基于压电驱动的细胞微量注射装置的研究

提出了由压电驱动带动的注射微动平台和电机带动的细胞微载台来构成细胞药物微量注射的机械结构与控制系统。而且也提出了利用压电陶瓷的微位移特性构造了和目前的微量注射针完全不同的微量注射针结构与控制系统,这个压电微量注射针的驱动和注射动作全部由压电驱动器来完成;利用压电陶瓷的微位移和施加在压电陶瓷上的电压在微小位移情况下的线性关系实现了细胞注射系统的精确微定量注射。     

细胞注射微针的流动特性研究

讨论了细胞微针内流体特性对细胞定量注射的影响，对不同尺寸的微玻璃针进行了临界喷射流动状态和流动特性的实验研究，取得了微玻璃针临界喷射状态的几何条件及能量条件等实验数据。实验结果表明，微玻璃针在临界喷射状态下实验数据符合流体静力学理论，在流动状态下实验数据与宏观尺度下流体动力学理论有偏离。     

数字化细胞注射器的试验研究

针对目前广泛采用的细胞微注射器存在的系统结构复杂、注射量控制精度低等缺点，研制了基于叠堆式压电陶瓷微位移特性的数字化细胞微注射器，建立了数字化注射器的理论模型，进行了试验器件基本尺寸的计算。注射器注射试验结果表明，注射器注射量控制精度接近皮升级。     

细胞注射中数字化进退针装置的实验研究

针对微注射针刺膜速度慢和定位精度差等问题,研制了显微注射用数字化进退针装置。在可控脉冲序列驱动下,利用压电陶瓷低频振动产生的冲击惯性力驱动该装置来进行数字化进退操作。测试了数字化进退针装置样机的运动性能,在小鼠卵母细胞显微注射实验中对其进行了验证。结果表明:数字化进退针装置具有纳米量级进给精度,过程参数可控,可自动完成包括快速穿刺细胞膜、精确刺入细胞内指定注射位置和退针的整套显微操作。     

压电陶瓷微位移机械装置的研究

参考反射镜的位移标定，在很大程度上决定了移相干涉仪的测量精度．根据移相干涉的要求和压电陶瓷的特点，设计了推动参考反射镜作微位移的机械装置，通过实验测量出其微位移量表明，设计的装置使反射镜移相的非线性为1．73％。     

基于杆式直线超声电机的微量注射系统

为解决传统步进电机式注射泵尺寸较大且精度不高的问题,采用杆式直线超声电机作为注射系统的驱动元件,并通过调整驱动信号的电压和占空因数对流量进行控制。电机总体尺寸仅为4mm×4mm×15mm,弥补了传统微量注射泵体积过大的缺陷,满足便携式注射泵的需求。在实验中通过调控电压和占空因数,可以精确地控制超声电机注射系统的流速。在没有外加减速机构的情况下,当驱动电压峰峰值为300V、占空因数为100%时,系统流速为61.87μL/s;当驱动电压为200V、占空因数为1%时,超声电机注射系统流速为0.01μL/s,精度高于传统步进电机注射泵的最低流量0.028μL/s。说明杆式直线超声电机注射系统可以通过调整占空因数对流速进行有效的控制,并且在保持性能的前提下,使整体尺寸大幅减小,达到轻便易携的目的。     

基于TMS320DM642和S3C2410的细胞注射装置研究

目前细胞注射装置普遍采用在显微镜下的手动操作机构,存在效率低下、响应速度慢等问题。因此本文提出了利用DSP芯片TMS320DM642及所在的系统完成图像的采集、处理并将处理的结果保存在特定的存储器内。利用ARM9芯片S3C2410所在的系统完成人机交互、宏/微双精度微动台控制等功能的细胞注射实验装置。并利用TI公司提出的HPI接口进行DSP与ARM处理器的数据交互。模拟结果表明：系统控制自动定位精度达到像素级,提高了图像处理速度和系统运动精度,解决了目前在细胞注射过程中人工操作工作量大、定位不准确以及效率低等问题。     

细胞微注射气动系统

生物细胞注射试验中 ,人工完成注射过程受很多人为因素影响。利用气体惰性和气动系统容易实现微量控制、流量连续控制和可编程控制的特点 ,文章给出了一种用气动系统来自动完成细胞级的微注射操作的原理。     

基于TMS320DM642和S3C2410的细胞注射装置控制系统

为解决目前细胞注射装置普遍采用的在显微镜下手动操作的机构效率低下、响应速度慢等问题,提出了基于DSP和ARM嵌入式系统的细胞注射装置.该装置利用基于TMS320DM642的图像处理子系统完成图像的采集、处理并将处理的结果保存在特定的存储器内;同时,基于S3C2410的控制子系统完成人机交互、宏/微双精度微动台控制等功能,并利用TMS320DM642的HPI接口进行DSP与ARM处理器的数据交互.模拟结果表明,系统控制自动定位精度达到0.1μm,提高了系统运动精度,图像处理速度达到11 frame/s.     

细胞注射机三坐标微位移台结构设计

为实现细胞工程中细胞显微注射的要求,提出了一种用X—Y—Z三坐标微位移台来完成细胞微量注射微动平台定位和注射的装置,X—Y—Z三坐标微位移台微量注射装置的定位和注射动作全部由直流步进电机驱动,步进电机在高细分驱动器驱动下,步进精度达0.004μm,滑台的定位精度达0.3μm,而生殖细胞尺寸通常处于1~100μm范围,基本满足细胞显微操作精度要求,普通国产三轴控制器即可实现所需控制功能,和目前国内外的其他细胞微量注射装置相比,其主要特点是定位精度和注射精度都比较高、成本低。     

带弹性足的压电管道微机器人致动机理和运动特性的研究

建立了带弹性足的压电管道微机器人的数学模型,并用此数学模型计算了该微机器人的谐振频率,所得结果与试验结果一致,这表明所建立的数学模型是正确的。此外,还研究了压电微机器人的结构参数对机器人性能的影响。     

基于惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的实验研究

针对目前压电驱动器主要使用锯齿波这种非对称波电信号驱动压电晶体实现驱动的现状,设计了非对称夹持构件,提出了非对称夹持压电双晶片振子的旋转驱动器的结构设计方案,使对称波电信号作用在压电双晶片振子上,产生正反两方向大小不同的周期性惯性冲击力,驱动机构实现旋转位移。建立了压电旋转驱动器的动力学模型,并分析了非对称夹持旋转驱动器实现大小不同的惯性冲击力原理以及压电旋转驱动器的运动过程。组成了压电旋转驱动器的测试系统,在不同电压幅值、频率的方波激励下,对压电旋转驱动器的平均步长进行了测试。结果表明：非对称夹持式压电旋转驱动器能实现较稳定的单向转动,最大行程360°,最大承载能力超过300g,步长分辨率5µrad,最大转动速度4000µrad/s;驱动器样机在20V、2Hz的方波激励下,平均运动步长12µrad,转动速度24µrad/s。     

RESEARCH ON THE DYNAMIC PROPERTY OF PIEZOELECTRIC MICRO DISPLACEMENT ACTUATOR FOR BORING ERROR COMPENSATION

The dynamic property of piezoelectric micro displacement actuator (PMDA) is analyzed, especially the mechanical characteristic, lag phase property and hysteresis phenomenon. The influence factors of static and dynamic mechanical characteristics and the lag phase property are analyzed systematically. Three main influence factors of lag phase property are discovered. With comparison to mechanical Coulomb friction, a generalized model of nonlinear hysteresis of PMDA is advanced, based on the essential analysis of nonlinear phenomenon. Finally the application of PMDA in error compensation control system of boring is introduced. A good compensation result is achieved.     

基于压电陶瓷的新型尺蠖式微位移器的设计

利用压电陶瓷的逆压电效应,基于尺蠖运动原理设计了一种高精度定位的微位移器。本文详细介绍了这种新型尺蠖式微位移器的设计过程。针对当前压电陶瓷驱动电源不能将断电后的压电陶瓷中的电荷放出的缺点,本文所设计的新型放电电路使其放电时间达到毫秒级。通过加入这个放电电路,压电陶瓷将能更快的恢复原形,提高了压电陶瓷的运动精确性。     

基于压电驱动器的微动平台开环精密定位控制研究

针对压电驱动器的非线性和迟滞特性,首先介绍了一种基于迭代学习控制的压电驱动器的快速电压/位移线性化方法,利用此方法所得的线性化数据对二维微动平台进行了开环精密定位控制;然后介绍了采用改进的Preisach模型对压电驱动器的迟滞特性进行建模的方法,并利用此模型也进行了开环精密定位控制研究。试验结果表明,两种方法均能达到亚微米级的开环定位精度,且前者定位精度稍优于后者,但是当控制序列发生转折时,前者必须先回到零电压或者饱和控制电压,才能进行下一次定位控制,而后者可以实现任意序列的连续控制。     

压电陶瓷微位移作动器机械特性的研究及改进

本文对应用于误差补偿的压电微位移作动器,从机械结构的角度分析了其静动态特性,指出了其缺点,给出了结构设计基本原则,并设计出一种静动态特性均有改善的微位移作动器结构。     

大位移多折叠梁静电驱动器的设计及力学性能分析

针对现有微静电梳状谐振器用作驱动器时输出位移极小的弱点,提出一种结构新颖、输出位移大、能工作于谐振状态和静电力状态下的多折叠梁微静电驱动器设计方案.建立该驱动器的力学分析模型,给出位移、弹性系数和谐振频率的解析公式.研究表明,当特征尺寸相同时,与常用的直脚型和蟹脚型谐振器相比,在相同电压下其输出位移可提高7倍～14倍,而在相同最大应力条件下其位移输出能力可提高4倍～9倍.     

多晶硅微电子机械构件材料强度尺寸效应研究

为了解构件尺寸的微型化给材料的强度带来的影响 ,利用纳米硬度计通过微悬臂梁的弯曲试验法来测量多晶硅微构件弯曲强度 ,利用电磁驱动微拉伸装置测试了抗拉强度。试验研究表明 ,多晶硅微构件的弯曲强度和抗拉强度表现出随构件尺寸的减小而增加的尺寸效应。统计分析表明 ,多晶硅微构件的平均弯曲强度为 ( 2 .885± 0 .40 8)GPa ,其平均抗拉强度为 ( 1.36± 0 .14 )GPa。研究结果为微机械构件的可靠性设计提供依据     

压电泵的研究--泵阀滞后性

就有阀压电泵增频流量骤减现象进行了分析与研究.发现了现有提高频率使压电振子振幅减小为增频流量骤减现象主要成因的说法是一种错误解释,并通过试验证明了现有理论的非正确性.提出了解释增频流量骤减现象成因的泵阀滞后性模型,同时开发了观察这种现象的具体新方法及观测新装置,并利用这一新装置观察到了泵阀滞后现象.提出了可以评价、考察有阀压电泵的泵阀的量化值--滞后系数,并把其作为泵阀优化设计的具体目标.