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。

为了研究微磨削参数对斜面光纤透镜平面度的影响, 减小微磨削方法加工斜面光纤透镜的平面度误差, 采用正交试验法对直径Ф125 μm单模光纤的30°斜面光纤透镜的微磨削进行了试验。结合微磨削的磨削力模型和材料力学弹性梁变形理论, 分析微磨削过程中随着磨削用量的变化所导致的光纤透镜被磨削斜面的平面度的变化规律。 理论分析和实验结果表明: 光纤悬伸长度对斜面光纤透镜平面度的影响最大, 增大光纤悬伸长度将导致较大的斜面光纤透镜平面度的轮廓误差, 恰当的磨削用量组合能够获得较小的平面轮廓误差。通过试验磨削出了平面度误差为3 μm的30°斜面光纤透镜。

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。