针对微型器件封装对非接触式微胶量的需求, 研制了压电驱动微点胶器, 利用压电陶瓷管挤压毛细管产生的瞬时变形实现了微胶滴的分配。分析了毛细管内的流体行为及液滴形成条件; 基于多物理场耦合的方法, 建立了压电微喷的三设备(压电陶瓷、毛细管、胶体)耦合模型。然后, 讨论了驱动电压、喷嘴直径、胶体黏度对控制胶滴形成的影响。在构建的实验平台上, 开展了控制胶滴形成的实验研究。分析了多控制参数(喷嘴直径、胶体黏度、电压幅值、脉冲宽度)的复合作用, 通过匹配相应的参数实现了pL级微胶滴的非接触式分配。实验结果显示: 使用黏度为30 mPa·s胶体, 直径为10 μm的喷嘴, 在驱动电压幅值为50 V, 脉冲宽度为37 μs等参数配置下, 可获得最小胶滴的体积为8.31 pL。实验结果验证了所提出方法和研制工具的有效性。

基于液滴的转移方法可实现微操作任务中微对象的拾取, 锥形操作探针则常作为一种毛细力微操作执行工具。主要研究在空气冷凝模式下锥形探针端面的液滴形成。建立了微液滴形成的数学模型, 主要包括初始液滴的形成、液滴的合并和液滴的移动, 研究了影响操作液滴的关键参数, 分析表明: 过冷度决定最小液滴半径。对单液滴的生长机制进行理论分析, 并通过数值求解的方法模拟了锥形操作探针端面的液滴形成。搭建实验测试平台, 实验研究了微尺度下锥形微操作探针端面的液滴形成。实验结果表明: 在空气冷凝模式下, 操作探针端面能够形成微液滴。经过初始液滴的形成, 液滴的合并和移动等过程最终可形成稳定的微液滴, 且不同锥顶角下液滴的形成呈现多样化。

加热温度是光纤熔融拉锥制造中的关键因素，直接影响器件的性能。为了提高加热区域温度的稳定性和可控性，设计了高压电弧加热装置，并对电弧加热、弧区温度和光纤预热进行了分析。设计了高频高压电源和电极。电源的电流和频率独立可调，采用电压闭环和电流控制确保引弧成功和提高电弧放电电流的稳定性，并分析了其放电过程。建立了弧区温度测量实验平台，采用红外热像仪测量加热中陶瓷棒的温度，得到了弧区温度。通过实验确定了频率、电弧控制电压以及加热距离与弧区温度的关系。通过电弧控制电压和通过加热距离控制电弧加热区的温度。通过计算得到电弧弧区的中心温度可达到1635 ℃，实验测得稳定性为2.37 ℃。建立了细径光纤(直径80 μm)的加热模型，通过有限元的瞬态分析确定了预热时间，经过25 s，光纤加热区达到稳定。

由于保偏光纤对轴时须保证旋转的光纤始终在显微镜的焦平面内，故本文设计了保偏光纤同轴度调节系统用于调节光纤相对电动旋转平台旋转中心的位置。采用显微视觉和电动位移平台运动检测出光纤的中心轴与电动旋转平台旋转中心的距离，基于图像信息对二维手动平台实施调节，计算出调节后理论上的同轴度误差。结合显微视觉建立了实验系统。以电动平台旋转轴中心为原点建立直角坐标系，通过图像处理采用最小二乘法得到光纤中心线的直线方程，确定光纤中心与电动平台旋转中心的距离。将基于图像阈值的灰度差分函数作为清晰度函数，用实验方法确定其阈值，从而有效降低白噪声的影响。实验结果显示，经过调节的光纤和电动旋转平台的同轴度误差为3 μm，能够应用在保偏光纤偏振轴的检测中。

为了改善细径保偏光纤耦合器的性能，需要提高保偏光纤偏振轴的检测精度。建立直径为80 μm的细径熊猫保偏光纤折射率的数学模型，对侧面成像方法进行了仿真。结果表明，平行光透过光纤在侧面聚焦，光纤图像最大光强的变化与旋转角度以及观测距离有关。当观测距离不变时，最大光强随光纤旋转角度呈周期性变化。当观测面在透射光线焦距附近时,根据光纤图像最大光强变化，能够检测光纤慢轴的位置，进而提出基于最大光强变化作为特征量的检测方法。结合显微视觉技术建立了实验系统，该系统采用基于阈值的图像清晰度函数确定检测位置，将采集的数据进行傅里叶滤波和三次样条拟合，可确定保偏光纤偏振轴的位置。实验结果表明，重复检测误差为0.61°，可以满足细径保偏光纤耦合器制造要求。

设计了相应的电磁力施加装置以实现对超细径光纤熔融拉伸力的精确控制。采用有限元法分析不同线圈参数下电磁线圈与永磁铁之间电磁力的大小, 获得电磁力与线圈各参数间的数学关系式。以拉伸系统性能要求及线圈骨架的外形尺寸为限制条件建立约束方程及目标函数进行优化求解, 得到最优参数。在依据优化参数制作电磁线圈的基础上设计了电磁力控制电路, 通过调节线圈电流精确控制电磁力。最后, 进行电磁力施加装置性能实验。实验结果表明: 光纤拉伸力的范围达到26.073 mN; 光纤拉伸力的分辨率达到7.473 μN, 满足超细径光纤熔融拉伸对拉伸力范围及分辨率的要求。

为了在光纤陀螺等关键器件中使用超细径保偏光纤取代常用的普通直径保偏光纤，需要对其偏振轴的确定方法进行改进和优化。首先，使用光线追迹法对图像侧面成像对轴法在几种条件下的理论图像进行计算机仿真，并对仿真结果较好的两种情形进行实验验证；然后，对实验数据曲线进行傅里叶展开以抑制随机干扰，将结果较好的三亮纹方法改进为三亮纹四点特征法，并对该方法进行实验验证；最后，测定使用三亮纹四点特征法得到的重复精度。实验结果表明，该方法大大提高了超细径保偏光纤偏振轴定轴过程中的抗干扰能力，重复精度达到1.6°，达到了普通直径保偏光纤的偏振轴定轴精度，满足实际应用要求。

提出了一种过程中采用的新型三支链六自由度并联微动机器人结构.采用两端分别带有柔性球铰和柔性旋转铰的支杆以简化结构,整体加工包含三个二自由度单元的基平台来有效减小装配误差,并用压电陶瓷驱动弹性平板获得高分辨率高精度.根据运动影响系数理论对其运动学进行分析,求出了其平动台、支杆和柔性铰链的速度表达式.考虑柔性铰链的弹性变形,基于虚功原理建立了其刚度模型.分析了此类并联微动机器人的设计目标和柔性铰链设计原则,采用模块化精密定位控制器设计了控制系统.实验结果表明,所设计的微动机器人可达到纳米级精度,简化了六支链六自由度并联微动机器人的复杂结构,减小了装配误差.