本文基于微流控技术研制了面向航天医学应用的体液预处理芯片及仪器，以便对航天员体液进行医学检测。体液预处理芯片集成了驱动液体和控制流路的微泵微阀，通过控制微泵微阀可实现从进样、不同功能的预处理到输出样品整个过程的自动操作。此外在常规样品预处理功能的基础上，还集成了排气泡功能，使预处理芯片能够在太空微重力环境下对有气泡的体液进行体液预处理。预处理仪集微泵微阀驱动机构和芯片液面位置检测机构于一体，能够实现多种体液预处理模式，且与芯片间无需任何管路及电连接，方便芯片更换。利用有限元仿真软件对预处理仪进行了航天环境下的各项力学分析，包括模态分析、加速度过载分析、正弦扫描分析及随机振动分析，得到了预处理仪机械结构在不同载荷条件下的应力分布，结果显示最大应力值为57.37 MPa，经过校核得知满足航天环境强度要求。最后，基于制作的排气混合预处理芯片进行了预处理实验，结果表明芯片的排气和混合效果良好。

提出了一种细胞培养池顶聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性膜驱动的样品更换方法, 用于减少样品更换所需的流体驱动部件和样品消耗。排出废液时, 关断样品贮存池与细胞培养池间微阀, 培养池中液体被微泵抽出, 池顶弹性膜随之塌陷; 塌陷至所需程度时关闭微泵及下游微阀, 开启所需样品贮存池与培养池间微阀, 新样品将被池顶弹性膜反弹产生的弹性力吸入培养池; 反复几次即可完成培养池内新旧样品更换。结合理论分析、有限元仿真和实验结果, 对影响样品更换效果的主要因素: 培养池顶弹性膜所受净压力、膜厚、样品贮存池到培养池微通道路径形状进行了优化。优化后选定膜厚为0.8 mm、微泵流量为1.67 mL/min、直线型微流道进行的实验显示其80 s左右即可完成90%以上样品更换, 样品消耗和培养池内流体剪切力分别小于相同换液率下原有样品更换方式的1/4和1/10。该方法可减少样品损失和微泵、微阀工作时间, 简化芯片系统结构、减少总质量和总功耗, 换液过程无需人工干预, 有利于系统的小型化和自动化, 尤其适用于我国目前的空间细胞培养芯片系统。

提出了表面无序亚微米结构高雾度和高透光率扩散膜的制备方法。通过模板复制法, 基于硅锥模板和阳极氧化铝模板制备了具有表面无序亚微米结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚苯乙烯(PS)薄膜。结果表明, 表面无序亚微米结构可以显著增加薄膜的雾度。结构的形貌和尺寸对薄膜光扩散性能有重要影响, 其中利用锥径650 nm的硅锥模板得到的具有表面无序亚微米孔结构的PDMS薄膜的雾度达到92%, 透光率为90.9%, 有效散射系数为83.7%;同一模板制备的PS薄膜的雾度达到97.9%, 透光率为85%, 有效散射系数为83.2%;这二种微结构薄膜都可用作高效扩散膜。结果表明: 利用硅锥模板制备这种高效扩散膜, 工艺简单、成本低, 对聚合物材料没有选择性, 有望实现高性能扩散膜的大规模生产。

为了提高以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)为材料的微流体通道的浸润性，通过溅射SiO2对PMMA和PDMS进行了表面亲水改性处理。首先，对PMMA和PDMS进行氧等离子刻蚀，改变其表面形貌；然后，溅射SiO2进行表面亲水改性处理，由不同溅射时间得到不同厚度的SiO2薄膜。在亲水处理后一段时间之内对PMMA和PDMS表面分别进行接触角测量，评价不同条件下的改性效果，并对改性后的样片进行黏接性测试。结果表明：氧等离子刻蚀后，溅射时间10 min以上的PMMA表面可在10天内保持极亲水的状态；溅射时间15 min后的PMMA在35天之内接触角不超过10°；PDMS的亲水性可保持10天，接触角不超过60°；高温老化处理能延缓PDMS表面疏水性的恢复。实验结果显示：氧等离子刻蚀之后，溅射SiO2的方法可使PMMA和PDMS获得较长时间的表面亲水改性效果。另外，亲水改性处理后的PDMS之间仍可实现有效黏接，改性PMMA与未改性PDMS也能有效黏接。

优化了通道型电磁常闭微阀的结构参数, 以提高其工作性能。基于近似结构模型对结构参数进行理论分析;以泄漏率为指标, 利用有限元方法仿真分析了微通道的宽度、高度, 底膜厚度, 顶膜厚度及电磁驱动机构压力等主要结构参数对泄漏率的影响。提取了经验公式, 基于正交实验法研究了结构参数对泄漏率和开启率的影响。最后, 结合理论分析、仿真和正交实验结果对微阀结构参数进行了优化。实验结果表明, 通道高度和宽度对泄漏率影响最大, 通道高度对开启率影响最大。获得最优开闭性能的结构参数组合为: 通道宽度1 mm, 高度0.1 mm, 底膜厚度0.2 mm, 顶膜厚度0.2 mm, 电磁机构压力3×104 Pa。基于该结构参数组合的微阀在10 kPa内可以实现零泄漏及近似完全开启。该阀具有易与微流控芯片集成、低电压驱动、制作简单、无死体积等优点。

考虑完全开放的微管道中液体输运不稳定, 不利于生物气溶胶采样和监测的自动化集成, 本文提出了用覆盖有疏水网的开放微管道来实现液体的可靠输运。通过理论分析得到了该微管道液体输运特性的估计公式, 并用水作为试验介质对其输运特性进行了实验分析。分析实验显示, 开放微管道中液体输运的稳定性依赖于栅网特性、液体性质和流动速度、管道尺寸和表面特性。栅网表面疏水性越好, 孔径越小, 微管道中液体的最大许可压强就越大, 液体输运就会越稳定。对于孔径50 μm、表面涂覆有Teflon的栅网, 最大许可压强可达2 000 Pa。管道中的最大许可流速取决于管道尺寸和最大许可压强; 对于较浅、较长的管道, 最大许可流速较小。当液体流过干的疏水管道时, 液体的表面张力会阻碍流动, 管道截面尺寸越小, 表面张力的阻碍效果越明显。

介绍了一种基于双波长激光的集成光栅干涉位移检测方法，利用该方法对硅-玻璃键合工艺制作的集成光栅位移敏感芯片进行了测试实验。实验系统主要由敏感芯片、波长为640 nm和660 nm的双波长半导体激光器、双光电二极管及检测电路组成，敏感芯片则由带反射面的可动部件和透明基底上的金属光栅组成。入射激光照射到光栅上产生衍射光斑，衍射光的光强随可动部件与光栅之间的距离变化，通过分别测量两个波长的衍射光强信号并交替切换选取灵敏度较高的输出信号，实现了一定范围内的扩量程位移测量，并得到绝对位置。实验结果表明，利用双波长集成光栅干涉位移检测方法测得敏感芯片可动部件与基底光栅的初始间隙为7.522 μm，并实现了间隙从7.522 μm到6.904 μm区间的高灵敏度位移测量，其噪声等效位移为0.2 nm。

介绍了一种基于集成双光栅干涉和CCD图像测量的微梁位移测量方法，并利用相位差约为π/2的一组光栅实现了扩量程位移检测。利用表面牺牲层工艺制作敏感芯片，在玻璃基底上刻蚀深度约为入射激光波长1/8的凹槽，凹槽上下的两组光栅与正上方对应的梁分别构成两组相位敏感集成光栅单元。利用1级衍射光将集成光栅单元成像在CCD靶面上，梁的位移变化通过CCD图像上对应光斑的灰度值变化来反映。实验结果表明，虽然玻璃凹槽腐蚀深度的误差导致光栅之间的相位差偏离π/2，但所制作的集成双光栅结构实现了多周期的扩量程位移检测，通过接近π/2相位差的两个光栅得到的光强信号的错峰使用，避免了干涉法正弦位移检测信号的峰谷不灵敏位置，实验测得微梁的位移变化为650 nm。

本文提出一种利用磁光阱冷却捕获技术制备低速、连续、单色性好原子束的方法及技术。采用3维磁光阱从背景Rb蒸汽中捕获Rb87原子进行冷却、捕获形成原子云团，利用在纵向方向上结构设计的小孔将冷原子云团推出形成冷原子束，并在原子束行进方向上采用2维光学黏胶对原子束进行准直，采用态制备激光对其进行态制备，全部制备到Rb87原子的基态能级｜F=1上，从而为原子惯性技术(原子干涉仪、原子重力仪、原子加速度计)、原子频标(原子钟)提供低速、连续、单色性好的原子束。文章对于制备技术的实验系统及实验结果进行了详细的阐述。

通过理论研究和有限元仿真分析了热效应对两种不同质量块布局的双端固支梁的等效弹簧系数的影响,两种质量块分别布局为质量块与梁对称布置和质量块位于梁平面一侧布置.推导了双端固支梁等效弹簧系数随温度的变化公式,仿真分析了双端固支梁-质量块系统的一阶固有频率以及质量块在静载荷作用下的位移。通过固有频率及载荷-位移两种方式,分别得到了两种布局下的质量系统在不同温度下的等效弹簧系数。对于质量块对称布置和单侧布置,根据一阶固有频率得到的等效弹簧系数随温度的变化与理论分析都吻合;而利用载荷-位移得到的等效弹簧系数随温度的变化,需要对位移进行修正。计算结果表明,对于质量块位于梁一侧的系统,温度变化对其等效弹簧系数有重要影响,质量块的不对称会在温度变化时产生对梁的弯矩作用,从而使质量块产生位移,造成微机电传感器和执行器输出信号的改变。