1 苏州大学 机电工程学院，江苏苏州25000
2 中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所，四川绵阳61000
MEMS摩阻传感器是一种专门为测量高超音速飞行器模型表面摩擦阻力设计的立体式MEMS传感器，为了实现其可靠组装，设计了MEMS摩阻传感器微组装系统，对包括双显微视觉系统、高精度治具设计、精密操作工具、精密定位平台、高精度视觉识别算法以及点胶工艺等进行了研究。首先，分析确定了传感器性能与传感器浮动杆与芯片组装的形位公差、总成后的浮动杆上端圆面与传感器管壳上组件圆孔的同心度以及端面平齐度与高度差相关。然后，针对影响因素设计了高精度治具保证组装前传感器各个部件的形位公差在理论范围内，设计了精密操作工具确保精确吸取部件并在组装过程中稳定搬运部件，利用双显微视觉精确识别装配的轴孔位置，驱动精密定位平台将各部件搬运到对应装配位置。最后，研究点胶工艺对于传感器装配性能的影响。实验结果表明：传感器微组装完成后，其浮动头与管壳上组件圆孔同心度偏差平均值约4.90 μm；浮动头与上端盖端面高度差跳动值为1 μm。MEMS摩阻传感器微组装系统完全满足传感器装配要求。
MEMS封装技术 微操作 显微视觉 精密定位 MEMS packaging technology micromanipulation micro vision precision positioning 光学 精密工程
2022, 30(16): 1943
1 苏州大学 机电工程学院，江苏苏州2502
2 河南工程学院 机械工程学院，河南郑州451191
为了便于在数字微流控芯片上实施完整且高自动化的生化分析，在一个柔性基底上将芯片的两种常规结构加以集成，建立混合式结构，并对液滴在封闭区和开放区之间的跨区往返运动进行研究。首先，根据力平衡分析法分析液滴在两区边界处的运动特性，推导出跨越边界的条件，得到实现两区运动的优化措施。接着，在三种柔性基底上实现液滴的两区往返运动。然后，分析了封闭区上极板空间横向位置和纵向位置对液滴两区运动的影响。最后，研究了上极板厚度对液滴两区运动的影响。实验结果表明：封闭区上极板横向位置模式Ⅱ以及薄的上极板有利于实现液滴的自由跨区往返运动，而且能够降低液滴的驱动电压；对于0.8~1.2 μL的液滴来说，以聚对苯二甲酸乙二醇脂（Polyethylene terephthalate， PET）塑料片材为基底的柔性芯片上封闭区极板间距控制在150~350 μm内可实现液滴的双向跨区运动。实验结果证明了液滴能够在封闭-开放区间自由往返运动，混合式结构便于实现在单一芯片上的液滴操作及高自动化程度的分析检验。
数字微流控 介电湿润 两区运动 混合式结构 digital microfluidic electrowetting-on-dielectric two-region motion hybrid configuration
苏州大学 机器人与微系统研究中心, 江苏 苏州 215021
针对目前液滴在方形电极上分离存在的成功率低, 分离后的子液滴体积误差大等问题, 本文提出了一种扇形电极结构的数字微流控芯片。在分析液滴在方形电极上分离的影响因素后, 结合半月形电极、哑铃状电极和弓形电极的优点设计了扇形电极。与传统分离方式相比, 新型芯片在分离前能够调整液滴的初始位置, 分离过程中能保证液滴平稳收缩, 从而提高分离的成功率和精度。最后使用去离子水作为实验对象, 对扇形芯片的分离效果进行了实验验证。结果表明: 使用扇形电极在不同极板间距下分离液滴的成功率均高于传统电极, 并且分离后的子液滴平均误差在±2%以内, 变异系数低至1.83%, 通过减少分离电极的尺寸还能进一步提高分离精度。实验数据证明了扇形分离电极数字微流控芯片能够提高分离的成功率和精度。
数字微流控芯片 介电湿润 扇形电极 分离 体积精度 变异系数 digital microfluidics electrowetting-on-dielectric fan-shaped electrode splitting volume inaccuracy coefficient of variation
1 苏州大学 机电工程学院 江苏省机器人重点实验室&苏州纳米科技协同创新中心, 江苏 苏州 215021
2 海军驻贵阳地区航空军事代表室, 贵州 贵阳 550000
3 苏州工业园区纳米产业技术研究院微纳制造分公司, 江苏 苏州 215021
MEMS热电堆传感器能够实现对温度的精确测量, 固晶工艺是其中关键一环, 但目前尚缺乏有效方法精确优化MEMS热电堆固晶工艺参数。本文介绍了热电堆传感器的工作原理, 提出了对固晶工艺参数(固晶厚度和爬胶高度)的要求。以固晶工艺要求为导向, 初步探究了压力参数对固晶工艺的影响并进行了压力参数的优化。在优化的压力参数下, 实验探究了点胶高度和贴片高度对固晶工艺的影响, 并缩小了两参数的选择范围。在此基础上, 通过有限元ANSYS软件, 分析在相同温度下, 不同固晶厚度的银浆与芯片接触处的热应力分布, 找出最佳的固晶厚度参数, 并精确优化了点胶高度和贴片高度。最后, 通过实验验证的方式, 对此参数下的MEMS热电堆固晶强度给出了检测结果。结果表明: 压力参数为0.3 MPa、点胶高度为140 μm、贴片高度为460 μm时, 固晶推力均值为43.14 N。其固晶质量最好, 能够满足固晶强度要求, 有助于提高MEMS热电堆芯片封装的可靠性与成品率。
MEMS热电堆芯片 温度检测 压力参数 点胶高度 贴片高度 Micro Electro Mechanical System(MEMS) thermopile c temperature detection pressure parameters dispensing height patch height
苏州大学 机电工程学院&苏州纳米科技协同创新中心，江苏 苏州 215021
由于当前绝缘体上硅(SOI)压阻传感器芯片的封装质量仍依赖人工检测，本文提出了一种自动实现该项检测的视觉检测方法。分析了压阻传感器的工作原理， 研究了芯片定位精度和结合面质量对传感器性能的影响。以传感器性能和质量为导向，提出了一种以中心定位偏差和键合面结合度为检测点的封装结合面检测方法。该方法通过对Hough圆检测效果和实际图像的分析完成定位精度的检测; 基于对传感器质量影响因素的分析和气泡面积的统计实现结合面质量的检测。在传感器实际制造封装过程中对该视觉检测算法进行了实验验证。结果表明: 该方法能识别的结合面上的最小气泡直径为6 μm; 玻璃内孔半径检测误差约为0.015 mm.。本文提出的基于视觉检测的方法基本满足了压阻传感器封装对结合面检测的要求，有助于实现封装质量的自动化检测。
绝缘体上硅(SOI) 压阻传感器 芯片 封装质量 视觉检测 阳极键合 Silicon On Insulator (SOI) piezoresistive sensor chip packaging quality visual detection anodic bonding
苏州大学 机器人与微系统研究中心&苏州纳米科技协同创新中心, 江苏 苏州 215123
为了降低数字微流控芯片的驱动电压, 将传统的方形驱动电极结构设计为半月形, 并研究了不同参数的半月形驱动电极降低驱动电压的效果。首先, 根据介电湿润的基本原理分析了不同驱动电极形状对降低驱动电压的影响。然后, 通过流体体积法(VOF)对液滴的运动过程进行建模和数值仿真; 根据数值仿真结果对比分析了不同结构参数的半月形驱动电极随驱动时间的运动过程。最后, 设计了4种不同结构参数的半月形驱动电极芯片, 并对其驱动液滴的效果进行了试验验证。结果表明: 研制的4种半月形驱动电极微流控芯片中, 电极圆弧直径等于电极长度结构的芯片其驱动电压比其他3种电极结构的芯片的驱动电压至少降低了15.6%, 而且可以在16 V的驱动电压下使1 μＬ去离子水液滴的运动速度达到1.6 cm/s, 是设计为半月形驱动电极中的最优设计。实验数据证明了电极圆弧直径等于电极长度的半月形驱动电极结构可有效降低微流控芯片的驱动电压。
数字微流控芯片 半月形电极 驱动电压 介电湿润 流体法 digital microfluidic device crescent electrode driving voltage electrowetting-on-dielectric Volume of Fluid(VOF) method
苏州大学 机器人与微系统研究中心，江苏 苏州 215021
针对目前单极板数字微流控芯片驱动液滴的效果多通过数值仿真方法验证而缺乏实验支持，本文提出将单极板结构中的零电极进行悬空设计，并通过实验对比分析了设计的悬空零电极单极板结构的芯片和传统双极板结构的芯片对液滴的驱动效果。首先，基于介电湿润原理，推导出传统双极板结构中液滴所受到的介电驱动力以及每个阻力，接着，对文中设计的悬空零电极结构的单极板数字微流控芯片中液滴的受力情况进行分析。然后，对比分析两种结构的数字微流控芯片中液滴的受力情况。最后，对两种结构的数字微流控芯片驱动去离子水微液滴的效果进行试验验证。实验结果显示: 驱动同等体积大小的微液滴时，本文设计制作的悬空零电极单极板芯片比双极板结构的芯片所需的电压更低，液滴的运动速度更快; 当有效驱动电压达到44 V时，液滴的速度可以达到15 cm/s。得到的实验结果证明了在单极板悬空零电极结构的数字微流控芯片上液滴驱动速度更高，驱动电压更低。
数字微流控芯片 介电湿润 单极板 液滴速度 digital microfluidic device electrowetting-on-dielectric EWOD single-plate droplet velocity
苏州大学 机器人与微系统研究中心，江苏 苏州 215021
针对目前数字微流控芯片驱动电压比较高的问题，本文对比传统的驱动电极结构，研制了一种可以降低驱动电压的半月形驱动电极数字微流控芯片。首先，基于介电湿润原理，分析微液滴所受介电湿润力和微液滴接触圆上有效三相接触线所对应弦长的关系。接着，对比分析了传统的方形、叉齿形驱动电极与提出的半月形驱动电极上液滴有效三相接触线所形成的弦长大小; 分析得出3种驱动电极结构中半月形驱动电极所形成的有效弦长最大，从而表明半月形驱动电极的数字微流控芯片上介电驱动力最大。最后，利用设计制作的3种驱动电极介电湿润芯片分别实验验证驱动液滴的效果。结果表明，所研制的半月形驱动电极数字微流控芯片的最小驱动电压分别比方形和叉齿形驱动电极芯片降低了约37%和67%。另外，当有效驱动电压为60 V时，半月形驱动电极芯片上2 μL去离子水微液滴的速度约为10 cm/s，分别是方形与叉齿形驱动电极芯片上液滴速度的3倍和2倍。得到的实验数据证明了半月形驱动电极数字微流控芯片实现了降低芯片驱动电压的目的。
数字微流控芯片 介电湿润 微液滴 半月形电极 驱动电压 digital microfluidic device electrowetting-on-dielectric micro-droplet crescent electrode driving potential 光学 精密工程
2013, 21(10): 2557
1 苏州大学 机电工程学院,江苏 苏州, 215021
2 苏州大学 城市轨道交通学院,江苏 苏州, 215021
对二维Otsu法中类间离散度测度进行了分析, 发现按该算法对被噪声污染图像的二维直方图进行划分时, 所得两类的类内均值点容易远离主对角线, 因而抗噪声能力不足。针对以上情况, 本文提出了一种新算法, 该算法基于二维直方图中直线阈值分割的思想, 利用像素点的二维信息直接建立阈值直线的截距直方图; 然后应用Otsu准则对该一维直方图求解最佳截距阈值, 并应用该阈值和二维信息完成图像分割。对提出的算法与传统二维Otsu法进行了比较和分析, 结果表明：提出的算法可以有效避免传统算法在抗噪方面的缺陷, 当实验图像的噪声方差大于0.003且逐渐增加时, 提出的算法抗噪表现稳健; 另外, 提出的算法计算阈值的速度比基于二维Otsu法的直分法和直线阈值法快2个数量级以上, 占用内存空间更少。因而提出的算法是一种抗噪稳健且快速有效的阈值分割算法, 更适于实时应用。
图像分割 Otsu准则 阈值选取 直线截距直方图 image segmentation thresholding segmentation Otsu criterion thresholding selection line intercept histogram 光学 精密工程
2012, 20(10): 2315
1 苏州大学机器人与微系统研究中心，江苏苏州215021
2 中国科学院 上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点联合实验室，上海 200050
3 哈尔滨工业大学机器人研究所，黑龙江哈尔滨 150001
针对偶件装配对同轴度的要求，提出了一种基于柔性解耦梁和显微视觉技术的同轴定位调整系统。为满足同轴度在线调整和轴套的位姿保持，设计了一种“田”字型两自由度柔性解耦梁机构，并结合微动平台和夹具来实现同轴度调整时零件轴的精确定位。根据力学原理，建立了柔性梁的刚度模型，结合有限元法进行仿真分析，确定出梁的结构参数尺寸。对同轴定位调整系统中的显微视觉功能和过程进行了设计，并通过Hough算法实现精密同轴定位的实时检测功能，计算出同轴偏差作为调整的数值依据。大量的同轴定位调整实验显示，同轴度定位精度优于8 μm，同时大大提高了装配效率。结果表明，该定位调整系统为器件的装配提供了精确的定位参数，可以准确、高效地实现定位装配。
柔性解耦梁 显微视觉 同轴定位 flexible decoupling beam micro-vision coaxial positioning 光学 精密工程
2011, 19(11): 2685
