超精密平面光栅编码器位移测量技术是32~7 nm节点浸没式光刻机的核心技术。通过分析浸没式光刻机平面光栅位置系统的需求和布局, 提出了光刻机专用超精密平面光栅编码器的基本需求。针对现有的光栅编码器, 开展了基本测量光路方案、相位探测方案、分辨率增强光路方案、离轴/转角允差光路方案、死程误差抑制光路方案的综述分析, 提出了现有设计方案面向光刻机应用所需要解决的关键问题。面向亚纳米级测量精度的需求, 针对光栅编码器的仪器误差, 对周期非线性误差、死程误差、热漂移误差和波前畸变误差进行了综述分析, 提出了平面光栅编码器实现亚纳米精度所需要解决的关键问题。本综述为光刻机专用超精密平面光栅编码器的研制提供了参考。

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。

陶瓷髋关节球是人工髋关节置换手术中重要的零件之一。为了实现对陶瓷髋关节球高效、高质量的加工, 搭建了旋转超声辅助展成球面磨削装置。首先, 介绍了旋转超声辅助球面磨削加工的基本原理。接着, 针对装置的运动特性建立了磨粒运动学轨迹方程。结合运动学方程, 对加工状态下的磨粒进行了运动学轨迹分析, 深入研究了球面微观纹理的成形规律。最后, 进行了超声辅助磨削陶瓷人工髋关节球实验。实验结果表明, 在刀具转速为3 000 r/min, 工件转速为2 011 r/min的加工条件下, 面粗糙度平均值为96 nm, 线粗糙度平均值为56 nm。当陶瓷球转速和砂轮转速互为质数时, 球面表面的纹理分布更加均匀, 这为加工参数的优化提供了重要的理论依据。

为了实现对电磁悬浮微镜绕轴向-180°到+180°角度的旋转控制.对该系统所采用的电磁悬浮、静电驱动、转角闭环控制等进行研究。首先, 设计和制造了电磁悬浮微镜的定子和转子结构。接着, 对通过线圈的电流频率、电流大小与悬浮高度的关系进行仿真和实验, 实验结果和仿真结果基本一致。然后, 在分析变电容驱动原理的基础上, 进行旋转控制实验, 说明在按相序通电情况下, 转子能实现旋转。最后, 介绍了采用高精度的电容检测的转角闭环控制系统。实验结果表明: 在激励电流峰-峰值是0.5 A, 激励频率为20 MHz时, 转子悬浮到100 μm高度, 能够实现指定角度的控制, 基本满足电磁悬浮微镜的控制要求。

利用贵金属纳米颗粒独特的物理特性, 设计具有信号放大功能的荧光适体传感器用于多巴胺的浓度检测。基于金属荧光增强效应通过在金纳米颗粒与荧光基团之间添加隔离层的手段实现荧光信号放大。将化学修饰了SH键的核酸适体与金纳米颗粒溶液混合, 形成稳定的Au-S键结构并与标记荧光基团的DNA互补链利用碱基互补配对原则结合。然后, 通过调节所设计的核酸适体5′所添加的碱基A的数量, 从而调节荧光基团与金纳米颗粒表面的距离。同时, 优化核酸适体与金纳米颗粒之间的浓度比以及所处的反应环境的pH值, 获得最佳的放大效率。最后对不同浓度的多巴胺进行测试。实验结果表明: 金纳米颗粒溶液与核酸适体在一定的浓度比之下, 在隔离层厚度为27个碱基A时, 最大的荧光增强倍数为2.35。多巴胺浓度检测的线性范围为20~100 nmol/L, 最低检测限为20 nmol/L。该传感器可以在纳米级有效调控隔离层厚度, 提供了一种稳定的信号放大策略。

研究纳米Fe-Al/Cr3C2复合涂层的抗电化学腐蚀性能, 确定纳米Fe-Al/Cr3C2团聚颗粒加入量的最佳值。采用三电极系统, 对微米Fe-Al/Cr3C复合涂层、纳米Fe-Al/Cr3C2和分别添加了5%, 10%, 15%纳米Fe-Al/Cr3C2团聚颗粒的系列复合涂层抗电化学腐蚀性能进行测试; 利用Zview软件拟合交流阻抗谱, 从定性到定量拟合对纳米Fe-Al/Cr3C2系列复合涂层的电化学腐蚀行为进行分析; 利用扫描电子显微镜观察腐蚀后涂层表面形貌。添加了5%纳米Fe-Al/Cr3C2团聚颗粒的复合涂层自腐蚀电位为-0.775 V, 自腐蚀电流为0.280 mA/cm2, 与其它涂层相比抗电化学腐蚀性能最优; 此处添加的5%纳米级Fe-Al/Cr3C2团聚颗粒的复合涂层的特征主要以均匀腐蚀性为主, 而其它Fe-Al/Cr3C2复合涂层都表现为一定的局部腐蚀特性。Fe-Al/Cr3C2复合涂层本身的抗电化学腐蚀特性会受到Fe-Al/Cr3C2团聚颗粒的影响而存在改善的价值。加入量低于最佳值时, 涂层因表面质量没有得到改善而抗电化学腐蚀性能较低; 加入量高于最佳值时, 涂层因表面高活性而导致抗电化学腐蚀性能较低。

为了增加电感式油液污染物检测传感器的稳定性, 提升对铁磁性和非铁磁性污染物的检测精度, 设计了一种内置磁性纳米材料的电感式油液污染物检测传感器, 螺线管线圈内部填充的磁性纳米粒子层可以提升检测区域磁场强度, 增强磁化涡流效应。模型材料制作300 μm的微通道穿过螺线管线圈和磁性纳米材料组成的传感单元, 当污染物通过传感单元时, 利用电感检测原理可以区分铁磁性和非铁磁性污染物。同时采用有无磁性纳米粒子层的两种传感器进行多组对比实验。实验结果表明, 磁性纳米粒材料的电感式油液检测传感器具有更高的检测信噪比以及更低的检测下限, 对于20~70 μm的铁磁性颗粒检测信噪比提升了20%~25%, 对于80~130 μm的非铁磁性颗粒的检测信噪比提升了16%~20%。该方法基于微流控检测技术, 具有体积小、检测信噪比高等优点, 同时为液压油污染物快速检测提供了技术支持, 对液压系统的故障诊断与寿命预测具有重要意义。

为解决压电振动能量收集结构难以同时满足宽频带、三维、高效采集等要求的问题, 提出一种以Z型梁代替集中质量块的压电振动能量收集结构。通过Z型梁引入非线性质量, 使收集器在低频范围内集中更多模态, 拓宽采集频带。利用Z型梁结构的纵向和横向不稳定性实现收集器的三维度能量采集功能。分析了Z型梁在宽度增加后的动力学特性, 探讨了压电片阵列排布的采集性能, 并建立仿真模型和搭建实验平台, 与螺旋形梁结构和经典悬臂梁质量块结构的动力学特性进行了对比。仿真及实验结果表明: 当梁折叠层数为7层时, 频率在50 Hz以内的模态数量达到了9个, 在1~100 Hz间隔1 Hz的谐波激振下, Z型压电梁正向的采集电压-频率曲线峰值多达4个, 且主要集中在0~40 Hz, 最大开路电压达到16 V, 大大拓宽了采集频带; 横向和纵向的最大开路电压峰值均在10 V以上, 横向和纵向的采集电压-频率曲线峰值数量均大于4个, 实现了三维度能量采集, 负载10 kΩ时最大输出功率达到了0.18 mW; 在Z型梁宽度增加到100 mm时, 在200 Hz范围内模态数大于30个, 双贴片串联采集电压曲线峰值多达4个, 最大电压达到了14 V, 验证了Z型梁适用于压电片阵列排布。

为了改善6061-T6铝合金的抗污和耐蚀性, 利用喷丸、电化学氧化与氟硅烷修饰相结合的方法, 在铝合金试件上构造出类荷叶表面所需的微/纳米双重复合结构, 并进行抗污清洁表面的性能分析。通过喷丸处理在铝合金表面形成微米级凹坑结构, 利用电化学氧化工艺制备出纳米级珊瑚状结构, 对铝合金表面进行氟化处理, 制备出具有微/纳米双重结构的抗污自清洁表面。最后, 对铝合金抗污自清洁表面的表面形貌、表观接触角、表面黏着能、自清洁性和耐蚀性等主要性能进行分析。实验结果表明: 喷丸和电化学氧化复合处理后, 铝合金表面的最大接触角为153°, 最小滚动角为5°, 具有较好的抗污自清洁性能; 表面硬度由原来的90HV提高至392HV, 动电位极化曲线显示表面电流密度相比未处理前下降了2~3个数量级, 表面耐磨性及耐腐蚀性能得到明显改善。

基于柔顺机构设计了一种新型压电式微喷点胶系统, 该系统由供胶装置、驱动装置和撞针阀组成。点胶系统的运动特征是利用柔顺机构的弹性变形驱动撞针往复直线运动实现撞针阀的开启和闭合, 完成微喷点胶功能。采用伪刚体方法得到点胶系统的驱动力、输出位移和频率特性, 结果表明, 系统的最大驱动力、输出位移和频率分别为56.4 N, 808 μm, 245 Hz, 说明所设计的点胶系统能满足所需的驱动力、行程和点胶速度。制作样机, 通过实验分析驱动电压信号的占空比、幅值、频率和胶液黏度对胶滴直径的影响, 得到了正常胶滴形成需满足的条件。实验结果表明: 系统的最高点胶频率为210 Hz, 最小胶滴直径为630 μm, 胶滴一致性误差为5.62%, 说明所设计的点胶系统具有较好的性能, 为微喷点胶系统设计和应用提供新的思路。

传统的压电振动发电机具有工作频带窄, 压电陶瓷易碎且含铅等缺陷, 无法满足当前微型传感器件可穿戴、小型化、便携式等要求。本文制备了一种高性能的钛酸钡/石墨烯/聚二甲基硅氧烷(BaTiO3/GO/PDMS)三元无铅压电复合薄膜。GO材料的比表面较大且流动性较强, 在铁电材料中易形成微电容从而提高复合薄膜的压电性能。当BaTiO3/GO/PDMS复合薄膜中GO质量分数为0.6 wt%时, 复合薄膜的介电常数和导电率分别为185和8.5×10-5 S/m。BaTiO3/GO/PDMS复合薄膜的剩余极化强度值为13.47 μC/cm2, 比未添加GO材料时提高了28%。所制备的BaTiO3/GO/PDMS三元复合薄膜发电机的最大输出电压达7.71 V, 是BaTiO3/PDMS二元复合薄膜发电机的2.78倍。将BaTiO3/GO/PDMS复合柔性纳米薄膜应用于非对称叉指式压电拾振结构, 填充GO后非对称叉指式拾振结构的输出电压明显增加, 拾振结构的-3dB带宽由未填充GO时的8.7 Hz增加到填充GO后的11.2 Hz。所提出的BaTiO3/GO/PDMS无铅复合柔性压电纳米发电机在柔性能量采集拾振结构方面具有巨大的应用前景。

为了实现对工件表面的超精密抛光, 建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统。对不同型腔结构的两种喷嘴的光耦合纳米颗粒胶体射流抛光的流体动力学特性、抛光工艺、超光滑表面形貌特性进行了研究。首先, 根据光-液耦合要求设计了锥柱和余弦光液耦合喷嘴。接着, 对所设计的两种光液耦合喷嘴进行了非淹没射流三相流仿真, 对比分析了纳米颗粒的流动径迹及流场分布情况。然后, 用TiO2纳米颗粒胶体作为抛光液, 用两种喷嘴对同一单晶硅工件分别进行了光耦合射流抛光试验。最后, 对抛光前后的表面进行了表征及对比分析。结果表明: 相同条件下余弦喷嘴获得的流动速度(20.73 m/s)和动压力(2.5 MPa)均高于锥柱喷嘴的流动速度(7.12 m/s)和动压力(0.2 MPa), 纳米颗粒在余弦喷嘴内的平均停留时间(0.005 s)比锥柱喷嘴的平均停留时间(0.023 s)更短。相同参数下余弦喷嘴射流抛光后的工件表面粗糙度(Rq=0.810 nm, Ra=0.651 nm)更低。光耦合纳米颗粒胶体射流抛光中利用余弦喷嘴可获得比锥柱喷嘴更低的表面粗糙度。

基于微流控芯片的细胞培养能有效模拟细胞在体生存微环境, 为实现微流控芯片内细胞的长期动态培养及实时观察, 设计并制作了一种微流控芯片细胞动态培养装置。首先,采用分体式设计, 利用SolidWorks分别构建培养箱、控制箱和载泵箱的三维模型, 根据性能要求设计控制系统并配备硬件。接着, 利用Comsol软件中的焦耳热模块对加热器ITO玻璃进行热力学仿真, 通过分析温度场验证可行性。然后, 搭建培养装置, 进行调试, 并检验其稳定性。最后, 进行细胞培养实验。采用分体式设计可有效减小培养箱体积, 实现与显微观测系统的兼容; 培养装置对温湿度的控制稳定性良好; 细胞生长状态良好, 生长曲线呈“S”形, 细胞存活率达到95%以上。该分体式微流控细胞动态培养装置可长期为细胞培养提供所需环境, 并可进行实时观察, 满足设计要求。

国内导电滑环在轨寿命在10万转量级, 为验证某型号星载柱式滑环(汇流环)在轨100万转需求下寿命期内的可靠性, 地面对导电滑环进行200万转寿命试验考核, 并测试了寿命试验末期刷丝和刷丝束两种不同刷丝结构形式摩擦副下功率环及信号环的传输可靠性。在真空高低温环境中, 根据在轨不同工况, 模拟星上特定功率以及500 kb/s的CAN, RS422信号, 测试导电滑环功率环供电稳定性及常用信号经过信号环后传输误码, 为导电滑环正样产品配对摩擦副的结构设计提供依据。刷丝束多触点结构形式的导电滑环电平波动率为0.6%, 信号传输误码率为0; 单刷丝结构形式导电滑环电平波动率超过100%, 信号传输误码率为16.1%; 验证了空间应用环境下, 刷丝束结构形式信号环性能优于传统单刷丝的导电滑环。

本文研究并实验了光纤单波长激光器、光纤双波长激光器、以及光纤三波长激光器, 分别发出单波长、双波长、以及三波长激光, 分别用于对位移、台阶高度、绝对距离等参量的高精度干涉测量。利用光纤光栅只反射布拉格波长的特性, 将光纤光栅作为光纤激光谐振腔的反射镜和波长选择元件, 可以使光纤激光器具有单个或者多个独立的但光程重叠的激光谐振腔, 每个激光谐振腔有掺铒光纤作为增益介质。980 nm激光的泵浦下, 光纤多波长激光器分别发出单波长、双波长、以及三波长激光, 每个波长值可以根据需要确定, 两个波长之间的间隔也可以根据需要确定。光纤多波长激光器发出的多波长之间无模式竞争, 每个波长的功率和频率都稳定。每个波长的稳定度达10-7, 能够满足对位移、台阶高度、绝对距离进行高精度干涉测量的要求。

为了提高电感检测传感器对于非铁磁性金属磨粒的检测精度, 提出了一种可实现电感和电阻参数检测的磨粒检测传感器。所设计的传感器主要由紧密贴合的环状硅钢片和平面电感线圈构成, 硅钢片的加入增强了检测区域的磁场强度, 使得金属颗粒的磁化效应和涡流效应更加剧烈, 从而提高了电感和电阻检测精度。通过对比实验发现, 环状硅钢片在提升检测精度的同时, 并未增加电感及电阻检测信号的噪声; 且电感检测和电阻检测都对铁磁性金属颗粒具有更强的检测能力; 对于铁磁性金属颗粒, 电感检测更为有效; 但对于非铁磁性金属颗粒, 电阻检测更为有效。将电感检测结果和电阻检测结果相结合, 则可使用20匝的平面电感线圈实现对55 μm铁颗粒和115 μm铜颗粒的检测。本文提出的磨粒检测传感器可为液压油污染物的在线监测提供了技术支持。

提出一种在线非接触式测量主轴径向回转误差的方法, 为验证其准确性, 搭建了主轴回转误差测量装置并进行了比对实验。该方法主要由圆光栅、读数头、环形平面镜以及激光自准直仪组成。首先, 将圆光栅及环形平面镜安装在主轴上, 并在双顶尖装置中将光栅安装偏心误差和平面镜与主轴不垂直误差进行标定。然后, 将主轴安装在转台上, 双读数头对径安装, 自准直仪安装在平面镜下方。在主轴回转过程中, 双读数头圆光栅可以测得主轴径向运动误差, 自准直仪可以测得主轴径向运动误差方向上的偏摆角误差。最后, 根据主轴上一点的径向运动误差及其在此方向上的偏摆角误差便可以计算出主轴轴向各个点的径向回转误差。设计了比对实验, 结果表明在主轴径向回转误差为±12 μm时, 本方法与传统单向法比对残差在1 μm以内。本文提出的主轴径向回转误差测量方法可以应用到精密主轴回转类装置中, 实现在线检测主轴径向回转误差的目的。此外, 该方法无需采用标准球, 不受轴表面粗糙度、圆度等的影响。

为了解决用于机器人等复杂三维载体表面或活动关节部位的触觉传感器实现高柔弹性的难题, 提出了基于纳米材料, 并结合马蹄形的形状布置与预拉伸工艺制作新型高柔弹性导电薄膜电极层的方法。将银纳米线以马蹄形的形状布置植入到已经过预拉伸处理的PDMS薄膜表面, 形成具有高伸缩性能的导电复合材料。将其应用于机器人手腕及手指部位, 验证了良好的拉伸-导电特性, 且拉伸试验结果表明: 这种新型高柔弹性导电薄膜电极层随着拉伸率的增加, 电阻值呈现先减小再缓慢增大的趋势, 在第50次拉伸30%后, 电极相对初始值的电阻增量仅为93%。这种新型电极制作工艺简单, 具有良好的柔弹性、导电性及稳定性, 透明度也很高, 可应用于拉伸、弯曲、扭转等多种复杂的应用场合。