基于疏水表面冷凝和振动粘着控制的微对象操作方法研究

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1、博士学位论文基于疏水表面冷凝和振动粘着控制的微对象操作方法研究RESEARCHONMICROMANIPULATIONMETHODSBASEDONHYDROPHOBICCONDENSATIONANDVIBRATIONADHESIONCONTROL范增华哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：681密级：公开工学博士学位论文基于疏水表面冷凝和振动粘着控制的微对象操作方法研究博士研究生：范增华导师：荣伟彬教授申请学位：工学博士学科：机械电子工程所在单位：机

2、电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.3U.D.C:681DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONMICROMANIPULATIONMETHODSBASEDONHYDROPHOBICCONDENSATIONANDVIBRATIONADHESIONCONTROLCandidate：FanZenghuaSupervisor：Prof.RongWeibinAcademicD

3、egreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要微型化、集成化的产品需求促使操作对象从宏观延伸至微观，微操作技术的重要性日益凸显，在微系统制造、生物显微操作、光学调整

4、等领域具有广阔的应用前景。面对微操作进程中的日益微型化、精细化和复杂化，微操作对象的特征尺寸更加微小，对微操作工具和操作方法提出了更高的挑战和要求。微尺度对象质量轻、质地脆的特点，对机械式夹持方式具有严格的出力要求，否则易造成表面局部应力集中，造成微对象变形，甚至损坏。基于液滴毛细力的操作方法具有柔顺性和自校准功能，但实时获取操作液滴是实现微操作系统自动化的先决条件。同时，尺寸效应引起的粘着力主导作用常干扰微操作进程，特别是在微对象操作的终端释放环节，阻碍微对象的顺利脱落。针对上述问题，本文研究疏水表面

5、冷凝液滴的生成机理，提出基于疏水表面冷凝和振动粘着控制的微对象转移方法分别作用于微对象拾取和释放进程，研制冷凝微执行器和柔顺微操作系统用于实验研究。分别对冷凝液滴生长模型、柔顺可控拾取方法、振动控制和辅助液滴释放策略以及操作实验等方面开展了深入研究。在微尺度粘着特性分析和疏水表面冷凝机理方面，通过典型配置分析粘着力的产生和计算方法。提出基于冷凝控制的毛细力操作液滴获取方法，分析亲疏水表面液滴冷凝特性。研究疏水端面冷凝液滴生长机理，建立冷凝液滴生长模型，包括单液滴的直接生长、液滴合并和液滴移动模型，分析过

6、冷度和饱和温度对冷凝能力的影响。研究探针曲率半径、温度梯度和探针边缘效应对冷凝液滴移动特性的作用，获得稳定液滴形成所需的条件，解决毛细力操作液滴稳定获取的问题，并实验分析冷凝液滴的移动特性对稳定单液滴获取的影响。在微对象柔顺拾取方面，提出基于疏水表面冷凝的可控毛细力拾取方法，分析毛细力拾取控制的可行性。确立单针式毛细力微操作工具的实施方式和基于疏水表面冷凝控制的微对象拾取进程。建立疏水表面冷凝进程的液桥模型，研究冷凝各阶段液桥的变化，分析冷凝粘着滞后对毛细力的影响。建立平面-球面、凹面-球面、锥面-球面

7、三种配置方式下的静态液桥模型，通过精确迭代求解，研究接触角、液桥体积、液桥高度和操作工具形状因子等参数对毛细力拾取能力的影响，用以指导冷凝控制的毛细力拾取进程。通过对冷凝液桥的控制，实验分析微对象拾取的可控性。在振动控制和液滴辅助的微对象释放策略方面，研究粗糙度表面的粘着作用，提出表面改性和振动粘着控制相结合的主动释放策略，建立基于惯性释放-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文的动态模型。研究具有自校准功能的液滴辅助释放策略，分析辅助释放的双液桥模型和自校准模型，利用自校准能力解决释放后的偏移问题。研究基

8、于冷凝控制的辅助液滴动态分配方法，建立动态仿真模型，研究分离速度、接触角、基底曲率半径等因素对基底辅助液滴获取率和断裂距离的影响。并实验研究各参数对辅助液滴获取能力的影响，调控不同的参数配置可实现辅助液滴的动态分配控制。在基于疏水表面冷凝和振动粘着控制的微对象操作实验方面，首先研制了冷凝微执行器，对影响冷凝液滴形成能力的结构和控制参数进行实验分析。实验测量毛细拾取力，以微球和微平板元件作为测试对象，完成柔顺拾取实验。研制具有振动释放功能的真