率的因素,基于近似Derjaguin法的同时充分考虑表面能和Casimir效应,利用数值计算和实验相结合的方法分析了微流道内壁粗糙度对流体流动特性和自搬运效率的影响,明确了微流道内流体的本构方程和流动控制方程,并设计搭建实验台验证所得结果的有效性和可靠性。结果表明：内壁粗糙度是影响微流道内流体流动特性和连续自搬运效率的重要因素;当粗糙度等效齿数、等效齿高和等效齿倾角变化时,微流道内近壁面齿隙间的主漩涡和伴生涡都相应改变,导致流体自搬运效率发生相应变化。研究结果对解决微流控润滑和微流控芯片减阻防粘等设计和使用问题具有重要理论指导意义,对微电子机械系统的小型化和集成化设计具有一定的参考价值。     

PDMS微流控芯片微筛阵列流场的Micro-PIV分析

针对微流控芯片上的细胞培养技术,很多微流控芯片设计力图追求高通量,但并未考虑芯片中流场的分布状态,导致细胞培养效果不佳.本文介绍了直径1μm的荧光粒子以30μL/min的速度注入芯片中,利用Micro-PIV技术对设计的含有16μm微筛阵列的PDMS微流控芯片进行流场、流速的测试与分析,得到高分辨率的流场、速度矢量分布图,并且与ANSYS软件模拟结果进行比较.实验结果表明:液体经过微筛阵列时,流速逐渐减小,流场分布稳定均一,模拟结果与实际结果吻合.     

PDMS微流控电泳芯片的快速制备

采用Protel软件绘制微流控沟道的形状,利用电路板制作技术加工出模具.该芯片由PDMS基片和PDMS盖片组成,微流控沟道位于基片上,深度和宽度分别为75μm和100μm,由盖片对其进行密封.考察了有绝缘漆模具和无绝缘漆模具制作的芯片的电泳分离情况.在所制作的PDMS微流控电泳芯片上对用异硫氰酸酯荧光素标记的氨基酸进行了电泳分离,当信噪比S/N=3时,最小检测浓度达到0.8×10-11mol/L.     

模板电解法快速制作玻璃微流控芯片

玻璃微流控芯片在许多领域已经得到较广泛的应用,但目前的加工需要繁琐的步骤及昂贵的设备进行图形转移及金属牺牲层开窗口.本文提出一种快速制作金属牺牲层图形窗口以用于玻璃微流控芯片加工的方法.以CO2激光直写加工PET膜模板,微细电解加工玻璃基片上的铬/金牺牲层快速获得窗口,湿法腐蚀及热键合制作玻璃微流控芯片.结果表明该法可在10秒内开窗口,电解加工过程使用的模板厚度、电解液组成及施加的压力与电压对窗口的质量都有显著影响.加工的微通道宽度为145μm,边缘整齐,宽度均匀,相对标准偏差为3.72%,深度μm,底部平整度高,并成功用于氨基酸混合液的芯片毛细管电泳分离.同时使用该方法加工的金微电极阵列,电极宽度为100μm,最小间距可达100μm.     

塑料微流控芯片的注塑成型

有别于传统的微流控芯片压塑成型方法,本文提出注塑成型加工塑料微流控芯片的新工艺.采用UV-LIGA技术制作成型微通道的型芯,设计制造了微流控芯片注塑模具.充模试验表明,如何使微通道复制完全是微流控芯片注塑成型的主要技术难点.模拟与理论分析表明,熔体在微通道处出现滞流现象是复制不完全的主要原因;搭建了可视化装置对此加以试验验证.利用正交试验方法进行充模试验,研究各工艺参数对微通道复制度的影响.试验表明模具温度对提高微通道复制度起决定性作用;注射速度和熔体温度是次要因素,而注射压力相对其他因素影响力较差,但必须保持在一个较高的水平.依此形成塑料微流控芯片的注塑成型工艺,对于宽80μm、深50μm截面的微通道而言,可使微通道复制度由70%提高到90%,满足使用要求.     

利用CO2激光法快速制造PMMA基材的微流控分析芯片

提出一种广泛使用的CO2激光法,以直接读写烧蚀的方式,进行快速的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基材的微流控分析芯片的制造.利用此方法所制造的微流道,将以扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）及表面轮廓仪进行各项表面性质的分析.本文所发展的CO2激光烧蚀法,提供了一个可广泛使用及具有经济效应的PMMA基材的微流控分析芯片的制造方法.在此激光制程法中,微流控分析芯片的制造图案可由商业的套装软件绘制而成,再传输至激光系统中进行烧蚀微管道,结果显示利用离焦法的激光制程技术,在没有退火处理的情况下,就可以获得表面相当平滑的微流道,表面粗糙度小于4nm.     

基于局部溶解性激活的聚合物微流控芯片超声波键合

利用低于临界振幅下的超声波作用在聚合物上仅产生表面热的特点,结合PMMA在异丙醇(IPA)中的温变溶解特性,提出了一种基于局部溶解性激活的超声波聚合物微流控芯片键合方法.理论分析表明当超声振幅小于临界振幅时,只有器件接触表面产生局部表面热,而且在70℃附近IPA对PMMA的溶解性才具有良好的激活作用.在试验研究中,利用精密加工法和热压法制作了带面接触式导能筋结构和80μm×80μm微通道的PMMA微流控芯片基片.在超声振幅为13μm、键合时间8 s、键合压力300 N的条件下进行了键合试验.结果表明,芯片拉伸强度达2.25 MPa,微通道的承压能力超过800 kPa,键合后导能筋无熔融,微沟道变形率小于2%,键合时间仅为8s.该方法的键合强度和键合效率明显高于传统的键合方法,而微结构的变形率却较小,故可作为一种具有产业化前景的聚合物MEMS器件快速封接方法.     

流动聚焦微气泡流型分布及控制参数实验

介绍了一种基于毛细管流动聚焦方法制备微纳米量级气泡的流动聚焦微流控芯片．以水和空气为工质,在一定的压力和流量下,利用高速摄影技术研究微气泡的尺寸、发生频率和形成过程．分析了表面张力、气体压力、液体流量等参数对微气泡直径和发生频率的影响．实验结果表明,该微流控芯片可以稳定产生直径微米量级的微气泡,操作简单,在微反应器和生物、医药等领域有良好的应用前景．     

新型超声椭圆振动无心磨削技术

本文提出一种以超声椭圆振动板取代传统导轮的新型无心磨削技术,通过对该部件中的压电陶瓷（lead zirconate titanate,PbZrTiO3,PZT）施加交流电压,在该板端面产生超声椭圆振动并控制工件的旋转速度.从振型、激振方式、结构和尺寸等方面,对该超声椭圆振动部件进行了设计,研究了输入信号参数（频率、相位差和电压幅值）与振动部件中金属板端面超声椭圆振动的形状和幅值之间的关系.实验结果表明,该超声椭圆振动板具有良好的性能,其端面的超声椭圆振动能精确控制工件旋转的速度.最后,采用改进后的超声椭圆振动无心磨床对初始直径为1 mm～5 mm的微小圆柱形工件进行了磨削实验.实验结果表明,磨削后工件的圆度误差从20μm下降至3μm     

基于微流控芯片技术的小尺寸微米级液滴制备

利用微流控芯片技术制备的皮升级微量液滴,作为独立的微反应器,由于其比表面大,高通量等优势,在生物、医学、化学、物理等领域得到了广泛应用。本工作利用软光刻技术制备流聚焦型微流控芯片,研究了微流控芯片中连续相和分散相的流速对微量液滴尺寸的影响。结果显示,增加连续相流速时,微量液滴的尺寸减小;而加快分散相流速时,微量液滴的尺寸增大。当微流控芯片的通道尺寸固定后,由于分散相和连续相的界面张力不变,通过改变连续相和分散相的流速,微量液滴的尺寸范围有限,本工作中微量液滴的尺寸为几百微米至25μm。本工作探究了微流控芯片中如何制备尺寸小于25μm的微量液滴的方法。通过添加活性剂,改变连续相和分散相的界面张力,可实现制备尺寸为10μm的微量液滴。本工作所利用的微量液滴制备方法,制备的10μm大小液滴具备更高的比表面积,反应活性将会更大、在药物释放,颜色显示等领域将有广阔应用前景。     

旋转超声磨削Si3 N4陶瓷用金刚石磨具磨损行为研究

热压烧结Si₃N₄陶瓷材料常应用于航天飞行器中关键耐高温零部件,但由于高硬度和低断裂韧性,其加工效率和加工表面质量难以满足制造需求。为了提高热压烧结Si₃N₄陶瓷旋转超声磨削加工质量,减小由于金刚石磨具磨损带来的加工误差,开展了磨具磨损行为研究。基于热压烧结Si₃N₄陶瓷旋转超声磨削加工实验,分析了金刚石磨具磨损形式;基于回归分析建立了金刚石磨具磨损量数学模型,揭示了加工参数及磨具参数与金刚石磨具磨损量间映射关系;并研究了磨损形式与磨具磨损量及加工表面粗糙度影响规律。结果表明：磨粒磨耗是旋转超声磨削Si₃N₄陶瓷用金刚石磨具最主要磨损形式,比例超过50%;主轴转速和磨粒粒度对磨具磨损量影响最为显著;且磨损量较小时,加工表面粗糙度值反而增加。以上研究可为提高旋转超声磨削Si₃N₄陶瓷加工精度和加工质量提供指导。     

反应烧结碳化硅的磨削特征

采用金刚石砂轮对(RBSiC)进行磨削, 系统研究了表面形貌、残余应力和弯曲强度等磨削特征. 结果显示, 材料主要以脆性断裂去除, 局部区域为塑性切除. 随着轴向进给增大, 表面粗糙度(R_a)增加, 为降低R_a可进行适当光刀. 随着轴向进给增加, 磨削区的冷却效果被削弱, 使磨削残余压应力值下降. 与0.9 μm/s相比, 用1.35 μm/s磨削后试样的表面损伤程度增加. 工作台转速2.1 r/min、轴向进给0.9 μm/s并光刀1 min是保证高加工效率并获得较好质量表面的最优参数.     

激光加工技术的生物PCR荧光分析方法中荧光标准模板的研究

运用激光加工技术对荧光标准模板进行了研究,获得的初级荧光标准模板有6个独立的模拟微通道(宽104μm,深56μm),在每个单独的模拟通道两端拥有两个直径为200μm的微孔,通过这些微孔将已知的不同荧光强度反应物注入各模拟通道,构成荧光标准模板.在实验基础上,讨论了利用荧光标准模板的生物PCR荧光分析方法以及激光制备的微流控生物PCR芯片过程中的制造工艺和质量检验.     

微通道内高通量磁泳分离实验研究

磁泳是实现生物分离的主要手段之一.利用功能磁珠在微流控芯片上实现高效磁泳分离是近年来的研究热点.对直径为1μm的超顺磁磁珠在当量直径为114.3μm的矩形微通道内的磁泳分离特性进行了实验研究.利用高速CCD观测了磁珠在微通道内捕获与释放的全过程,并通过图像分析,得到了磁珠的捕获情况随时间及流速的变化规律.实验发现,在高...     

非球面模具超精密补偿加工技术

为了实现非球面模具的超精密数控加工,研究了加工轨迹算法原理及整个软件系统的结构与实现.提出了基于表面粗糙度均匀化的工件进给速度控制法,分析了工具磨损误差和工件形状误差,重点提出了误差补偿方法,同时也讨论了采用砂轮平行磨削法时避免加工干涉的方法.软件能生成高精度的加工与补偿加工数控程序文件.最后,在一台镜面磨床上实验加工直径为6 mm的碳化钨透镜模具,经过多次补偿加工后,获得了谷峰值为0.123μm,误差均方根为0.021μm的表面形状精度.     

微磨削与超声振动复合加工技术研究现状与展望

微细切削技术是传统加工工艺向微观尺度的延伸,在微加工领域具有重要的作用,尤其适用于三维零件及微结构的加工。与其他微细切削技术相比,微细磨削技术具有加工零件棱边精度高、适于硬脆性材料加工等优势,但其存在加工效率低、磨削热量大、微砂轮易磨损等缺陷。已有研究表明,于机械加工辅加超声振动的复合加工技术可有效降低切削力、切削温度,增大脆性材料脆-塑转变临界切削深度,改善加工表面质量等。因而超声振动辅助微磨削技术被认为是一种可有效解决微磨削加工现存缺陷的技术。主要从微磨削技术研究现状、尺寸效应机理研究、脆性材料塑性域去除机理研究、超声振动切削实验研究、超声振动切削断续切削机理研究及微磨削动态有效磨刃密度建模研究六个方面,对微磨削技术及超声振动辅助切削技术相关领域研究进行综述,并探讨超声振动辅助微细磨削技术加工机理研究及未来发展需注重解决的问题。     

超声振动辅助磨削马氏体不锈钢表面粗糙度研究

针对强韧性材料铣磨、小孔磨削等工艺中,因磨削速度低所引起的磨削表面粗糙度不易改善的问题,提出采用轴向超声振动辅助磨削工艺进行加工的方法。从几何层面对轴向超声振动辅助磨削表面创成进行理论分析,并对9Cr18马氏体不锈钢开展磨削试验,对比了轴向超声振动辅助磨削与普通磨削条件下的磨削表面粗糙度及表面形貌。结果表明,轴向超声振动辅助磨削可有效改善磨削表面粗糙度,且改善效果受磨削参数的影响,其中磨削速度对轴向超声振动效果影响最大,进给速度及磨削深度影响相对较小。磨削速度及磨削深度的增加对轴向超声振动效果具有弱化作用;增大进给速度,轴向超声振动效果略有增强。     

微流控芯片微沟道的超声压印制作

作为一种新型聚合物微结构成形方法,超声波压印具有成形速度快和基片整体变形小的特点,但是微结构在较大面积成形时存在均匀性较差的问题．本文面向微流控芯片中微沟道的超声波压印成形,通过设计正交实验和有限元仿真研究的方法,分析了超声压印工艺参数对微流控芯片成形质量和均匀性的影响原因及规律．结果表明,可以通过优化超声波压印压力、振幅和超声波作用时间提高压印均匀性．其中超声波压印压力对成形精度和均匀性的影响最大．采用优化后的工艺参数进行实验,在48mm×32mm面积的PMMA微流控芯片基片上成形了微沟道,微沟道的复制精度优于95．6％．片上3点的均匀性为98．0％．     

超声振动辅助铣磨加工对CFRP切削力和表面质量的影响

为研究超声振动辅助铣磨加工对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)切削力和表面质量的影响,建立了超声振动辅助铣磨加工的切削力模型,进行了磨粒运动轨迹、刀具锋利化效果及单颗磨粒切厚的理论分析及试验验证。结果表明:超声振动辅助铣磨加工与传统铣磨加工相比切削力更小、加工质量更好。当每齿进给量从4μm/z增加到8μm/z时,超声振动辅助铣磨加工的切削力增加了44.7%,小于传统铣磨加工的84.9%;同样,当切深从200μm增加到400μm时,超声振动辅助铣磨加工的切削力增加了187.8%,小于传统铣磨加工的209%;在相同加工参数下,超声振动辅助铣磨加工的工件表面与传统铣磨加工相比,树脂涂覆、表面凹坑和纤维拔出量明显减少。      

聚合物微流控芯片的注射成型

针对注塑成型微流控芯片过程中出现翘曲变形和微通道复制精度不高等缺陷,采用正交分析法,仿真优化了芯片厚度方向上的翘曲变形;基于翘曲优化结果,实验研究了微注射成型微流控芯片过程中模具温度、熔体温度和注射速度对微通道变形的影响。结果表明,保压时间和保压压力对微流控芯片的翘曲变形影响最大,而模具温度对微通道变形影响最为显著。采用优化的工艺参数,所成型的芯片微通道具有较高的复制度,无明显翘曲变形,可满足使用要求。