微纳通道谐振器检测与表征中的动力学问题

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.

微纳通道中牛顿及非牛顿流体流动分析

基于润滑近似理论,建立了毛细管力作用下牛顿及非牛顿流体在微纳米通道中的流动控制方程,其时间依赖性的接触角由实验数据拟合,弯月面曲率的变化规律可由其末点与初点曲率比值控制;并利用圆弧分割近似的方法得到不同时刻液体弯月面的动态变化,将该算法应用于求解牛顿流体酒精毛细作用下的液柱高度,结果与Hamraoui的实验吻合很好。该算法进一步扩展到求解非晶材料PC(聚碳酸酯)热压印过程中在微纳通道中的流动高度。通过模拟分析得知:当非牛顿指数n为0.715时,材料易流动且柱体高度上升快;Bond数为0.1时,毛细力对柱体弯月面的作用效果更强,弯月面高度值更大。

微纳通道型真空漏孔研究进展

传统真空漏孔存在难以实现尺寸可控制作、分子流压力范围有限等问题,而利用微纳通道型真空漏孔可以有效解决上述问题。本文阐述了一维/二维微纳通道型真空漏孔的加工方法,即使用光学曝光、刻蚀工艺在硅基底上制备微纳沟槽,结合键合技术实现微纳通道密封;通过金属封装、玻璃浆料键合、毛细管连接工艺实现硅基微纳通道型真空漏孔与金属真空法兰的封装连接。该类型漏孔有望在真空计量、极小流量控制和漏率测试等方面取得应用。

玻璃基微纳通道制造与阻值规律研究

玻璃基毛细管加热系统拉制的微纳通道的尖端会有堵塞现象,为了改进微纳通道的制造技术与研究其阻值规律,建立了一套磨针仪与电测系统。首先,用玻璃基毛细管加热系统制备外径1.5~10μm的玻璃基毛细管,通过基于超声电机与振动学原理制造出的磨针仪磨制毛细管的尖端,然后用电测法判断磨制后毛细管尖端是否为通道。对于通道,用插值法拟合函数对内径小于10μm的玻璃基通道的尖端内电阻阻值进行计算,研究电阻和通道尖端内径的相关规律。实验结果表明,该磨针仪成功地磨制出孔内径小于2μm的玻璃基微纳通道,通道内的阻值和通道尖端内径成反比关系。

微纳通道中牛顿流体毛细流动的研究进展

毛细流动广泛存在于自然科学与工程技术等诸多领域,微纳通道中毛细流动近年来在微纳机电系统、生物医学、环境监测、石油开采、多孔介质渗流等领域获得了广泛应用.描述宏观牛顿流体毛细流动过程的是Lucas-Washburn(LW)模型,该模型在微纳通道中的适用性还没有定论,因而受到国际学术界关注.本文从理论模型、数值模拟和实验研究3个方面综述了微纳通道中牛顿流体毛细流动的研究进展,已有的研究表明需要对毛细流动进行分区讨论:(1)惯性力作用区,流动距离与时间t成正比;(2)黏性力-惯性力作用区,惯性力、毛细力、黏性力均对流动有影响;(3)黏性力作用区,黏性力与毛细力平衡,流动距离与t^(1/2)成正比;(4)竖直管道中还需要考虑重力的影响,存在黏性力-重力作用区.在黏性力作用区,LW模型仍然可以定性描述微纳通道中毛细流动过程,但需要引入动态接触角、气泡、电黏性等影响因素的修正.最后针对目前实验研究中存在的一些问题,总结有待深入研究的方向.另外,本文也对非牛顿流体毛细流动的研究做了简单介绍和展望.

极小流导分子流真空流导元件研究进展

作为真空计量关键器件,真空流导元件在真空检漏及相关测量领域中发挥着重要的作用。在众多类型的流导元件中,分子流流导元件因其流导特性受到广泛的关注。概述了几种极小流导分子流真空流导元件的研究进展,包括阳极氧化多孔氧化铝、硅基微纳通道以及石墨烯分子流流导元件,介绍了它们的制作工艺及流导测试结果,各种极小流导真空流导元件的分子流压力上限均为105 Pa量级。极小流导的分子流真空流导元件可应用于非蒸散型吸气剂性能测试、真空泵抽速测试、真空室体积及密闭容器漏率测量。

基于压电振子的毛细管尖端切割方法研究

针对生物医学等领域对毛细管的制造需求,提出了一种利用压电振子的振动与冲击,对毛细管尖端进行切割,使尖端发生断裂形成通道的方法。通过基于激光加热的毛细玻璃管拉伸系统拉制成尖端堵塞的玻璃管,设计出玻璃基毛细管尖端切割装置。利用压电振子的振动与固定刀片,对毛细管尖端的两侧施加位移载荷,使毛细管尖端发生断裂形成通道,并对其内径与外径进行测量,其尖端内径小于1μm。

可用于可穿戴设备的透明非晶硅薄膜太阳能电池的研究

一种可用于可穿戴设备屏幕表面的透明非晶硅薄膜太阳能电池,采用激光刻蚀高密度微纳光通道阵列、TCO薄膜作为透明导电背电极,并减薄I层厚度来提升光线透过率。实验表明随着光刻密度增加或I层厚度的减少,光电转换效率会降低,光线透过率会增加,当I层厚度300nm,光刻孔隙直径30m,阵列间隔55m以内时,可获得50%以上的透过率(最高59%)和2.5%以上的光电转化效率(最高3%)。