基于铝基含能配合物及CL-20含能微芯片的制备及表征

为提高含能微芯片的能量特性和燃烧特性,推进其在微推进器、微驱动器、微毁伤器等装置中的应用,通过在铜箔上原位生长含能配位聚合物(ECP)、电子束沉积n-Al及重结晶CL-20的方法制备了ECP@Al@CL-20的含能阵列,采用SEM、XRD、TG/DSC及高速摄影等表征方法对其微观形貌、物相组成、热分解特性、燃烧性能及贮存寿命进行了测试与分析。在此基础上,将其与微机电系统(MEMS)集成制得了功能性的ECP@Al@CL-20含能微芯片,并对含能微芯片进行了电容点火测试。结果表明,由于ECP的导热系数低,使ECP@Al@CL-20含能阵列从外到内的传热效率降低,导致放热峰温相比纯CL-20提高了8.5℃,从而提高了ECP@Al@CL-20的热稳定性;ECP@Al@CL-20含能阵列具有优异的燃烧性能,自持燃烧时间(340 ms)远大于ECP@Al的自持燃烧时间(120 ms),含能微芯片可在15 mJ的输入能量下激发。

共面式MEMS气体传感器微热板设计与仿真

【目的】常见膜式结构和悬浮式结构的MEMS气体传感器在垂直方向上存在寄生电场,会对气体传感器的检测信号造成一定影响。为了降低寄生电场对气体传感器性能的影响,提出了一种共面结构的MEMS气体传感器,并对其微热板进行了建模仿真及优化。【方法】利用SolidWorks对共面式MEMS气体传感器进行建模,并通过有限元分析方法从热稳定性、机械稳定性等方面对微热板进行了仿真。【结果】仿真结果表明:共面结构的微热板可以在整个气体传感器的测量区域内提供稳定、均匀的热分布,并且可以避免高温工作时微热板加热电极和气体传感器测量电极之间相互连通,为MEMS气体传感器提供优异的测量环境。【结论】共面式MEMS气体传感器不仅可以有效降低垂直方向上的寄生电场对传感器性能的影响,而且可以简化气体传感器的工艺流程。仿真结果也证明了共面结构的可行性,为实际MEMS气体传感器的设计和制备提供参考依据。

微焰燃烧技术在小体积燃气热水器上的研究与应用

本文主要针对燃气热水器中现有燃烧器火焰高度高、燃烧系统体积大等问题进行了测试分析,并采用数值分析与实验验证相结合的手段,提出了相应的优化方案。通过对燃烧器引射段、头部、火口形状的重新设计,提出了微焰燃烧技术,并实现了火焰高度降低25 %以上。并通过设计无盘管风冷降温燃烧系统,以及对燃烧系统的一、二次空气系数、火焰均匀性等进行了优化,实现了燃烧系统体积缩小,使微焰燃烧技术应用在小体积燃气热水器上。

金属薄膜加热器的研究

采用射频溅射方法制备了Cr和Ni-Cr(Ni:80 % ,Cr :2 0 % )金属薄膜 ,探讨了热处理温度和时间对Cr薄膜电阻温度系数和电阻率的影响。在一定直流电压条件下 ,Ni-Cr和Cr薄膜微型加热器的加热温度可达到 10 0℃ ,且升温速率皆大于 0 5 0 C/s。通过测量微加热器的电阻温度曲线 ,表明所制备的金属薄膜式微型加热器具有较好的稳定性和重复性 ,能够满足PCR生物芯片和硅基热分布式微流量传感器的要求。

微桥膜换能元结构设计及电阻计算方法

针对微结构换能元设计的规范化问题,从解析几何的基本原理出发,建立微结构换能元参数化结构设计方法,获得不同结构微换能元上、下边界的数学表达式。同时借助于单元离散的基本思想,将微结构换能元离散成有限数量个近似方形的微小单元,依据串、幵联电阻值计算方法,建立微结构换能元电阻值分析计算模型,幵验证了模型准确性。结果表明,菱形和圆弧边界换能元的电阻值随宽度w、特征角度β或特征半径Rc增加呈幂函数形式减小,随长度l增加呈幂函数形式增加。本研究为换能元的结构设计提供技术支撑。

基于MEMS的消化道定点释药微系统研究

消化道定点释药微系统是一种新型的无创医疗器械,当前主要应用于制药领域中的局部药物吸收研究中,通过无创的消化道内定点药物释放,获得药物在消化道特定部位的药物吸收特性数据,用于指导新型口服制剂的开发。本研究研制了一种新型的消化道定点释药微系统,研制的定点释药电子胶囊采用了一种新型的释药驱动器,该释药驱动器包括微发热阵列、微型弹性波纹管、活塞,活塞和微发热阵列通过低熔点粘结剂固定,压缩状态的弹性波纹管提供释放药物的驱动力,利用MEMS工艺,微发热阵列的功耗降低至450mJ,本研究开发了一种磁标记跟踪系统,通过获得信号源的三维位置数据而获得电子胶囊在消化道中的位置。利用本系统,我们获得了氨茶碱在12例志愿者的近端小肠定点释放药物的药代动力学参数。

微加热器热传导试验与计算

为了研究微加热膜下方的结构与微加热器性能的关系,利用数值计算与有限元仿真,研究了微加热膜下方空气隙厚度的变化对加热器性能的影响。首先,通过微加热器试验确定了对流换热系数等关键热学计算参数,建立了一维Fourier导热微分方程组,计算了Biot数并以此为依据对模型进行了薄壁简化,使用有限差分法对微分方程进行了数值计算。然后,使用ANSYS有限元分析软件对模型进行了电热耦合仿真,并对在对流换热边界下硅衬底(无空气隙),100,200,300,400μm气隙以及加热膜(完全贯通)6种模型的瞬态温度响应及稳态热分布的结果进行了对比。计算结果表明,相比硅衬底,目前的微加热膜结构在同样边界条件下可以将最高温度提高约17%。空气隙为200μm时,在+5 V驱动电压和空气对流边界条件下,微加热器可以达到390 K,稳态功耗为134 mW,起到了改善最高温度性能,降低功耗的作用。

聚合酶链式反应微芯片系统用于微量生物样品的快速扩增检测

基于MEMS微加工技术设计和制作了一种集成微加热器和温度传感器的聚合酶链式反应(PCR)微芯片。PCR微芯片结构通过有限元模拟验证分析。该芯片在PCR扩增过程中具有良好的制热效率和热传递均匀性。在微型温度控制电路装置下进行热循环反应,芯片的温度起伏小于1℃/s,升降温速度分别达到5℃/s和3℃/s,30个热循环耗时30min。此系统已经用于GUS基因的扩增检测,获得了良好的结果,极大的缩短了热循环的时间,可用于微量生物样品的快速扩增检测。

基于MEMS工艺的电极塞换能元一体化集成技术

针对传统电火工品桥丝焊接存在虚焊、人工效率低等问题,开展了基于MEMS工艺的电极塞换能元一体化集成技术研究。提出了电极塞换能元一体化集成设计的方案,通过在传统电极塞中引入MEMS工艺,形成了一体化集成的电极塞换能元。所设计的电极塞换能元具有平面结构、无人工焊接、批量化等特点,在10μF/15V条件下能够可靠作用。本研究为新一代电火工品设计提供技术支撑。

基于AIBN材料的微流体驱动用微型正压源

针对本课题组早些时候研制的用于微量组织液透皮抽取的微流控芯片,研究了一种基于偶氮双异丁腈(azobi-sisobutyronitrile,AIBN)热分解产生气体的微型正压源,用于为微流控芯片中微量组织液的收集和输运提供驱动力。将AIBN固定到微型加热器上,微型加热器加热AIBN至70℃即可产生一定的正压力。实验结果表明,设计的微型正压源压力可控、易于制造、体积小,8.7mg的AIBN在900mA加热电流下可产生182kPa的压力,满足对微流控芯片中组织液透皮抽取所需的驱动力。

外绕微通道冷凝器空气源热泵热水器仿真与优化

空气源热泵热水器比燃气或电热水器更为节能。本文提出了一种外绕微通道冷凝器,可以减少制冷剂充灌量、提高换热效率、降低成本、提高安全性。建立了热泵热水器的准稳态系统模型,制冷剂侧采用稳态模型,水箱和水侧采用动态模型。通过实验证明了该系统模型可以准确地预测时变的系统功耗、水温,以及系统时均COP。通过仿真分析,发现水箱隔热层可以缩短水的加热时间、并提高系统COP约9.2%。增大冷凝器也可提升系统COP,但几乎不改变水的加热时间。最后提出了微通道冷凝器的三流程优化设计方法。

热气泡式微流体驱动器的研究进展

热气泡式微流体驱动器是微驱动的一个研究分支,是微流控器件的重要组成部分.热气泡式微流体驱动器没有机械可动部件和机械变形,结构简单、容易加工制造、可靠性高,在航空航天、生物医学和化学等领域具有广阔的应用前景.目前,热气泡式微流体驱动器主要采用4种加热方式:电阻加热、电磁感应加热、激光加热和电火花加热.对以上4种热气泡式微驱动器的研究进展进行了总结,分析了不同加热驱动方式的工作原理、结构组成、微加工制作方法、实验测试结果和驱动特点,并对今后热气泡式微驱动器的发展趋势及研究方法进行了分析.

二氧化碳热泵热水器微通道气体冷却器的仿真分析

设计了一种用于二氧化碳热泵热水器的新型微通道水冷气体冷却器,用有限单元法建立了换热计算模型并编制程序。对微通道内CO_2和水侧的流动与换热进行了数值仿真;运用该模型分析了各种参数下气体冷却器的换热性能及CO_2侧的压降。可用于指导优化设计。

基于声表面波技术的数字微流体微加热器研究

设计了在128°旋转Y切割X传播方向LiNbO3基片上研制了数字微流体微加热器。它由压电基片上两个叉指换能器构成,当由功率放大器放大后的射频电信号加到叉指换能器时,其激发的声表面波经微流体后转化为径向表面波,并辐射入微流体达到加温效果。停止加电信号后,微流体能量向外界辐射迅速降温。采用2μL的甘油微液滴进行升温实验,结果表明:微流体温度变化由外加电信号强度和持续时间决定,在电信号强度为19V时,微流体的温度上升速率为1.5℃/s,与理论6.2℃/s结果基本相符。

微尺度瞬态气泡生长及湮灭的数值模拟

对脉冲加热过程中,微型加热器表面气泡的生长及湮灭进行三维数值模拟.通过几何重构和界面追踪的方法获取气液相界面的移动和变化,分析气泡生长过程中整个计算区域内的温度和速度分布.数值模拟结果与同等条件下的实验结果相比,气泡的生长和萎缩过程具有较好的一致性.

PCR芯片中微腔室高度及加热器结构优化设计

对PCR扩增芯片中微加热器的传热及微腔(DNA反应液腔)室的高度优化问题进行了有限元分析,通过ANSYS软件模拟分析了单蛇形、双蛇形以及双螺旋形等典型结构微加热器的温度场分布,分析了不同腔室高度PCR芯片的温度场分布,重点探讨了不同微加热器结构、不同布线规律对PCR芯片微腔室温度分布均匀性的影响,PCR芯片中DNA反应液厚度与芯片上下表面温差的关系.仿真结果表明:均匀加热器比非均匀加热器温度分布均匀性更好;双螺旋形加热器较单蛇形与双蛇形加热器更能满足实际需要;DNA反应液厚度与芯片上下表面温度差之间具有良好的线性关系.同时根据分析结果得到了所设计的具有电极均匀分布双螺旋微加热器的PCR芯片微腔室最佳高度为340μm,能很好满足片上PCR芯片扩增所需的温度环境条件.

基于温度梯度驱动的液滴传输行为研究

设计并制作了一种基于温度梯度驱动的液滴传输芯片,以实现对微液滴传输的精确控制.介绍了驱动原理和工艺流程,分析了仿真和实验结果.该芯片利用温度梯度下液滴表面形成的表面张力梯度来传输液滴,采用玻璃作为衬底,Ti为电阻加热器,Au为电极,PECVD氧化硅为介质层,碳氟聚合物为疏水层,实现了器件制作.芯片采用开放式结构,制作工艺简单,操作方便.测试结果表明,驱动功率为0.38 W时,去离子水和硅油的传输速率分别达到0.1 mm/s和1 mm/s.

集成微热板气体传感器阵列的加热驱动电路设计

基于集成微热板气体传感器阵列的应用需求,采用CSMC的0.5μm标准CMOS工艺设计了片上加热驱动电路,可根据外部控制信号实现阵列中各微热板加热温度的独立调节。利用Hspice完成了电路仿真,并进行了代工流片。实验测试结果表明该加热驱动电路满足设计要求,各路加热通道产生的驱动电流相对误差小于2%,并且切换电流时无明显过冲现象。

PCR扩增芯片中微加热器结构优化分析

针对PCR扩增芯片中微加热器的传热问题进行有限元分析,用计算机模拟了不同形状微加热器的温度分布,通过对比分析,得出了提高温度分布均匀性的加热器结构和布置规律;根据分析结果,设计出双螺旋环形微加热器,这种结构能在一定范围内提供均匀的温度分布,为完成高质量的片上PCR扩增提供所需的温度环境;同时该结构还能有效减小微加热器本身的自感效应,提高加热效率。

微热管阵列式太阳能平板空气集热器集热性能

该文在传统平板太阳能空气集热器基础上,结合高效热导元件—微热管阵列(micro-heat pipe arrays,MHPA),提出一种全新的平板式太阳能空气集热器,阐明了该集热器的基本结构和工作原理,深入分析了该新型集热器的传热机理。对集热器的热损失情况进行了理论分析,并对该新型集热器的非稳态集热特性进行了试验研究。通过测试该集热器在不同条件下的集热特性,分析了运行参数及气象参数对其性能的影响规律。结果表明,该集热器在风量为290 m3/h,瞬时集热效率稳定在68%,且具有结构简单,可靠性高,集热效率稳定的特点。