新型微梁阵列生化传感器的研制

为了消除单微梁生化传感系统中存在的温度漂移、溶液折射率变化等环境噪声影响,同时实现多种靶标分子的快速并行检测,设计制作了新型微梁阵列生化传感器.利用压电驱动激光束扫描微梁阵列,并通过光杠杆法实时读出微梁弯曲信号,即可得到在微梁表面发生的特异性生化反应的动力学曲线.对250 μm间距的两定点的9h扫描实验数据验证了系统光路的稳定性;同时进行了温度激励测试,升温6℃后微梁阵列弯曲信号基本保持一致(误差6.5％),验证了系统检测的可靠性.最后,利用自制毛细管阵列套合修饰装置,成功将克伦特罗抗体修饰到微梁阵列一侧的金表面上,对待测液中10μg/L克伦特罗标样进行了准确检测,验证了此传感系统在生化检测中的实际可行性.     

Al-Mg合金中锯齿形屈服现象的热分析

研究了在室温、定加载应变率拉伸的情况下Al-Mg合金中的锯齿形屈服现象.伴随着锯齿形屈服现象的发生,试件表面温度场会发生变化.而红外相机能以较高的时间、空间分辨率记录下随时间变化的试件表面温度场图像.通过分析这些热图像,探讨了A,B两种类型带的传播规律,得到了局域变形带的带宽、倾角、传播速度等特征参数.在此基础上,引入热传导方程,求得了带内的应变率.实验和计算都发现B类型带产生时试件表面带外区域存在弹性收缩现象,由此提出以是否存在带外收缩变形作为划分A,B类型带的新标准.     

红外测温法研究Al-Mg合金中的Portevin-Le Chatelier效应

试件塑性变形过程伴随着机械能向热能的转化.利用红外测温法,通过分析红外热像仪采集的温度场图像,系统研究了Al-Mg合金中的Portevin-Le Chatelier （PLC）效应.在不同应变率下,实验得到了三类锯齿形应力-应变曲线,分析了相应情况下试件温度变化曲线的异同及其原因,探讨了三种类型PLC变形带的空间传播特性.研究发现,试件表面的温升随着应变率的增加而增加;PLC带的倾角转向发生在试件的两端或者带外的温度最高处. 关键词： Portevin-Le Chatelier效应 红外测温 Al-Mg合金     

调制度分析在等步长相移法相位展开中的应用

推导了两种常用等步长相移算法的调制度表达式,提出一种新的调制度分析方法。该方法用于等步长相移法中基于加权最小二乘法的相位展开,能够充分利用调制度信息,构造二值和小数权重,从而增强相位展开过程对多种干扰因素的免疫力。实验结果说明了该方法的有效性和实用性。最后比较了二值权重和小数权重在加权最小二乘法的相位展开中的性能表现。     

基于无基底焦平面阵列的红外图像复原算法

与传统有基底焦平面阵列不同,无基底焦平面阵列的感热单元吸收的红外辐射以点扩散函数的形式向相邻单元进行热传导,该热力学特性虽然能够大幅提高红外探测性能,使红外目标在背景中更加凸显,但同时降低了系统对红外目标细节的分辨能力,使图像模糊。通过分析这种热扩散叠加效应对红外成像质量的影响,利用数字图像处理方法,提出了针对性的红外图像复原算法。仿真和实验均表明该算法能够有效增强红外图像细节轮廓,提升图像质量。     

硅基底多层薄膜结构材料残余应力的微拉曼测试与分析

针对MEMS器件制备中两种典型的硅基底多层薄膜结构的残余应力问题,本文提出了利用微拉曼光谱技术测量其残余应力的方法,分析并给出了硅基底多层薄膜结构中的残余应力分布规律。实验结果表明,在硅基底和薄膜内存在较大的工艺残余应力,残余应力在基底内靠近薄膜两侧部分呈非线性变化,在基底内主要呈线性变化,并引起基底整体翘曲。基于实验结果分析,提出了硅基底多层薄膜结构的分层结构模型。本文工作表明微拉曼光谱技术是测量与研究硅基底多层薄膜结构残余应力的一种有力手段。     

锗-硼硅玻璃局部加热低温封接温度场研究

在光学读出非制冷红外热像仪焦平面阵列(FPA,Focal Plane Array)真空封装结构中,硼硅玻璃和双面镀增透膜的锗片分别作为透可见光和透红外光的窗口材料.由于锗窗上增透膜不能承受高温(<250℃),同时FPA也不能承受高温(<100℃),因此封装过程须在低温下进行,并对锗窗上的增透膜及FPA进行保护.本文提出了一种用于锗-硼硅玻璃低温扩散焊接的局部加热方法.该方法从导热系数较大的锗窗外表面加热(200℃),而导热系数较小的硼硅玻璃窗口外表面维持低温(60℃).有限元模拟计算结果表明,该加热过程稳态情况下待焊接区域温度约200℃,满足低温焊接的温度要求.锗窗上温度(200℃)低于250℃,且FPA区域的温升在75℃以下.用实验方法对模拟结果进行了验证,实验结果同模拟结果一致,证明该方法能够有效地保护FPA及锗窗上的增透膜.     

微悬臂梁生化传感系统的性能分析

在基于光杠杆原理检测微悬臂梁变形的生化传感实验系统中,液体折射率的变化会导致PSD上光斑的位移,从而影响系统的检测信号。本文从理论上分析了在不同检测光束的入射角度、微梁的放置角度等参数条件下,液体折射率的变化对系统检测信号的影响。结果表明：在传统的光路下,液体折射率改变10-3引起的光斑位移与一般的生化反应引起的位移相当,即液体折射率的改变严重影响系统的检测信号。通过理论分析还发现在适合的参数配置下,可以忽略折射率变化对系统检测信号的影响。同时,参数的改变不影响系统的检测灵敏度。理论分析的结果得到了实验验证。     

应用微波技术实现纳米精度微光学对准和实时粘合

本文讨论纳米精确度光学对准技术, 以用于采用热固化树脂的微光学包装.为了达到一个快速固化过程,直接将微波能量作用于需要进行光学粘合的地方.然而常规微波加热技术,依赖于树脂和元件之间的高质量比.为了改进微光学包装中微量粘合剂的热吸收率,我们先将接合面抛光, 再镀上金属薄层.这样一来, 微波能量将被镀层快速吸收.为防止接合面过热,采用一个红外(IR)温度传感器,以监测粘合剂的温度.根据温度的高低, 一个自动化的系统则可以调整微波的功率输出,以便达到相对恒定的固化温度.在快速固化过程中,预先调准好的微光系统,如光纤耦合器,将由于加热的不均匀性而不可避免地遭受干扰.为补偿这个副效应,开发了一个实时光学对准监控和反馈系统.以包装光纤耦合器为例,该系统可实时监测当粘合剂由微波固化时器件的插入损失(IL).我们采用的一种三维压电变换装置(PZT)可达到x-、y-和z-方向的的对准.该PZT的10nm调节精度可监测出0.004 dB 的IL敏感性.与常规的固化烤箱比较, 该系统的微光学包装效率可提高150倍.由于采用实时监控和反馈系统,批量生产中产品的合格率也将大大改善.     

微梁传感研究大分子构象转变

通过表面修饰技术将大分子连接到微悬臂梁的单侧表面上,调节周围的物理、化学环境使大分子的构象发生转变,并用光杠杆法检测微梁变形.实验结果显示,大分子在微梁表面的构象转变过程会引起微梁的表面应力发生变化,并使之产生纳米量级的端部位移变形.此外,对于不同的大分子,促使微梁表面应力发生变化的机制是各不相同的.分析显示,氢键作用、静电作用和疏水作用分别在PNIPAM分子、PAA分子和胰蛋白酶分子的构象转变和微梁表面应力变化过程中起主要作用.微梁传感用于大分子的构象转变检测,提取的是分子间相互作用力的信息,它为从微观上理解大分子构象转变问题提供了一种新的实验手段.