1 华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东广州50640
2 广东科技学院，广东东莞53083
在微流控芯片中，微流体自驱动受限于微纳流道制造技术。因此，提出一种采用分布有锯齿状微尖端的金刚石刀轮滚压硬脆性芯片材料表面的微纳流道加工方法。通过实验研究，分析微纳流道成型机理，且研究工艺参数及材料性质的作用机制，并探究其自驱动微流变性能。结果表明：在一定的切深和气压下，刀轮微尖端处的材料接触面产生应力集中，当达到压痕间裂纹贯通值时，以远大于刀轮滚压速度在材料表面形成纳米流道，当超过材料强度极限时形成微米流道，且深宽比随着最大应力增大而增大。单晶碳化硅、蓝宝石和光学玻璃形成纳米流道的最大应力范围分别为266~750 MPa，256~600 MPa和74~150 MPa，其中，光学玻璃的纳米流道深宽比高达1.1，表面粗糙度低至1 nm。低硬度材料可生成高深宽比的纳米流道，而高断裂韧性的材料表面质量最高。此外，纳米流道能够以高至0.055 mm/s的速度和低至0.001 μm3/s的剂量自驱动微流体。
微纳流道 金刚石刀轮 单晶碳化硅 蓝宝石 光学玻璃 microchannel and nanochannel diamond cutter wheel 4H-SiC sapphire optical glass 光学 精密工程
2023, 31(12): 1785
1 广东科技学院，广东东莞523083
2 华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东广州510640
针对ITO玻璃表面线路激光刻蚀中因定位问题玻璃工件产生的微变形，采用微孔陶瓷对工件进行微气流阵列加压，确保高精度的激光刻蚀加工。分析不同加工工艺下的微气流压力分布，探究气流压力和刻蚀间隙对ITO玻璃刻蚀表面平面度的作用机制。结果表明：经微孔气流加压后，工件在气体流动的区域受到正压力，加工区域的压力分布较为均匀。由此可知，工件表面受到均布气压有利于刻蚀表面的定位，但过大的压力会导致工件微变形。实验结果显示：在合适的压力下，微孔气流加压可使得平面度低至8 μm，当压力在0.16~0.2 kPa，刻蚀间隙在1.8~1.9 mm时，工件表面压力为13.2~14.4 Pa，此时平面度最好，微米尺度的刻蚀线路清晰，不产生破损。最后，对微孔气流加压的ITO玻璃进行激光刻蚀加工，可得到8 μm以及25 μm的表面微细线路，解决了通常无微孔气流加压的刻蚀工艺导致局部断点或变形线路引起产品短路或开路等问题。
激光刻蚀 微孔气流 ITO玻璃 刻蚀工艺 高精密加工 laser etching microporous airflow ITO glass etching process high precision machining 光学 精密工程
2022, 30(13): 1564
1 华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640
2 广州迪澳生物科技有限公司, 广东 广州 510663
针对病原体检测用芯片需要蠕动泵和离心机外加驱动的问题, 设计微V槽流道的自驱动芯片, 研究微液体流动的微流道拓扑结构及其精密磨削技术。因为激光等物理加工难以保证微拓扑结构精度, 所以采用金刚石磨削技术实现石英玻璃表面的微V槽流道精密加工。基于多轴联动技术和机械物理去除原理开发了砂轮微尖端的高效精密在位修整工艺, 可将磨粒精密修尖至同一角度, 进行机械精密复制的塑性域微磨削。然后, 实验分析微V槽流道的尖角、表面粗糙度、梯度等对微液体流速的影响。最后, 制造出病原体检测的微流控芯片。研究结果显示, 更大梯度、更小尖角和更小粗糙度以及尖角端分布的纳米流道可以大幅提高微液体流速。而且, 微流道的V槽尖端半径为15 μm, 表面粗糙度为30 nm, 可诱导微液体运动。在此基础上, 研发的自驱动微流控芯片不需离心机就能够检测出布鲁氏菌的病原体核酸, 检测灵敏度可以小于100 ag/μL。
微细磨削, 微流控芯片, 病原体检测 micro grinding microfluidic chip pathogen detection
华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640
微透镜阵列热压精密成型需要时间保温, 生产效率较低。因此, 提出在模芯加热表面的微沟槽阵列上对聚合物导光板进行热压, 使工件热变形的微米尺度表面层流入微沟槽空间内, 快速形成微拱形透镜阵列, 而保证工件主体不变形。目的是实现高效率和低能耗的微光学透镜阵列热压成型加工。首先, 针对导光板表面的微阵列结构和尺寸分析其微光学性能; 然后, 使用微磨削技术在模芯表面加工出高精度和光滑的微沟槽阵列结构; 最后, 研究微拱形阵列的快速精密成型工艺及微光学应用。微光学分析显示, 微阵列的高度和分布密度对出光面的光照度影响较大。热压工艺实验结果表明, 采用深度为104 μm和角度为121°的微沟槽阵列模芯, 在12 MPa的压力和110 ℃的温度下, 可以在3s内将高度为50 μm的3D微拱形阵列导光板快速精密热压成型。本文方法制作的87 mm×84 mm的导光板, 与市面具有2D点阵且高度为8.2 μm的丝网印刷导光板相比, 光照度提高了21%, 光照均匀度提高了27%。本文研究将促进微光学精准设计和制造在LED照明产业的应用。
热压微成型 微透镜阵列 微磨削 微光学 导光板 micro hot embossing microlens array micro-grinding micro-optics LGP
华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640
针对脆性石英玻璃的微加工, 利用自主研发的金刚石砂轮微尖端修整工艺, 研发了光纤阵列石英玻璃微V槽磨削技术。分析了60°的微V槽形状偏差对光纤耦合损耗的影响, 然后, 研究了砂轮微尖端的误差补偿修整工艺。最后, 实验分析了微V槽的磨削精度。理论分析显示: 微V槽角度、间距和宽度的偏差分别控制在±0.42°、±1.04 μm和±1.2 μm以内时, 耦合损耗小于0.5 dB。实验结果表明: 开发的数控磨削工艺可加工高精度的60°微V槽阵列; 采用数控轨迹和角度补偿修整后, 砂轮微尖端半径可平均达到10.46 μm, 角度精度为(60±0.22)°; 对石英玻璃进行微磨削后, 微V槽的角度偏差达到0.4°, 尖端半径为10.5 μm, 宽度偏差为0.3 μm, 间距偏差为0.5 μm, 可保证光纤阵列的精密对接。
光纤石英玻璃 光纤阵列 微V槽 微磨削 金刚石砂轮 微尖端 耦合损耗 optical fiber quartz glass optical fiber array micro V-groove micro-grinding diamond wheel micro-tip coupling loss
华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640
用白光干涉检测(WLI)法检测微结构表面形貌时, 其光滑结构面和边角数据很容易丢失, 因此本文提出了自适应方向WLI检测法。该方法分别沿着每个微斜面法向进行自适应方向检测, 评价分析其面形、特征轮廓和特征点的加工精度。首先, 采用#3000金刚石砂轮微细尖端在Si表面加工出高度为50 μm、宽度为56 μm且光滑的微锥塔结构。然后, 利用四次检测点云对微磨削表面进行拼接与重建。最后, 分析面形误差、特征轮廓误差和特征点误差。实验显示: 自适应方向WLI检测可以重构出完整的微锥塔结构表面, 微磨削的面形误差为5.3 μm, 表明该微磨削技术可以确保微锥塔结构光滑Si表面的加工精度。但是, 对微锥塔结构表面特征轮廓误差及特征点误差的评价表明, 特征轮廓误差高达7.7 μm, 而特征点误差约为15 μm, 约为面形误差的3倍。分析认为这些误差是由微金刚石砂轮V形尖端磨钝及微磨粒钝化造成的。
白光干涉术 自适应方向检测 微结构表面 微磨削精度 White Light Interferometry(WLI) adaptive-orientation measurement micro-structured surface micro-machining accuracy
西北核技术研究所, 高功率微波技术重点实验室, 西安 710024
在频域和时域研究了TEM喇叭天线的辐射机理。在频域，高频信号激励的TEM喇叭表现为口径天线的辐射特性，具有良好的方向性；低频信号激励的TEM喇叭可视作偶极子天线，具有全向辐射特性；在时域，脉冲激励的TEM喇叭天线辐射场由四个子波叠加构成，在不同方向上，各个子波的波形和相对时序不同，导致不同方向上辐射场波形也不相同。根据辐射机理研究结果，提出了一种TEM喇叭天线末端加载设计并给出了其优化设计方法，有效地改善了天线主轴辐射性能，提高了辐射因子和天线效率。
TEM喇叭 天线 机理 优化设计 辐射因子 TEM horn antenna mechanism optimized design radiation factor
西北核技术研究所 高功率微波技术重点实验室， 西安 710024
小型超宽谱高功率微波辐射系统由Tesla型100 kV级ns脉冲源、Peaking-Chopping型亚纳秒气体开关及TEM喇叭天线构成。系统重复运行频率100 Hz，辐射因子rEp值75 kV，主轴辐射场中心频率520 MHz，-3 dB频谱范围230~810 MHz。系统集成于一便携箱内，体积为80 cm×50 cm×26 cm，质量约45 kg。该系统结构紧凑，能够快速展开和撤收，可方便用于超宽谱高功率微波应用技术研究。
超宽谱 高功率微波 Tesla变压器 天线 辐射因子 ultra wide spectrum high power microwave Tesla transformer antenna field-range product
西北核技术研究所 高功率微波技术重点实验室， 西安 710024
采用时域有限积分法(FIT)对相同几何口径尺寸下不同长度TEM喇叭天线的主轴辐射特性进行了研究，分析了有限长TEM喇叭天线与理想(无限长)TEM喇叭天线主轴辐射场存在差异的原因，导出了有限长TEM喇叭天线主轴辐射场在接近理想TEM喇叭天线辐射场条件下天线长度与激励脉冲宽度(或脉冲上升时间)之间的关系。在此基础上，根据文献中的研究结果，并结合激励脉冲波形，给出了TEM喇叭天线几何参数的优化设计方法。
TEM喇叭 天线 优化设计 时域有限积分法 TEM horn antenna optimized design finite-integration time-domain method
