微结构运动特性表征中的全场三维重建方法

微机电系统(MEMS)测试的主要目的是为工程开发中的设计和模拟过程提供数据反馈,其中一个重要方面就是MEMS器件运动特性的高速可视化。基于计算机控制的频闪干涉测试系统,文中提出了一种时间轴和空间轴双向解包裹的干涉条纹分析方法,实现了MEMS器件离面运动参数的精确测量,并与微结构平面结构图像模板相结合,可以进行MEMS器件全视场运动的分析,达到了纳米级分辨力。     

基于弯曲测试的纳结构机械力学特性的表征

利用原子力显微镜对聚焦离子束刻蚀技术制备的不同纵横比的氮化硅纳米梁结构进行了弯曲测试,并讨论了一种标定原子力显微镜微悬臂梁弹簧常数的方法.实验中严格界定了欧拉细长梁的条件,在分析了纳米梁组纵横比对测试结果影响的基础上,讨论了如何修正弯曲测试结果.弯曲测试得到了纳米梁的平面模数,并进一步推算氮化硅材料的杨氏模量.测试结果验证了基于原子力显微镜系统的弯曲方法测试纳米薄膜材料杨氏模量的可行性.     

基于微流控和酶比色的微创血糖连续检测仪

连续血糖检测对糖尿病的诊断与治疗具有十分重要的意义。本文设计了一种集成化、自动化的微创血糖连续检测仪器,该仪器通过微流控芯片透皮抽取组织液,利用单片机精确测量透皮抽取组织液的体积,并采用酶比色法检测组织液的葡萄糖浓度,利用组织液与血液的葡萄糖浓度相关性实现连续血糖检测。由于透皮抽取的组织液体积很小且分散在皮肤表面,为了便于收集,利用生理盐水对抽取出的组织液进行稀释,稀释后的组织液中葡萄糖浓度在3～50mg/dL。为了测量低浓度葡萄糖,实验选取了1～50mg/dL中的10个浓度的葡萄糖溶液进行吸光度测量,根据光谱数据与葡萄糖浓度建立吸光度模型,结果表明该酶比色检测方法在1～50mg/dL葡萄糖浓度内具有良好的线性度,测量相对标准偏差小于0.65%。该仪器能够实现自动化控制,为糖尿病的诊断提供依据,在微创血糖连续检测领域具有良好的应用前景。     

基于垂直扭转梳齿驱动结构的硅微机械扭转微镜的设计加工与表征

为了改善扭转微镜的机电耦合特性和光学特性，提出了一种新的基于SOI硅片的垂直扭转梳齿静电驱动结构．通过有限元与边界元方法，对不同厚度扭转梁的机电耦合特性进行了数值模拟，得到了相应的阈值电压和吸合电压，并提出了几种新的折叠梁结构，以进一步改善器件的机电耦合特性；通过力学分析，从理论上推导了垂直扭转梳齿静电驱动方式微镜的最大扭转角度、阈值电压、扭转刚度以及固有频率，获得了结构参数对器件机电耦合特性的影响机制；最后，利用比例散射理论讨论了表面粗糙度、入射光束波长和入射角度等参数对微镜表面光学反射性能的影响，并利用原子力显微镜测量了微镜的表面粗糙度，理论模拟与实验研究表明，基于SOI硅片和垂直扭转梳齿结构的硅微机械扭转微镜可显著降低器件的驱动电压，提高器件的机电耦合特性和微镜表面的光学反射特性．     

基于模糊图像合成的微结构平面运动测量技术

动态测试技术在MEMS研发过程中具有极为重要的作用。本文在机器微视觉的MEMS动态测试系统的基础上,基于模糊图像合成技术对MEMS谐振器的运动特性如谐振器的运动幅度、谐振频率f及品质因数Q等重要参数进行了测试,并给出了实验结果。     

硅微机械扭转微镜的研究进展

硅微机械扭转微镜在国防和民用领域都有着重要的应用.根据致动机理的不同,从压电驱动方式、电磁驱动方式、电热驱动方式和静电驱动方式等方面系统地阐述了硅微机械扭转微镜的研究现状与发展方向,同时重点讨论了硅微机械扭转微镜在医疗成像和生物技术等领域中的具体应用.     

测量微悬臂梁曲率的相移显微干涉法

提出了一种基于显微干涉和有限差分法在微悬臂梁上实现曲率精确测量的方法.该方法将使用相移显微干涉法测得的微悬臂梁表面弯曲信息与用有限差分法解析的弯曲量进行对比,再运用拟牛顿算法或最小二乘法得到曲率的最佳匹配值.实验结果表明:使用该方法可获得弯曲量测量值和解析值之间的均方根差值在1.5 nm以内的精确曲率值,并且一定的像素偏移带来的误差对曲率测量的结果影响很小.由于方法保留了光学干涉法高分辨率及高精度等优点,并考虑了非理想边界条件的影响,在MEMS残余应力和应力梯度测量中具有较大实用价值.     

基于MEMS微触觉测头和纳米测量机的特征尺寸测量

针对微小结构几何量测量的需求,通过集成MEMS微触觉测头和纳米测量机构建了高精度的测量系统.在验证测头性能的基础上,完成了一系列判断测头测量分辨力和精度的实验,在轴向、同向横向、异向横向三个方向测量的标准偏差分别为41.755 2 nm,6.05 μm,6.16μm,同时,在扫描实验中进程回程扫描差值的标准偏差为23.088 nm.     

基于局部基底弯曲法的高灵敏度薄膜应力测试技术

针对MEMS(micro-electro-mechanical system)和NEMS(nano-electro-mechanical system)对薄膜应力测试的要求,开发了一种新型高灵敏度薄膜应力测试技术,使用自行搭建的准纳米光学干涉测试系统,利用局部基底弯曲来检测薄膜的内应力.该方法不仅保留了传统基底弯曲法的所有优点,而且消除了其系统误差.使用ANSYS对测试结构进行了模拟和优化,对于30nm厚的薄膜,应力检测的分辨率为1.5MPa,优于目前国际上的相关报道.本测试结构使用各向异性腐蚀和DRIE(deep reactive ion etching)完成,加工工艺简单实用.文中使用该测试技术对常用MEMS薄膜的残余应力进行了测量,结果与其他测试方法得到的结果基本一致,测量重复性优于1%.该技术可以用于测试纳米级薄膜及超低应力薄膜的内应力.     

人体组织液的微创透皮抽取技术

对人体组织液的微创透皮抽取技术进行了研究.首先对皮肤进行低频超声预处理,提高皮肤表层对组织液的通透性,然后利用文氏管真空负压实现组织液的抽取、收集和输运.搭建了低频超声皮肤预处理系统,设计了基于文氏管的真空负压一体化装置,研究了组织液透皮抽取效果的评价方法.通过实验验证了组织液的抽取效果,研究了抽取时机、抽取频率对组织液渗透速率的影响,验证了文氏管真空负压作为组织液抽取、收集和输运驱动力的作用效果,研究了利用真空负压控制液体输运速度的方法.研究成果在微创血糖监测技术中具有重要的应用价值.