微器件操作末端执行器研究现状

微纳制造技术和微机电系统(MEMS)的迅猛发展,推动了微器件向微型化、集成化、多功能化方向发展。微器件操作末端执行器是微操作工具与微器件直接作用的部件,具有重要研究意义。综述了微器件操作末端执行器的研究现状和成果;对国内外微器件操作末端执行器进行了汇总和分类;对微器件操作末端执行器的工作原理和结构进行了介绍;基于对接触式和非接触式末端执行器研究现状的总结,分析了各种末端执行器的优势和局限。最后,讨论了微器件操作末端执行器的应用现状和面临的挑战,并对末端执行器的发展进行了展望。该研究为微器件操作末端执行器的选取和开发提供了技术参考。

基于真空吸附的微器件受力分析研究

微装配的对象主要是微米级或亚毫米级尺寸的微器件,这些微器件的轻、小、薄、软的特征对微夹持器的夹持方式和夹持力的控制提出了非常严格的要求和限制。本文针对平板类微器件设计了一种真空吸附式微夹持系统,不仅可以吸附不同形状和尺寸的零件,而且可以实现零件位姿的调整和接触力的检测。在只考虑范德华力的情况下,本文重点建立了微器件的吸附力学模型,为实现稳定吸附与释放提供了计算依据。最后完成了精度要求为平行度误差不大于8μm的微组件装配实验,装配效果良好。

细胞三维动态培养微器件的设计与制作

细胞培养是进行细胞研究的基础,为了在细胞体外培养时提供一种近似于体内的微环境,设计了一种可供细胞三维动态培养的微器件。首先设计了用于输运流体的微通道网络,培养池对称布置于微通道网络中,通过一系列"多进多出"型微通道分别与进样口和出样口相连。利用Comsol软件中的层流物理场和多孔介质物理场耦合对培养池内的流场进行仿真,通过比较流场的均一性和稳定性优化微通道网络结构。然后,采用静电直写技术在培养池内集成聚己内酯(PCL)三维支架,构建细胞三维培养空间。最后,封合微器件,检测微器件培养池内的流体流动情况,并进行细胞实验。实验结果表明,"2×2"型微器件培养池内的流体稳定性和均一性较好;PCL三维支架的纤维间距400μm,纤维直径80μm,孔隙率64%,细胞存活率达到90%以上。该细胞三维动态培养微器件更好地模拟了生物体内细胞生存所需的微环境,培养池内的细胞生长良好,满足设计要求。

三维复杂微器件的微立体光刻成形

介绍了一种具有更高加工分辨率且可直接成形三维复杂微型器件的一次曝光型微立体光刻成形装置。重点给出了经薄膜晶体管阵列编址的液晶显示光阀表盘 ,即可控透光模板的构造、性能及其对微立体光刻成形装置层面加工分辨率和截面曝光尺寸的影响。为证明微立体光刻工艺在成形三维复杂微结构时的优越性 ,给出了所加工出的微机械部件、微型件浇铸模、微流体系统部件等实物的扫描电子显微照片及相关的加工参数。

陶瓷微器件的软刻蚀成形研究进展

软刻蚀技术是基于传统光刻蚀技术提出的一系列技术,包括微模塑、转移微模塑和毛细微模塑等,其共同特点是利用弹性模作为微结构转移元件,复制其他方法制备的原始模板的微结构,再用此弹性模进行微结构的成形。因其成本低廉、操作过程简单,为陶瓷微器件的制备提供了一种先进的净成形加工技术。其工艺步骤主要包括:弹性模的制备、浆料或陶瓷预聚体的制备、注模、干燥(交联固化)、脱模和烧结。本文按照制备工艺综述了软刻蚀技术成形陶瓷微器件的研究进展,着重讨论了影响微成形的关键因素,并对将来的研究方向进行了展望。

聚合物微器件压力自适应超声波精密联接

将超声波联接技术应用于聚合物微器件的联接,搭建了超声波精密联接系统。为了保证微器件在精密联接中的形状精度,选用工作频率为60 kHz的超声换能器及驱动电源为微器件提供高频、低振幅的超声波振动;以高细分步进电机驱动直线导轨控制超声波工具头的纵向移动,精确控制超声波工具头的位置,并结合力传感器实现了超声波联接过程中聚合物材料力学性能的实时检测。针对联接表面特性差异引起的联接质量不一致问题,提出了基于材料力学性能反馈的压力自适应联接方法,可以对不同零件提供自适应的超声波能量。应用该系统对PMMA材料微器件进行了联接实验,实验结果表明,该方法大幅提高了超声波联接的稳定性,实现了聚合物微器件的超声波精密联接。

MEMS电磁驱动微器件的失稳特性研究

在对电磁驱动微器件进行分类的基础上,详细分析了磁动势控制模型中不同类型电磁微器件的失稳特性。结果表明：竖直式和端点作用的旋转式电磁驱动微器件的失稳发生在系统气隙磁阻减小1/3的时候;旋面作用的旋转式电磁驱动微器件中,失稳角度（临界吸合角度）随磁力作用区域增大而增大,约介于系统最大旋转角度的33%-44%之间,励磁电流随磁力作用的悬臂区域的增大而先增大再减小。

基于实例和设计目录的微器件原理方案设计

提出了将设计目录与基于实例的推理技术相结合的策略,解决了微器件的原理方案设计问题。建立了基于网络的微器件设计目录和实例库,讨论了实例表达、实例检索模型及相似实例检索算法等关键技术。采用多目标模糊综合评价方法进行了方案评价,采用基于框架的方案变换策略进行了方案的修演。开发了软件原型系统,并以微传感器的设计为例,对系统进行了验证。

微器件的热学加工技术研究与应用

归纳和总结了微系统热学加工技术方面的最新研究进展,着重讨论从材料的热学性质出 :发,实现微 /纳电子机械系统元件制造的若干新颖、低成本的方法,并特别介绍其中一些典型应用情况。通过分析表明,随着对微加工过程中一些关键热学机理的深入研究,许多现有技术瓶颈和界限均可望被逐步打破,从而促成更有效的微加工技术的建立。

含咔唑基的双光子引发剂光聚合制备微器件

设计并合成了一种带咔唑基的二苯乙烯类双光子引发剂4,4′-双(9-咔唑基-反式-苯乙烯基)联苯(BCSBP),对其单光子和双光子光谱性质进行了研究。在800nm的飞秒激光光源作用下,BCSBP的双光子吸收截面高达483GM。利用BCSBP作为双光子引发剂诱导多官能度单体季戊四醇三丙烯酸酯进行光聚合,得到了亚微米级空间分辨率的聚合物线条,并制备了三维聚合物微器件。

表面硅微器件中掩膜和工艺流程的自动生成方法

为消除目前手工设计掩膜和工艺流程的繁琐过程,提出了一种从表面硅微器件的三维结构模型自动生成掩膜和工艺流程的方法.该方法将三维器件模型作为输入,根据其组成特征的几何信息和材料信息识别出基底层、结构层、牺牲层和金属层等所有工艺层,再根据工艺层的结构特点和材料信息自动生成掩膜和工艺流程,并利用SolidWorks软件用户接口开发的应用程序验证了方法的可行性.应用实例表明,该方法不仅可以使设计者专注于器件结构本身的设计,而且易于实现掩膜和工艺流程的自动化生成,比传统的手工设计方法更加直观、高效,为相应的设计工具开发提供了理论分析和实验验证.

激光辅助加热微器件弯曲研究

在总结了国内外近十多年来微弯曲成形研究现状基础上,提出了基于激光辅助加热的微器件弯曲成形方法,将激光直接加载于难成形的微小工件材料表面,利用激光热作用对工件非接触式加热和热传导,使成形区域温度瞬时达到成形温度,然后通过微弯曲模具对工件施加载荷,实现微弯曲成形,解决了常规的微弯曲方法难以成形的复杂微器件以及难成形材料的成形问题,并采用激光束对工件前后两侧同时加热的方法解决工件加热不均匀问题,设计了激光辅助加热微器件弯曲系统,可以实现微器件的低成本批量化生产。

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10s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.

基于功能原理的微器件方案设计方法研究

针对微器件设计方法中的功能原理方案设计问题,提出了通过设计目录寻找子功能原理解,并通过原理解的组合形成设计方案的方法。基于功能效应原理解之间的映射关系建立了微器件的设计目录库。在把用户需求转化成系统总功能后,对总功能进行分解,利用微器件设计目录对子功能求解,由功能原理间的映射综合获得微器件的原理方案。通过原型系统的开发和实例验证,该方法对微器件的概念设计起到了指导作用。

一种聚合物平板微器件的制造方法

以一种平板微器件-微流控芯片制造为研究对象,针对单一的注塑成型工艺难以保证器件的宏微形位误差的难题,提出了一种新颖的聚合物平板微器件集成制造方法。首先,设计并制造了一套注塑模具,其中采用双螺纹结构将微镶件和定模架相连,对注塑工艺参数进行优化,制得填充率接近1的平板微制件。然后,对平板微制件进行了基于视觉对准的铣削整形和热压整平,有效改善了制件的宏微形位误差和平面度误差。最后,利用加工的器件进行装配,形成微流控芯片,并对芯片进行了流量测试和疲劳测试。实验结果表明:采用提出方法制造的微流控芯片,各项精度指标和性能可以满足实际使用要求,工艺成果对同类器件的研发和生产提供了借鉴和指导。

基于振动模态的微器件结构设计评价方法

为了提高微器件的设计效率,提出一种微器件的结构新型设计评价方法。首先,根据理论分析获得微机械陀螺结构设计原则,以典型两质量块微机械陀螺为研究对象,利用有限元工具与模态分析相结合,获得该系统固有频率和相应的振型矩阵;然后,利用模态叠加法求各阶模态对于驱动振动和检测振动的贡献度,并采用能量法分析各阶模态对系统的影响;最后,针对两类音叉式微机械陀螺具体实例模型,分别获得系统各阶模态能量在频域上的分布情况,证明所提出的微结构设计评价方法的正确性。

微器件概念设计中的功能设计

介绍了微器件概念设计中的功能设计方法及建模技术,在基于功能-效应-原理解的微器件概念设计模型框架下,对微器件的功能建模从功能定义、功能分解、功能结构图建立等方面进行了阐述,并建立了微器件功能模型。该模型既适用于新器件的创新设计,也适用于已有产品的变型设计,它是微器件概念设计求解问题的基础。

面向表面微加工工艺的微器件设计框架的研究

本文以微器件设计为对象,对微硅表面制造驱动的微器件并行设计方法学及相应的计算机辅助设计工具的开发逻辑进行了研究。提出了采用基于三层Ｗｅｂ－ＡＳＰ集成框架实现ｅ－ＣＡＤ原型工具的编程方案。其中,并行任务流管理与控制、微器件实例及设计资源库、微加工工艺规划及仿真、微器件设计评价等是该系统实现的关键要素。在此基础上将建立网上微器件设计中心,并通过应用服务机制,实现对微器件设计工具使用的商务化,以达到降低设计成本、加快ＭＥＭＳ产业化之目的。

电子微器件微尺度激光喷丸强化实验研究

微尺度激光喷丸是一种灵活、精准的加工工艺,能够广泛应用于微电子设备中的电子微器件中,以改善电子微器件的强度及可靠性要求。为了研究微尺度激光喷丸对电子微器件的强化机制,对电子微器件常用加工材料铜箔进行微尺度激光喷丸强化。微尺度激光喷丸及未喷丸铜箔材料表面轮廓度、变形情况及显微硬度进行对比分析。实验结果表明,激光光斑的搭接率对铜箔微变形深度有一定影响,随着激光光斑能量的增加,铜箔微变形深度逐渐增加,经过微尺度激光喷丸强化的铜箔表面显微硬度得到了显著改善。

用于微器件制作的灰度掩模技术

讨论了灰度掩模技术在凸及凹形微透镜、折衍射复合微透镜和微尖形阵列等器件制作方面的应用 ,给出了与几种典型的凸及凹形微透镜、折衍射复合微透镜和微尖形结构对应的灰度掩模板的设计实例及其应用 ,为灰度掩模技术制作微透镜器件及微尖形阵列奠定了基础。