高校微机电系统加工实验室的管理与运行

微加工超净实验室是微机电系统（micro-electro-mechanical systems,MEMS）研究的基础条件。超净实验室涉及多种大型微加工设备和相应的纯水、高纯气体、空气净化及空调等辅助系统,其管理显得十分重要。结合重庆大学微机电系统加工实验室,对其现场管理、保障系统运行和设备管理、节能和高效利用、设计和技术管理等进行了简单介绍,同时对MEMS微加工工艺开发与技术管理进行了初步探索。

基于微型光谱仪的多参数水质检测微系统设计与实验

针对水资源环境监测与保护的需求,提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测微系统,系统主要由MOEMS微型光谱仪、流路系统、多功能微小型样品反应检测室和嵌入式测控系统组成,具有自动进样和试剂、样品反应体系的自动恒温、搅拌、光谱检测和数据处理等功能。论文介绍了系统各主要部分的功能与结构,研制出了原理样机,经实验测试验证,研制的多参数水质检测仪能够快速实现多个水质参数的准确检测,满足水质多参数在线监测的应用技术要求,同时具有很大的功能扩展性。

基于微型光谱仪的微小型快速生化检测仪设计与实验

面向野外环境伤病员重要生命参数快速检测的需求,基于MOEMS技术和嵌入式技术,提出了一种基于连续光谱分析的微小型快速生化检测仪新结构。在研究检测对象和方法的基础上,成功研制出基于连续光谱分析的微小型快速生化检测仪原理样机;对样机的杂散光、吸光度线性度、吸光度重复性、稳定性、温度准确性进行了测试分析,各项指标均达到设计要求;通过临床测试初步实验,可实现钠离子、葡萄糖、血糖等多项重要生命参数的快速检测。

新型多参数水质分析仪流路控制系统的设计

以单片机为核心,运用十联体电磁阀、三通阀和微型步进蠕动泵等流控器件设计新型多流路控制系统。对比测试结果表明,该系统能完成20多种流路切换,进样速度快,加样误差小于1%,能快速、高效地清洗进样通道,并避免交叉污染,而且成本低、不易堵塞、稳定性良好。

硅微通道红细胞变形性测量系统的实用化研究

针对硅微通道红细胞变形性测量系统的实用化关键性技术,包括小型化、集成化和操作的规范性、简便性等方面进行研究。利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行芯片和流路接口的一次性封装,使芯片测量部分整体成型。另外,将系统的进样驱动改进为恒流源,采用注射泵控制,使系统更易实现,且提高了进样的稳定性。针对改进系统的初步实验表明:恒流驱动具有良好的稳定性,在一定程度上更接近人体微循环毛细血管环境,系统操作简便,增加了红细胞变形性分析的可靠性。

数字微镜光谱仪的互补S编码矩阵的设计及实验

数字微镜光谱仪在应用中编码矩阵的选取至关重要。最佳的理论编码矩阵H矩阵存在非循环、编码复杂、双光路系统实现困难的问题而得不到广泛应用;而最佳实用S矩阵较H矩阵信噪比提高优势略逊。为此本文针对数字微镜光谱仪设计了一种互补S编码矩阵,介绍了其构造、实现过程以及对杂散光和暗电流噪声的削弱作用,通过对其噪声改善程度理论的分析,说明该算法结合了H矩阵与S矩阵的优点,达到了理论与实用的双优。经实验验证,该算法较S矩阵编码模板信噪比提高了2.05倍。

嵌入式多参数微小型水质监测系统的设计

结合嵌入式技术和GPRS无线网络技术,提出一种新型多参数微小型水质监测系统。采用ARM9处理器S3C2440A作为主控制器,控制单片机工作﹑采集光谱数据和GPRS数据传输。单片机作为辅助控制器,对7种水质参数指标实时测量。采用触摸屏作为人机交互工具。

MOEMS微镜面阵光谱仪的优化设计与实验

MOEMS(micro optical electronic mechanical system)微镜面阵光谱仪主要利用微镜面阵分时选通实现单个探测器光谱测量,具有无需斩波器实现脉冲信号输出,无需机械模板实现哈达吗调制,象元分辨率高,体积小,成本低等优点。针对MOEMS微镜面阵光谱仪设计中,狭缝尺寸与光通量之间的矛盾,本文系统深入的分析该光谱仪微型结构引入的新影响因素,获取最优值,实现光谱分辨率改进。首先,提出了衍射限制,空间采样率和谱面内弯曲对分辨率的影响,模拟仿真,获取最优参数。最后,搭建实验,进行测试。结果表明:微型光谱仪中,谱面内弯曲影响较小;衍射受限导致光谱分辨率无法进一步改善;空间采样率要求光谱光学分辨力至少是象元分辨力的两倍;综合评价的狭缝最优值为1.818μm,象元分辨力为2.278 6nm。

数字微镜光谱仪光谱能量理论的研究与实验

针对目前微型光谱仪器光通量低,不利于微弱信号检测分析的问题,设计了基于哈达玛变换的近红外光谱仪,提出一种互补S矩阵编码调制的方案;通过建立以数字微镜为核心的坐标体系模型,详细推导了互补S矩阵编码调制算法对于能量的增强理论。实验结果表明:S矩阵编码组合测量较逐次扫描测量光能量有了明显增强,但是依然丢失近一半的光谱能量;而互补S矩阵编码方案可以在S矩阵编码调制的基础上,补偿其关状态微镜单元上损失的能量;当光谱信号极其微弱时,逐次扫描方式所测得的光谱信号淹没于噪声信号中,而S矩阵编码与互补S矩阵编码测得的光谱信号依然可辨,并且在噪声抑制方面,互补S矩阵优于S矩阵,与理论分析基本吻合。

一种新型低噪声真空微电子加速度计的接口ASIC(英文)

真空微电子加速度计基于隧道效应而工作,其内部固有的低频噪声(如1/f噪声)大大降低其信噪比,而且也是影响精度和线性度的主要因素。采用混频技术和相关检测算法,本文研制和设计了一种新型低噪声接口ASIC(专用集成电路)。最后测试了加速度计的噪声和线性度,在0～200 Hz范围内输出信号平均噪声密度为69μV.Hz-1/2,线性度相关系数为99.99%,最大的非线性度为0.41%。通过实验结果可以看出该电路能大大改善加速度计的噪声特性和线性度,而且该电路设计思想能用于其它隧道效应加速度计。

微流控细胞芯片LED诱导透射式荧光检测微系统

构建了用于微流控细胞分析芯片的发光二极管(LED)诱导透射式荧光检测微系统,以克服现有荧光检测系统体积大、能耗高,以及激发光光路、检测区域和荧光收集光路间光学耦合效率低等问题。该系统的激发光光路和荧光收集光路互成135°,LED发出的激发光经透镜聚焦和激发光滤色片滤光后,经直径为200μm的小孔光阑限束,然后投射到微流控芯片通道末端的检测区域;产生的荧光及杂散光经加工后置于微流控芯片底部的发射光高通干涉滤色薄膜后,被光电倍增管收集。以HepG2肝癌细胞为测试样本对该荧光检测微系统的有效性进行了评测,结果显示:当LED工作电流为200mA,PMT控制电压为3.5V时,可产生与背景噪声明显区分的峰值信号;用250s观测时间得到了8个平均峰高为0.7V的峰值信号,与荧光显微镜观察结果一致,实现了细胞的在线计数检测功能。提出的系统为新型微全细胞分析提供了一种新的技术途径。

用于FAIMS系统的微电流检测电路

为解决电容积分式电流检测法不能满足FAIMS快速测量要求的问题,设计了一种用于FAIMS系统的微电流检测电路。该设计运用I/V电阻反馈法对信号进行放大。通过屏蔽和滤波等设计,有效地降低了FAMIS系统对检测电路的高频电磁干扰。考虑到前端电路的噪声来源,采用合理的元器件和电路设计,运用两级放大将FAIMS系统中的pA级电流放大并转换到mV量级。通过采集卡,利用LabVIEW对测得的电流信号进行采集和数据处理。实验结果表明,该电路的测量精度优于0.1 pA,采样频率高于15 Hz。进行了FAIMS系统实验,测得系统输出的背景噪声为0.2 pA。以乙醇为实验样品,在载气(N2)流量为0.8 L/min的情况下,得到了乙醇的FAIMS谱图,证明了该微电流检测电路可用于FAIMS系统。

基于MOEMS扫描微镜的近红外光谱仪分光系统结构

针对近红外光谱仪由于红外CCD导致的红外光谱仪高成本问题,提出用MOEMS微镜阵列进行光路结构改进,并且解决了红外光谱仪成像像斑不规则从而难以采用MOEMS微镜阵列进行光谱扫描的问题,设计了一种新的分光成像结构。该结构基于全息凹面光栅理论来规则光谱成像的像斑,采用光学设计软件ZEMAX和针对特定像差评判标准的优化算法,按照像斑规则化的要求设计并优化了光路结构。该光路结构中的平场全息凹面光栅工作波长范围为900～1 400nm。对设计结果分析表明:在宽度为50μm缝光源情况下,分光系统的理论分辨率优于6nm,像斑的可用尺寸约为0.042mm×0.08mm。验证实例表明,该设计满足了像斑规则化的要求,可以使用MOEMS微镜进行光谱反射扫描,验证了新型实用化MOEMS微镜阵列光谱仪模型的可行性,在最后对探测器所处位置与微镜最大偏转角的关系进行了分析。

MOEMS扫描微镜的测试实验与分析

针对集成角度传感器微镜在实际使用过程中的要求,在分析研究MOEMS扫描微镜结构与工作原理的基础上,进行了MOEMS扫描微镜最大偏转角度、驱动电压、谐振频率和传感器输出参数的测试.并且为了提高数据的可靠性,利用几何光学理论和误差理论的方法对该测试系统进行了详细分析,以此作为测试的系统误差与测试随机误差进行了误差合成.误差分析表明,该微镜在驱动电压为0.7 V时,最大偏转角为±8.704 15°,测试误差为±0.045 605°.此外,还对测试过程中扫描微镜谐响应频率随扫描模式及扫描电压而变化的现象进行了分析.

多参数微型快速生化检测仪光谱扫描自动定位控制系统研究

样品检测光谱扫描自动定位控制是多参数快速生化检测仪的关键技术之一。针对重庆大学研制的基于微型光谱仪的多参数微型快速生化检测仪,提出并完成了多参数样品检测光谱扫描自动定位控制系统的设计,并基于该控制系统展开了多参数微型快速生化检测仪的联机调试实验研究。实验结果表明:样品检测吸光度的变异系数CV≤1%,吸光度的线性相关系数R2≥0.995,满足半自动生化检测仪的相关技术要求。

声表面波器件测量牙种植体微扭矩的三维有限元仿真

为了利用微扭矩准确、非破坏性地测量牙种植体的稳定性,采用三维有限元分析方法研究了声表面波器件(SAW)检测牙种植体稳定性的可行性。首先,在梯度剪切应力场下建立了SAW器件的谐振频率和扭矩之间的理论模型。然后,利用ANSYS有限元软件对梯度剪切应力场下SAW器件的谐振频率变化情况进行谐振响应分析。最后,对比分析了理论模型和仿真得到的数据。分析结果表明:SAW器件谐振频率的变化量与最大剪切应力呈线性关系,但两者之间存在3%的误差;种植体的微扭矩与SAW器件的谐振频率呈线性关系。因此,在理论上能够利用SAW器件测量种植体的微扭矩,从而实现对种植体稳定性的检测。

微型近红外光纤光谱仪用于奶粉中蛋白质脂肪的定量检测研究

提出利用微型近红外光谱仪、结合Y型光纤探头,在900～1 700nm范围内对奶粉中蛋白质、脂肪含量进行快速、无损检测的漫反射光谱检测方法。基于Unscrambler 9.7化学计量学软件,选择合适的光谱波段,通过PLS算法分别建立了蛋白质、脂肪的校正模型,得到蛋白质、脂肪校正模型的决定系数R2分别为0.987和0.986,均方根误差RMSC分别为0.385和0.419。利用所建模型对预测样本数据集进行预测验证,得到蛋白质的标准差SEPProtein=0.768、脂肪的标准差SEPFat=1.109,表明所建模型具有较高的预测能力,已基本达到实用化要求。

微型MOEMS阿达玛变换近红外光谱仪

提出一种运用微光机电系统（micro-opto-electro-mechanical systems,MOEMS）闪耀光栅,动态产生阿达玛变换模版的微型近红外光谱仪。它具有体积小、价格低、扫描速度快等突出优点。分析了这种新型近红外光谱仪的结构和工作原理,通过对MOEMS闪耀光栅编程,动态生成了63阶阿达玛模版。实验得到的光谱波形与岛津光谱仪测量结果吻合。检测波长范围为900-1 500 nm,分辨率为19 nm,单次扫描时间2.4s,信噪比为44.67∶1,光路尺寸为70 mm×130 mm,总体重量〈1 kg,符合实时、便携的要求。

宽频带微型压电式振动发电机的设计

针对压电式振动发电机频带宽度过窄的问题,设计了多悬臂梁-单质量块结构的微型压电式振动发电机。建立了多悬臂梁-单质量块结构微型压电式振动发电机的仿真模型,分析了微型发电机的谐振频率与结构参数的关系、输出电压与结构频率的关系等性能参数。组装了多悬臂梁-单质量块结构发电机实验模型,实验结果表明,设计的多悬臂梁-单质量块结构微型发电机在振动频率为113Hz～155Hz的环境中可以有效地将振动能转换为电能,在频带范围内最小输出功率37.56μW,最大输出功率155.71μW,发电机的频带宽度扩展到42Hz。

基于树莓派的多参数水质检测仪控制系统

多参数水质检测仪的控制系统大多价格昂贵、自动化程度较低、开发周期长。针对这种情况,提出了一种基于树莓派的多参数水质检测仪控制系统,阐述了该系统的架构,设计了光源、微型电机、多位阀、注射泵及RTC控制模块,利用wiring Pi集成库实现了树莓派板载GPIO、PWM、UART等硬件的驱动,并在树莓派Raspbian系统下通过QT编写了控制软件,用于控制仪器各个模块。实验测试结果表明:该控制系统实现对了仪器的自动化控制,且操作友好、运行稳定、易升级,满足多参数水质检测仪实际应用需求。