微悬臂梁传感器对中药成分的非标记检测

利用微悬臂梁传感技术对两种中药成分(青蒿素与马兜铃酸)抗原抗体的特异性结合进行检测。首先用巯基化二抗将青蒿素或马兜铃酸抗体通过自组装法修饰到微悬臂梁的金面上,再加入不同浓度的青蒿素或马兜铃酸抗原,采用光杠杆原理监测微悬臂梁的实时变形。该系统能够检测出至少100ng/ml浓度的青蒿素与500ng/ml的马兜铃酸标准样品,并与ELISA实验所得的活性标准曲线趋势相对应。由于青蒿素抗体活性比马兜铃酸抗体活性强,因此检测出的青蒿素极限浓度较低。结果表明,利用微悬臂梁传感技术对中药成分的检测是可行的。     

基于光学读出的微悬臂梁温度传感器研制

为实现对环境温度的高分辨率、快速、准确测量,设计制作了一种基于光学读出的微悬臂梁温度传感器.由于组成微悬臂梁的两种材料——金和氮化硅热膨胀系数的差异,在温度变化时,梁内部会产生热应力导致其弯曲变形.不同温度下梁的弯曲变形量不同,利用光杠杆方法检测出此变形,经标定后就能实现环境温度的准确测量.实验中设定系统光臂长度为25mm,采用商业化三角形微悬臂梁(长200μm、宽40μm、氮化硅层厚0,6μm,金层厚60nm)对传感器进行了测试,实验结果显示其测量重复性好,温度分辨率达到0.02℃.对于特定尺寸的微悬臂梁,通过优化其双材料厚度比,温度分辨率可达10-4℃,可用于环境温度的精密测量.     

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。     

TiNi相变悬臂梁的横向冲击特性实验研究

利用改装的霍普金森压杆装置对TiNi形状记忆合金圆截面悬臂梁进行了横向冲击实验研究,并与45#钢悬臂梁的实验结果进行了对比,目的是探索相变对结构动态响应的影响。结果表明:在同样冲击条件下,TiNi悬臂梁的吸能效率优于钢悬臂梁;发现冲击过程中,TiNi试件根部内侧可能形成局部相变铰,使阻力曲线的斜率发生变化;卸载后相变铰消失,TiNi悬臂梁试件基本回复原状,钢试件则留下显著的残余变形。TiNi悬臂梁的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制。     

基于全场位移测量技术的微悬臂梁面内弯曲性能测试

基于自制的微力试验机和全场位移光学测量仪,建立了微尺度力学性能原位测试系统。其中微力试验机基于电磁驱动兼载荷计量原理设计,载荷量程和噪音分别为±1N和50μN。全场位移光学测量仪基于白光数字散斑相关方法研制。采用该系统对MEMS单晶硅(001)微悬臂梁进行了面内弯曲力学性能原位测试,获得了微悬臂梁末梢施力点的力-位移关系曲线,以及全场变形情况。结果显示,微悬臂梁表现出很好的弹性弯曲行为,最后在根部发生脆性断裂。根据弹性弯曲理论计算出单晶硅弹性模量为123.8GPa(±3.2%)。该技术为研究MEMS微构件的力学性能提供了一种有效的手段。     

固液润湿性对流体动压润滑薄膜的影响

利用自行开发的微型面接触润滑油膜测量系统,研究了固液润湿性对流体动压润滑油膜厚度的影响.试验中以静止的微型滑块平面和旋转的光学透明圆盘平面形成润滑副.固液的润湿性通过接触角判定,不同材料的微滑块平面和润滑液体形成不同的界面.在保持载荷和面接触楔形角不变的条件下对油膜厚度-速度关系进行了测量.结果表明:对于固液润湿性强的界面,形成的油膜厚度与经典润滑理论有较好的一致性;当固液润湿性明显降低时,测量得到的油膜厚度减小.对于试验中观察到的界面效应,应用界面滑移理论进行了初步分析.     

考虑中性层位置变化的微悬臂梁气体传感器静态模型的分析

微悬臂梁是一种高灵敏度的生化传感器,论文考虑吸附表面应力引起的中性层位置的变化,采用能量法建立了微悬臂梁在单层分子吸附稳定后的静态弯曲模型,并以表面吸附有水蒸汽分子的微悬臂梁为例,研究了微悬臂梁曲率半径随其厚度、杨氏模量及吸附分子间距的变化规律以及中性层位置变化对微悬臂梁传感器性能预测的影响,结果发现:(1)微悬臂梁的曲率半径与其杨氏模量、厚度及吸附分子问距之间可以近似用一次、二次和八次函数关系表示;(2)中性层变化导致的曲率半径计算误差,随着微悬臂粱厚度、杨氏模量的增加而减小,但影响较小,而吸附分子间距会对该相对误差产生明显影响;(3)中性层位置变化会对微悬臂梁传感器灵敏度和表面应变预测产生明显的影响.     

基于微通道构型的微流体流动控制研究

微通道不仅仅是作为流体流动的单元, 更是进行流体控制的工具,微通道自身特性和特征用在实现微流体的驱动、进样、混合、分离以及液滴的产生、控制等方面已经表现出了良好的效果.由于微通道中比表面积非常大, 表面效应极大影响流体流动,近年来多数研究集中在应用表面效应来实现微流体驱动与控制,而以利用微通道结构特征实现流体流动控制为目标的研究成果相对较少.为了提高对通道构型作用的认识,主要介绍了基于微通道构型的无可动部件的流体微阀和基于微通道构型微小液滴的产生及流动控制器两个方面的发展情况,表明微通道构型在微流体控制中同样可以发挥重要作用,甚至有望带来微流控技术的突破.      

粗糙表面上微液滴的数值模拟

本文使用VOF方法将微液滴在粗糙壁面上的接触现象转化为不可压缩两相流动问题,并对其进行三维数值模拟.选择具有柱形突起和槽道两种微结构的壁面进行模拟.计算了不同粗糙系数时液滴在突起结构表面的静止形态和接触角,计算结果和实验数据吻合得较好.和理论模型进行比较,分析了经典模型的适用范围.对于微槽道结构的壁面,计算给出不同方向测量得到的液滴接触角.实现了液滴在倾斜壁面上滑落过程的模拟.液滴沿斜面下滑时,前进角和后退角的变化存在周期性,这一周期性变化和表面粗糙结构密切相关.     

横向冲击载荷下伪弹性TiNi合金矩形悬臂梁结构响应的实验研究

利用改装的霍普金森压杆装置对伪弹性TiNi合金矩形截面悬臂梁进行了横向冲击实验研究.结果表明:冲击自由端时,只在根部附近产生一个相变铰,冲击梁中间某位置时,则可能在多处形成相变铰;相变铰形成时拉伸和压缩两侧应变存在一定的不对称性,但是差别并不明显;相变铰的形成与发展过程中,应变并不是单调增加的,而是带有波动性;卸载后相变铰消失,TiNi悬臂梁形状完全回复;自由振动前期,应变的平衡位置与挠度的平衡位置有一定偏离,并且这种偏离随着梁的振动逐渐减小直至消失.TiNi悬臂梁的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制.     

用外加电压控制摩擦力的机理与技术Ⅱ．外加电压对摩擦力影响的研究

在球－盘式摩擦磨损试验机上，对３４种金属摩擦副在干摩擦和５种电气状态下的摩擦行为作了试验研究，其中由金属Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒ和Ｃｕ分别组成的１０种摩擦副的试验结果表明：在摩擦副回路电流调零和开路状态下，１０种摩擦副的摩擦力均比其它电气状态下的小，尤其调零状态下的更小；在短路状态下，Ｎｉ／Ｃｕ和Ｎｉ／Ｆｅ这２种摩擦副的摩擦力均比其它８种摩擦副的大，而这８种摩擦副的摩擦力大多都与外加大电流状态下的基本相当．由此可见：施加与金属摩擦副自生电势相等而方向相反的外加电压，可以阻止接触界面的电子流动而降低摩擦力；金属摩擦副摩擦力受自生电势、对摩金属的相溶性及其晶格点阵型式的综合影响     

基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟研究中的应用

对格子Boltzmann方法的本质及Shan-Chen模型的核心机制进行了全面阐述, 并从应用实例角度对基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的有效性、适应性进行了详细分析. 结果表明, Shan-Chen模型易于耦合微观条件下占主导作用的微观力, 拓宽了格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的应用. 同时, Shan-Chen模型在润湿性边界条件表征方面的优势, 使得这种方法在微结构表面的滑移效应模拟方面具有很好的应用前景.     

圆柱形微凹坑排布形式对织构表面摩擦性能的影响

利用数值模拟方法研究了具有微圆柱凹坑织构平面在往复运动下的摩擦学性能,分析了微圆坑深度、半径和织构单元位置偏移率等织构几何参数以及表面间相对运动速度对摩擦力和动压承载能力的影响.结果表明:织构单元位置偏移率由0增加到0.5时摩擦表面间的动压承载能力最大增幅约34.9倍,同时摩擦力也随着位置偏移率的增加而小幅增加;增加微织构单元半径可以同时提升承载能力和减小摩擦;而摩擦力和承载能力均随着微织构单元深度在10~60μm区间的增加呈现先增加后减小的趋势,且均在20μm时取得最大值.     

几何构型对流动聚焦生成微液滴的影响

流动聚焦型微流控装置能够方便、高效地生成均一度好且大小精确可调的微液滴(气泡),故被广泛应用于颗粒材料合成、药物封装、细胞培养等诸多领域. 进一步优化通道结构有助于实现对合成微粒粒径、均一度和尺寸范围的精确调控. 本文数值研究了通道深度、缩颈段长度以及两相夹角等几何构型因素对流动聚焦生成微液滴直径及其生成周期各个阶段的影响. 控制液滴生成方式为滴流式,发现液滴直径随通道深度d 的增加近似呈线性增大,且当通道深度小于30 μm 时,随着通道深度的下降,微液滴生成周期在毛细力的强烈作用下出现骤升,通道深度超过80 μm 时,微液滴的生成周期基本接近恒定. 连续相和离散相的夹角θ接近90°时,液滴直径及其生成周期最短,夹角太大或太小均不利于生成均一度好且粒径微小可控的液滴. 调整缩颈段长度l引起液滴直径及其生成周期的变化幅度仅为其平均值的3%~5% 左右. 此外,缩颈段宽度也是影响流动聚焦生成微液滴直径及其生成周期的重要因素,在通道深度固定时,缩颈段越宽,微液滴直径及其生成周期越大.      

双材料微梁阵列非制冷红外成像技术--微梁阵列热变形的光学读出

针对双材料微梁阵列非制冷红外成像技术的光学读出系统,提出了在谱平面上进行刀口滤波将阵列转角转化为像平面上光强变化的高灵敏度测量技术,并对光学探测灵敏度进行了理论分析.利用该光学读出系统在实验中得到了120℃红外物体的热图像.通过对实验结果的分析和图像处理消除噪声技术,得到该系统在成像温度范围的噪声等效温度差(NETD)约为5K,并对系统噪声进行了讨论.     

双材料微梁阵列非制冷红外成像技术--微梁阵列的设计与制作

本文给出了一种用于非制冷光学读出红外探测器的核心器件--微悬臂梁阵列的设计和制作,它是SiNx/Au双材料单层膜结构,简化制作工艺、可以直接在空气中成像.实验使用了设计制作的140 × 98微梁阵列和高信噪比的12-bit CCD,得到120℃以上的物体热像,噪声等效温度差(NETD)为5K左右,实验结果与热机械模型预测结果一致.     

基于微裂纹界面摩擦生热的点火模型

开展了基于微裂纹界面摩擦生热的细观点火模型研究,采用有限元方法对包含化学反应放热和摩擦生热的热传递方程进行了离散求解,计算模型中考虑了炸药颗粒熔化对升温过程的影响。着重分析了点火模型中主要参数(热点尺度、应变率和界面压力)对炸药点火的影响规律。数值研究表明,随着热点尺度的增大,热点的温度上升越快,越容易发生点火;应变率越大或者界面压力越高,热量积累越快,炸药越容易点火。

     

列车车轮钢表面硬度的微磁定量检测方法

多功能微磁检测技术在铁磁性材料力学性能的无损表征中具有良好的应用前景。本文研究该技术对CL65、ER7车轮钢表面硬度的无损检测能力。首先,利用变异系数分析方法评价了多功能微磁仪器对车轮钢微磁参量的重复检测性能;其次,开展了标定实验,基于斯皮尔曼秩相关系数分析了微磁参量对车轮钢表面硬度的单调表征能力;最后,通过融合多项磁参量,建立了基于BP神经网络的车轮钢表面硬度的微磁定量预测模型。外部校验结果显示,BP神经网络模型对CL65、ER7车轮钢表面硬度的预测平均误差分别约为0.59%和1.22%。     

微/纳米制造技术的摩擦学挑战

评述了国内外航天、信息和军事等高技术领域中微/纳米制造技术的研究现状和发展趋势,介绍了微/纳米制造技术特征及其关键技术问题,揭示了当器件的尺度由毫米量级减小到微米甚至纳米量级时,微器件材料表面和界面的摩擦学(摩擦磨损及润滑)、力学和化学等及其控制方法是微/纳米制造研究中急需解决的关键技术问题.这些问题的解决对摩擦学研究提出了严峻挑战,新的摩擦学理论和技术的出现将为微/纳米制造技术的发展以及相关问题的解决提供保障.     

基于激光阵列的多通道微梁生化传感系统

针对单微悬臂梁生化检测系统中存在的温度漂移、溶液折射率变化等环境噪声影响和不能多目标检测等问题,设计制作了一种基于垂直腔面射型激光器阵列(VCSELs)的新型微悬臂梁阵列生化传感系统。利用双透镜组光路汇聚激光器阵列发出的激光束,依次照射到微悬臂梁阵列尖端进行精确定位扫描,实现了5根微悬臂梁变形信号的同步检测。该系统具有灵敏度高、一致性好、检测快速等优点。通过升降温动态实验测试,验证了该系统的稳定可靠性。上述结果为微悬臂梁阵列式生化传感技术的开展提供了一种新的方法和平台。