本文關(guān)鍵詞：基于疏水表面冷凝和振動粘著控制的微對象操作方法研究

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【摘要】：微型化、集成化的產(chǎn)品需求促使操作對象從宏觀延伸至微觀,微操作技術(shù)的重要性日益凸顯,在微系統(tǒng)制造、生物顯微操作、光學調(diào)整等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。面對微操作進程中的日益微型化、精細化和復雜化,微操作對象的特征尺寸更加微小,對微操作工具和操作方法提出了更高的挑戰(zhàn)和要求。微尺度對象質(zhì)量輕、質(zhì)地脆的特點,對機械式夾持方式具有嚴格的出力要求,否則易造成表面局部應力集中,造成微對象變形,甚至損壞�；谝旱蚊毩Φ牟僮鞣椒ň哂腥犴樞院妥孕使δ�,但實時獲取操作液滴是實現(xiàn)微操作系統(tǒng)自動化的先決條件。同時,尺寸效應引起的粘著力主導作用常干擾微操作進程,特別是在微對象操作的終端釋放環(huán)節(jié),阻礙微對象的順利脫落。針對上述問題,本文研究疏水表面冷凝液滴的生成機理,提出基于疏水表面冷凝和振動粘著控制的微對象轉(zhuǎn)移方法分別作用于微對象拾取和釋放進程,研制冷凝微執(zhí)行器和柔順微操作系統(tǒng)用于實驗研究。分別對冷凝液滴生長模型、柔順可控拾取方法、振動控制和輔助液滴釋放策略以及操作實驗等方面開展了深入研究。在微尺度粘著特性分析和疏水表面冷凝機理方面,通過典型配置分析粘著力的產(chǎn)生和計算方法。提出基于冷凝控制的毛細力操作液滴獲取方法,分析親疏水表面液滴冷凝特性。研究疏水端面冷凝液滴生長機理,建立冷凝液滴生長模型,包括單液滴的直接生長、液滴合并和液滴移動模型,分析過冷度和飽和溫度對冷凝能力的影響。研究探針曲率半徑、溫度梯度和探針邊緣效應對冷凝液滴移動特性的作用,獲得穩(wěn)定液滴形成所需的條件,解決毛細力操作液滴穩(wěn)定獲取的問題,并實驗分析冷凝液滴的移動特性對穩(wěn)定單液滴獲取的影響。在微對象柔順拾取方面,提出基于疏水表面冷凝的可控毛細力拾取方法,分析毛細力拾取控制的可行性。確立單針式毛細力微操作工具的實施方式和基于疏水表面冷凝控制的微對象拾取進程。建立疏水表面冷凝進程的液橋模型,研究冷凝各階段液橋的變化,分析冷凝粘著滯后對毛細力的影響。建立平面-球面、凹面-球面、錐面-球面三種配置方式下的靜態(tài)液橋模型,通過精確迭代求解,研究接觸角、液橋體積、液橋高度和操作工具形狀因子等參數(shù)對毛細力拾取能力的影響,用以指導冷凝控制的毛細力拾取進程。通過對冷凝液橋的控制,實驗分析微對象拾取的可控性。在振動控制和液滴輔助的微對象釋放策略方面,研究粗糙度表面的粘著作用,提出表面改性和振動粘著控制相結(jié)合的主動釋放策略,建立基于慣性釋放的動態(tài)模型。研究具有自校準功能的液滴輔助釋放策略,分析輔助釋放的雙液橋模型和自校準模型,利用自校準能力解決釋放后的偏移問題。研究基于冷凝控制的輔助液滴動態(tài)分配方法,建立動態(tài)仿真模型,研究分離速度、接觸角、基底曲率半徑等因素對基底輔助液滴獲取率和斷裂距離的影響。并實驗研究各參數(shù)對輔助液滴獲取能力的影響,調(diào)控不同的參數(shù)配置可實現(xiàn)輔助液滴的動態(tài)分配控制。在基于疏水表面冷凝和振動粘著控制的微對象操作實驗方面,首先研制了冷凝微執(zhí)行器,對影響冷凝液滴形成能力的結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)進行實驗分析。實驗測量毛細拾取力,以微球和微平板元件作為測試對象,完成柔順拾取實驗。研制具有振動釋放功能的真空吸附微操作工具,實驗分析操作工具的主動釋放性能。在輔助液滴分配的基礎(chǔ)上,實驗研究液滴輔助釋放進程,分析輔助液滴體積和接觸角參數(shù)對自校準能力的影響。最后在冷凝微執(zhí)行器上集成振動控制模塊,基于建立的柔順微操作實驗系統(tǒng)開展微對象的三維操作實驗(拾取 轉(zhuǎn)移 釋放),進一步驗證了所提出方法和研制工具的有效性。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242;TB53

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