微透镜阵列热压印应力与脱模温度研究

为了批量制造微透镜阵列,研究了热压印制造无缝隙六边形微透镜阵列工艺中的压印力和脱模温度。采用有限元方法,计算了无缝隙六边形微透镜阵列聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)压印过程中的应力变化,分析了模具与PMMA之间的黏附力影响因素。研究结果表明:随着脱模温度的降低,PMMA法向应力逐渐降低,并存在最低应力;PMMA与模具间黏附力随PMMA内的法向应力降低而减弱;当脱模温度降低到20℃时,微透镜阵列高度保真度达到了94.7%,大规模消除了压印缺陷。     

一种微透镜阵列制作方法

提出一种采用热压印技术制作微透镜阵列的方法.将聚合物加热到其玻璃转化温度以上,利用预先制备好的模板在适当的压力下压向聚合物样品,保持压力直到聚合物温度降到玻璃转化温度以下,将模板移去后,模板上图形便转移到样品表面.根据热压印工艺要求,研制了一台热压印设备,并利用这台设备制作了单元口径大小为40μm,单元之间间距为60μm的256×256单元8位相台阶衍射微透镜阵列.制作的微透镜阵列SEM图表明图形台阶清晰、各单元一致性好.光学性能测试表明制作的微透镜阵列聚焦的三维光强分布集中,具有较高的峰值.从制作工艺可以看出,利用热压印的方法制作微透镜阵列工艺简单,对制作设备要求不高,为实现低成本、高分辨率、大批量制造微透镜阵列等器件创造了条件.     

三维微流道支架直接压印成形方法

针对软质生物材料支架内部三维微结构成形难题,提出了结合分层制造、微压印与冷冻干燥技术的三维微流道支架直接压印成形方法.通过开发自动化成形设备,实现了材料溶液填充、微结构压印、结构预冻、层间黏结等工艺过程的可控化,从而解决了传统手工操作所造成的结构重复性差、成形效率低等问题.研究了模具表面等离子处理、亲水物质添加、改变溶液填充方式等工艺对自动化成形过程中微结构复型性能的影响.结果表明,向材料溶液中添加微量亲水物质并辅助溶液填充引导,可实现软质水溶性天然生物材料内部复杂微流道结构的精确三维压印成形.通过工艺装备保证了成形过程的自动化和稳定性,从而实现了支架微结构制造的可重复性与可控性.     

微压印中抗蚀剂填充行为研究

为了提高微压印的质量,改进工艺参数优化模具结构,对微压印抗蚀剂的填充行为进行了数值计算和可视化实验研究。实验在三维离焦数字粒子图像测速系统中进行,由此提取了抗蚀剂中的荧光示踪粒子的坐标,通过时间解析算法获得了示踪粒子的三维粒子场,利用粒子跟踪测试技术获得了示踪粒子的速度场。数值模拟中采用了计算流体动力学软件,同时考虑了表面张力和接触角等因素,并根据模具特征划分了不同的压印区域,以分析、预测压印模型中的抗蚀剂填充行为。研究结果显示:数值模拟与实验结果吻合较好,抗蚀剂速度最大值在模具尖角与支撑基板之间,抗蚀剂速度水平方向上的实验最大误差为6.6%,竖直方向上的最大误差为9.6%;模具侧壁下方粒子运动轨迹的演化方向决定着抗蚀剂的体积转移方向和最终的填充形貌。该结果可为深入研究微压印中抗蚀剂流动提供参考。     

基于微压印成形的三维微电子机械系统制造新工艺

针对目前微电子机械系统(MEMS)制造中存在的三维加工能力不足的问题,将压印光刻技术和分层制造原理相结合,研究了三维MEMS制造的新工艺.采用视频图像原理构建了多层压印的对正系统,对正精度达到2μm.通过降低黏度和固化收缩率,兼顾弹性和固化速度,开发了适用于微压印工艺的高分辨率抗蚀剂材料,并进行了匀胶、压印和脱模工艺的优化实验.通过原子力显微镜对压印结果进行了分析,分析结果表明,图形从模具到抗蚀剂的转移误差小于8%,具有制作复杂微结构的能力,同时也为MEMS的制作提供了一种高效低成本的新方法.     

纳米压印光刻技术的研究与发展

介绍纳米压印光刻技术的研究现状和发展状况,分析常用的热压印(Hot Embossing Lithography,HEL)、紫外固化压印(Ultra Violet Nanoimprint Lithography,UV-NIL)及微接触压印(Micro Contact Printing,μ-CP)三种光刻的工艺过程。探讨纳米压印光刻方法的优缺点及影响压印图形质量的主要因素,旨在加深对纳米压印光刻工艺过程(模具制作、压印过程及图形转移)深层次的理解和认识,从而解决纳米压印光刻过程中存在的一些关键问题,为新型纳米压印技术的研究和发展提供必要的科学依据。     

步进闪光压印光刻模具制作工艺研究

由于硅橡胶具有良好的自适应性和优异的脱模性，所以选取硅橡胶作为模具材料，并确定使用硅橡胶加石英硬衬作为压印光刻工艺的模具．分析了硅橡胶模具制作工艺中真空辅助浇铸的成型过程，以及交联固化反应过程的各个工艺参数对硅橡胶模具性能的影响，通过大量实验，具体分析了硅橡胶单体和固化荆配比、浇铸真空压力、固化温度及固化时间等工艺参数，并由此得到了优化的硅橡胶固化工艺参数，提高了硅橡胶模具的物理性能．实验表明，硅橡胶模具具有良好的自清洁功能，其表面图形完好，图形转移效果优异，完全能够满足300nm特征尺寸图形复型转移压印的要求。     

压印工作台的纳米级自找准定位研究

针对分步压印光刻工艺超高精度的对准要求,论述了一套由光栅、驱动器及激光干涉仪构成的闭环超高精度自对准定位系统．为了消除外界干扰引起的激光干涉仪误差对整个系统精度的影响,系统采用粗精两组光栅和相应两组光强传感器来实现工作台三维位置度的检测．驱动环节采用宏微两级,相对于粗精两组光栅检测进行驱动,实现了分步式压印光刻的多点定位找准和多层压印的对准要求．为了提高在驱动过程中的定位精度和抗干扰能力,系统采用了精确模型匹配(EMM)算法,最终实现了在压印光刻工艺中,步进精度小于10nm、多层压印重复对准精度小于20nm的超高定位精度要求,使系统的整体定位找准精度控制在8nm以内。     

微透镜阵列光扩散片特性研究及制备

分析了球面微透镜阵列扩散片的扩散和增益特性,利用光线追迹法对其进行了模拟仿真,分析了不同球面半径和球冠高度对扩散增益特性的影响.结果表明,微透镜孔径越小,其扩散性能也好;微透镜的深宽比越高,其增益性能越好.提出了微透镜阵列扩散片的制作,利用自行设计的微区纳米压印机可制作不同深宽比和不同占空比的微透镜阵列模板,通过紫外胶曝光压印技术进行复制,便可形成微透镜阵列扩散片.     

纳米压印过程中的聚合物流变机理

针对紫外纳米压印工艺,采用有限元软件对光刻胶的流变填充过程进行了模拟.根据紫外压印中光刻胶黏度系数小的特点,建立了基于黏性流体的模型,采用流固耦合的ALE（Arbitrary Lagrange Euler）方法,系统分析了模板的周期性、占空比、深宽比及非周期结构对光刻胶填充效果的影响.结果表明,相对于非周期模板,周期结构的模板所能引起的图形转移缺陷小;占空比及深宽比对小周期模板比大周期模板的影响大.进行了纳米压印实验,实验结果与仿真结果吻合,说明了仿真的可信,可以作为模板结构设计及表面处理工艺的依据.     

微型触觉传感器敏感单元的分析和测试

对 Ｅ 型方膜结构传感器敏感单元进行了静态特性（ 变形、应力等） 和动态特性（ 固有频率、振型等） 的理论分析和有限元（ Ｆ Ｅ Ｍ） 计算．并采用自反馈光纤式麦克尔逊干涉仪测试了其动态特性参数．这一研究为微型触觉传感器敏感单元的优化设计和应用提供依据和支持     

一种微型变焦系统的设计

为适应某些特殊领域对微型化和简单化的需要,运用光学设计软件CODEV,在传统机械补偿式变焦镜头的基础上,结合非球面透镜理论,设计了一个可见光波段的只有一个移动镜的4片式微型变焦系统。此系统具有结构简单、精度高、成本低、体积小等特点,可满足在变焦范围内连续清晰成像的要求。     

视角增大的集成成像3D显示系统

本文设计了一个视角增大的集成成像3D显示系统.该显示系统由显示屏、一列凸微透镜阵列、一列凹微透镜阵列及两列正交偏振片阵列组成.显示屏用来显示微图像阵列,偏振片阵列用来消除相邻图像元之间的串扰,两列微透镜阵列用来再现3D像.本文所设计的集成成像3D显示系统中图像元经过凸透镜所成像的节距影响视角大小,由于像的节距大于图像元的节距,所设计显示系统的视角大于传统集成成像的视角.本文给出了视角理论分析的仿真实验验证,实验结果与理论分析一致     

页岩形变及破坏特征研究进展及展望

随着常规油气资源的减少,页岩油气等非常规资源的加速开发,如何获得准确的页岩力学参数为钻井与压裂提供指导是中外学者研究的方向。从页岩岩石力学的室内实验(如单轴、三轴、声波实验等)、理论研究、数值方法(如有限元、离散元等)三方面对页岩的应力-应变特性、岩石破裂模式、本构模型与强度理念等研究进展进行综述,得出如下结论:页岩的形变特征主要脆性为主,且峰值应力表现出明显层理相关性;页岩的破坏特征与层理方向、围压、裂缝特性、埋深、浸泡液体等具有密切联系;页岩内部具有大量微孔隙、微裂缝,其本构模型主要基于损伤理论建立;强度准则主要基于单一弱面准则与横观各向同性建立。展望了如3D打印技术与页岩模型相结合,打印出给定参数的类岩石样品;考虑多耦合因素控制及多弱面结构下的本构模型和岩石破裂准则等岩石力学研究前景。     

基于ANSYS Workbench的航空导管橡胶成形系统开发及成形性能分析

为提高有限元建模仿真效率、降低工程技术人员的操作难度,研究了T型三通管橡胶复合胀形仿真过程中涉及的关键问题。基于ANSYS Workbench仿真平台开发了航空导管橡胶成形系统,创建了建模仿真流程、参数化建模工具与仿真分析工具。利用开发的工具进行了T型三通管橡胶复合胀形研究,分别对最优工艺参数成形及起皱、破裂等成形缺陷进行模拟,以成形高度及壁厚最大增厚率与最大减薄率为成形性能评价指标,将仿真结果与现有试验结果进行对比。结果表明,使用开发工具进行有限元仿真的结果与试验结果吻合良好,验证了开发的航空导管橡胶成形系统的有效性,为成形试验及性能分析提供有效的参考与指导,具有一定的工程实际应用价值。     

激光加工机的工艺参数对超小孔的影响

要在激光加工机上打出给定孔径的超小孔(孔径0．4～0．1mm),并且符合一定的技术指标(如打孔精度、表面特性和稳定性等),可以通过限定激光加工机的工艺参数(如聚焦参数和激光辐射参数等)来实现。笔者主要讨论激光加工机的工艺参数对超小孔的影响及其最佳工艺参数。     

微齿轮齿面磨损行为及仿真分析

微型齿轮作为微机电系统(MEMS)的关键零部件,齿面磨损是影响其服役性能及失效形式的主要因素之一。为了研究微齿轮齿面磨损机理,基于Archard磨损理论,利用ABAQUS二次开发UMESHMOTION子程序,结合ALE自适应网格技术,建立了微齿轮齿面磨损有限元分析模型,得到了不同啮合周期下的齿面磨损分布规律,并进行了试验验证。基于构建的有限元模型,考虑主、从齿面磨损的相互作用,分析了不同材料性能(弹性模量)及材料配对方式对齿面磨损分布及大小的影响。研究结果表明,微齿轮齿面磨损最严重的地方发生在靠近齿根的基圆附近,齿顶附近磨损较轻;与材料性能相比,不同材料配对对微齿轮磨损大小影响更显著。     

T8钢淬火过程三维温度场计算及实验

根据传热学基本原理,采用有限元方法,对工件淬火时的三维温度场变化进行研究并编程计算,考虑了相变与温度场的耦合关系,热物理参数的非线性特点等问题,并尝试计算了工件在实际冷却过程中从一种介质转移到另一种介质时所涉及的界面换热条件突变,初步预测了预冷却对工件内部温度梯度分布的影响。计算结果与实测值较为吻合。     

准分子激光对304不锈钢表面的改性研究

将深紫外波段的248 nm的KrF准分子激光作用于304不锈钢,通过调制激光能量、脉冲频率、轰击时间等实验参数,研究了不同参数下的样品表面硬度及表面显微形貌,探讨了激光处理后的材料表面硬度和激光参数以及表面显微形貌之间的关系,分析了激光表面处理对304不锈钢硬度调制的优化参数.     

苏北粉土非线性特性离散元模拟与参数分析

离散元法对颗粒系统进行动态分析,在离散颗粒单元接触分析与宏观响应间建立联系,使其成为试验手段分析细观特性的有益补充.采用三维颗粒离散元程序YADE进行了颗粒细观参数的参数分析,分析细观参数对三轴试验宏观响应的影响.研究表明：弹性模量和泊松比不仅与接触法向刚度和刚度比有关,同时随粒间摩擦角变化;而固结和剪切两个阶段粒间摩擦角控制了试样的剪胀水平和孔隙率向临界孔隙率的发展趋势.根据参数分析结果,提出了改进的三轴试验细观参数的标定步骤,并对室内试验进行模拟.模拟结果与室内试验结果较为吻合,表明该数值方法应用于三轴非线性变形特性研究具有可行性.