微流体数字化的科学与技术问题(I):概念、方法和效果

按重视的是外形尺寸还是内在微特性,把微系统分成微外形系统和微特性系统,通过比较分析,得到后者的存在普遍性比前者广而且外形大小与内在微特性好坏无直接联系的结论。就微物质传输和微传热常见的细长流道低雷诺数内流条件,提出微流动、微结构、微综合等3方面的微特性。研究了微系统中和低速流动中合理流动形态的概念,提出了人为地产生和利用可预测可控制小幅脉冲流动序列是解决微流体流动不正常这一本质困难钥匙的思考。按所提出的3方面微特性对现有微流体影响方法进行了评价,并指出了我们的微流体数字化(digitalizationofmicrofluids)与Kim的数字化微流路(digitalmicrofluidiccircuits)在各方面的不同。提出了基于脉冲惯性力的微流体脉冲影响方法及其装置,实验结果表明多方面微特性俱好,流动正常性好,分辨率达fL级,最低流量达3pL/min,流动阻力降低,扰动性好,能实现微流道中和微射流中数字化流动,能实现裸微结构的数字化器件,方法普适于普通液体和粉体的驱动、控制和扰动,对流体性质无特殊限制,工作可靠性、生产率、可自动化性均较高。

微流体数字化的科学与技术问题(Ⅱ):物质数字化及物质能量信息统一数字化概念研究

定义的物质数字化是物质自身或相互间的数字化,物质能量信息统一数字化是这三者作为统一体组成部分而协调地各自传输与相互转化的数字化,把数字化界说为微传输与微转化在时间上是节拍化、物理量取值是规整化且该节拍和规整是脉冲序列可控的。阐述了在几何、物理、化学、生物诸方面物质微转化的内容和用途;分析了电效应与流体、化学、生物效应在所述两个数宇化中的互补作用;指出了现有信息数字化和我们的微流体数字化技术为实现两个数字化提供的基础和开辟的道路:指出基础力学体系对微米、纳米系统规模应用的指导意义,认为代表尺寸递减时系统历经3个层次,建议把牛顿力学、量子力学单独指导的第一、第三层次作为现阶段规模应用重点。

微系统领域的关键技术

评述微系统的 3维成形、空间运动机构制作和微作业技术。提出了微系统的定义 ,指出了它区别于宏系统、微电子系统的特点及这些特点对上述 3个技术的影响。评述了 L IGA、DRIE、EDM、微浮雕、折叠法、RPM 6种 3维成形法 ,并指出如何组合它们以适应微光学系统、微流体系统、微机构等商品化的配套需要。评述了微运动副的制造方法、带弹性变形件及柔性变形件的微机构设计原理和制造方法 ,并对它们的选择原则提出建议。评述了微物体在流体中的作业、微注射、狭窄空间中的作业、工作台—机器人系统上的微作业。提出了值得研究的若干课题群。

微系统及其商品化

讨论了微系统的命名法并把它扩至包括自然微系统。以物理法则是否变化为判据重新定义了微系统。阐明了微系统与微电子、宏系统、纳米系统三者的联系与区别。考察了国外微系统在领域医疗、信息、汽车工程、自动化、环境与安全、日常生活 6个领域的典型商品 ,分析了国际微系统商品化态势 ,找出了商品化中的技术制高点和突破口。提出了我国微系统商品化的发展思路。

光成型技术在微小机械加工中的应用

探讨了光成型技术用于微小机械加工的可能性。由于微小机械具有要求成型分辨率高、存在尺度效应等特点 ,微小机械光成型工艺有着不同于一般光成型工艺的特殊问题及关键技术。报道了关于微小机械光成型特殊工艺的研究、微小机械光成型实验系统建造和调试以及光成型工艺的实验研究等方面的结果。

润滑理论中卷汲速度的概念辨异及结果分析

指出有关齿轮润滑的文献中用两轮牵连速度的合速度作为卷汲速度 ,在概念上隐藏着错误 ,而据此概念导出的结果只在某些特殊条件下才是正确的。提出卷汲速度应定义为两表面相对于收敛楔相对速度的合速度这一概念 ,给出了有关公式 ,讨论了影响卷汲速度的因素和润滑弱点存在的条件。

基于实例学习的神经网络及其在故障诊断中的应用

介绍一种可自动从实例中获取知识的、具有高模式聚类精度的新型神经网络———ＥＢＬ网（ｅｘａｍｐｌｅｂａｓｅｄｌｅａｒｎｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋ），及其在故障诊断中的应用．研究结果表明：ＥＢＬ模式聚类系统可逐个从实例中学习知识，并可同时给出模式识别结果及集群的信息．ＥＢＬ模式聚类系统适用于实时故障诊断．

微机械的快速成型微细加工技术

由于微机械制造具有加工尺寸小、成型分辨率要求高等特点 ,微机械的快速成型微细加工工艺存在着不同于通用快速成型工艺的特殊问题及关键技术。该文对微机械光成型微细加工工艺和系统构成等进行了研究 ,制作了国内第一台微机械光成型实验系统 ,并加工出微曲柄等微零件 ,探索了快速成型微细加工技术制造微机械的新路子。

线性分类-重构网及其在化工过程早期故障诊断中的应用

提出了一种以线性递推学习为基础的分类-重构神经网络。网络具有学习算法简单、速度快、学习与分类并行,以及可自动积累知识等基本功能,尤其适用于生产过程的早期故障诊断一类实时系统。给出了化工过程早期故障诊断的应用实例,研究结果证明了网络的有效性。

金属微粉体脉冲输送的微特性实验

采用以脉冲为微流动基本形态、脉冲当地惯性力为主动力的微流体数字化技术进行了金属微粉体(作为流体)脉冲输送微特性的实验,以解决激光金属粉体融覆沉积工艺中微粉体的精确稳定输送问题。建立了金属微粉体脉冲输送系统;以角形铬粉为实验材料,实验研究了驱动电压U、频率f、微喷嘴内径d、输送角度θ等4种系统参量对铬粉脉冲输送微特性(粉体输送率和输送稳定性)的影响规律;以此规律为依据,确定和选择铬粉脉冲输送的系统参量,验证粉体微输送效果。实验显示,金属微粉体脉冲输送系统具有精确稳定的脉冲输送微特性,表征输送稳定性的变异系数C.V<7%,铬粉输送率Q可达每秒几十微克量级。结果表明:微流体数字化技术可实现金属微粉体的脉冲精确稳定输送;提出的研究方法可用于不同工程应用背景的微粉体脉冲输送的理论和实验研究。

微流体数字化技术制备聚合物微透镜阵列

基于微流体数字化技术搭建了聚合物微透镜阵列按需喷射制备实验系统。以UV固化胶为喷射材料,将其按需喷射到镀有疏水化薄膜的玻璃基片上,在界面张力和疏水化效应的作用下,形成平凸状的微液滴,再经紫外光固化后形成微透镜阵列。实验研究了系统参量对稳定微喷射与微透镜直径的影响,稳定微喷射出了黏度值为50×10-3 Pa·s的UV胶,制得了最小直径达25μm的微透镜,进而制备出了直径变异系数C·V达0.64%、焦距均匀性误差为1.7%的15×15微透镜阵列。微透镜在扫描电子显微镜下具有较好的表面形貌,采用白光干涉/轮廓仪(VSI模式)测得其轮廓算术平均偏差Ra为247.99nm(扫描区域:29.4μm×39.3μm),扫描区域轮廓曲线平滑。通过微透镜阵列的成像实验,得到了微透镜阵列所成的清晰实像。实验结果表明,采用微流体数字化技术进行聚合物微透镜阵列的按需喷射制备过程简单、成本低廉、工艺参数稳定;制备的微透镜阵列几何与光学性能优越。

细胞注射玻璃微针拉针器的研制

为了解决拉针器国产化的问题,设计出温度、拉力、拉伸速度等参数可变的试验机。以国产玻璃毛细管为拉制原材料,进行了基于方差分析基础上的4组加热温度、拉力、拉伸速度的不同配置的系列实验,分析了在毛细玻璃管拉伸预拉力在1280～1310g强度允许范围内变化及加热温度对针的长度影响,在试验机上进行了用于微流量分析的圆形玻璃微管道拉制试验,研究了拉伸行程及加热温度对微管道内径的影响,实现了仪器的性能多样化。最后提出了拉针器商品化的设计方案。

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 。

疏水化工艺在数字化超微量微注射中的应用

在生物医学和微化学分析领域 ,基于玻璃微针的微注射系统由于玻璃基质的亲水性 ,在微注射过程中会出现渗流、回流的现象 ,影响注射效果 ,不利于微注射量的检测和控制 .本文介绍的疏水化工艺通过将微喷嘴(微针 )内外表面特定区域进行疏水化处理 ,对微流体进行数字化驱动和控制 ,可改善微流体流动特性 ,提高微注射效果 ,使液滴按一定规律以球形颗粒喷射 ,有助于微流量的精确检测和微喷射的精确量可控 .

数字化微喷射用直列微喷嘴制作工艺

为解决玻璃微管道拉制工艺制作的单孔微喷嘴存在容易脆断,微管道长度不易控制,微喷射效率低等问题,提出了一种新的微喷嘴制作工艺。该工艺延续了微喷嘴拉制工艺中非IC工艺和低成本的制作特点,仍以低流阻的圆截面为喷口形状,通过材料流变运动和冷却时收缩率不同,将多根微管道紧密嵌入到塑料管中;通过毛细腐蚀作用,制作出变内径的锥形管,并实现微喷管长度的控制。制作了内径50μm的4孔微喷嘴和10孔微喷嘴,锥管长为750μm,微喷管长2.5mm。使用制作的微喷嘴在微流体数字化驱动平台上进行了水性液体在油相和气相中的微喷射实验,制备了80μm的微滴和微滴阵列。实验表明,该工艺制作的直列微喷嘴可以在微流体数字化驱动下实现较好的数字化微喷射效果。

微流体数字化技术制备基因芯片微阵列

采用以脉冲为微流动基本形态、脉冲当地惯性力为主动力的微流体数字化技术进行了基因芯片微阵列制备实验。在搭建的基于微流体数字化技术的基因芯片微阵列制备系统上,实验验证了脉冲点样系统参量(收敛角2θ、微喷嘴内径d、电压幅值U和驱动频率f)对样点直径和脉冲点样稳定性的影响规律。以实验规律为依据,提出了制备样点直径约为100μm的中等密度微阵列的实验路线,制备出了样点平均直径为102.2μm、微阵列密度约为4 000spot/cm2的基因芯片微阵列(点样溶液为3×SSC柠檬酸盐缓冲液)。得到的研究结果可为建立高密度基因芯片脉冲点样技术提供实验研究基础。

微操作玻璃微针磨针仪研究

采用树脂结合剂金刚石砂轮磨盘可以实现玻璃微针的高效磨削。磨针仪主轴支承结构消除了电机对磨盘端面跳动的影响。采用显微镜和CCD摄像系统直接观察对针和磨削进给过程。通过试验确定了磨针仪合理的调速范围和许可的磨盘跳动量值。

显微注射中细胞位姿调节技术及实验研究

显微注射中,细胞位置和姿态对实验效果具有重要影响,但现有人工调节技术存在精度差和效率低等不足。基于机械运动和流场流动的耦合控制,提出了自动化的细胞位姿调节技术。以吸持针为末端执行器,研制了细胞位姿调节系统。以细胞培养液为控制介质,分析了微尺度下的细胞位姿调节技术操作机理,细胞姿态的3个自由度参量由3个正交平面内的翻转运动调节。以小鼠卵母细胞为实验材料,进行了原理性实验研究。实验结果表明,细胞位姿调节技术满足细胞自动定位要求,可实现6个自由度的精确定位。

微流体数字化喷点技术的实现

为了解决现有的微喷点技术中外接驱动设备过于庞大,MEMS技术制作的微喷头结构复杂,与生物样品的兼容性差等问题,提出了新型脉冲惯性力驱动方式和无热源、无外部加压装置的微喷点系统用于微流体数字化喷点技术。介绍了微流体数字化喷点技术的驱动原理,搭建了微喷点系统的实验平台;然后,实验研究了样品均一性和驱动参数对微喷点的影响,并对实验数据进行分析和总结;最后,用黏度为4.13mPa.s的点样液制作了密度为4000点/cm2的中等密度微阵列。实验结果表明:样品点直径<100μm,变异系数CV<8%,完全可以满足微阵列制备技术的密度、样品点尺度和均一性的要求,可供小型实验室使用。

驱动电压波形修圆对微流体脉冲惯性力和驱动效果的影响

介绍了微流体脉冲驱动-控制技术,分析了微流体脉冲驱动-控制过程,指出在这一过程中影响微流体流动的主要因素是微流道固壁加速度和流体内部的黏性力。采用"椭圆修圆法"对方波驱动电压进行修圆,针对修圆点的位置决定微流体的驱动方向,获得了不同修圆位置和修圆系数的驱动电压修圆波形。通过实验探索了波形修圆对微流道固壁运动加速度、微流体脉冲惯性力和流体驱动效果的影响规律并进行了机理分析。所得流体体积流量可在0～15.4pl/min连续变化,远小于现有的微流体驱动技术。本文的研究成果可为微流体脉冲驱动-控制技术在微流体系统中的进一步应用提供参考。