基于压电效应的压电微注射装置研究

摘要

随着生物技术及细胞注射技术的发展，细胞微流量注射器在许多领域得到了广泛应用，因此需要的实验设备和实验手段也越来越高。如注射设备是否容易操作，操作对象是否受设备影响及影响大小，以及注射设备的控制精度等问题。研究一种能够简单操作，高精度控制的微注射装置迫在眉睫。
　　本文通过理论和实验对压电材料的一次逆、二次正压电效应进行了分析和研究，并利用其原理设计出一种基于多次压电效应理论的微注射装置，该装置不仅能进行细胞的微注射，同时也能对实际的注射量进行自感知，使控制精度得到了很大的提高。本文研究如下:
　　首先，基于压电学经典理论、电介质理论和各项异性弹性力学理论等，对压电材料的多次压电效应，产生各次压电效应的边界条件，及各次压电效应下的压电方程的进行分析研究。
　　其次，依据压电材料一次逆、二次正压电效应的理论分析，对叠堆式的压电陶瓷的各次压电效应进行实验研究，搭建叠堆式压电陶瓷的一次逆、二次正压电效应的实验平台。当对平台施加驱动电压时，测量其在一次逆压电效应下产生的微位移，微位移作用在叠堆式的压电陶瓷上，又会因二次正压电效应产生电位移，通过平台再对二次正压电效应产生的电位移进行分离，从而实现同一压电材料上传感与执行器的结合。实验结果表明:实验输出值与理论分析值基本一致，且各压电效应产生的微位移和电位移与施加外电压成良好的线性关系，为基于多次压电效应理论设计压电微注射系统奠定了基础。
　　最后，根据叠堆式的压电陶瓷中一次逆、二次正压电效应的理论与实验研究，设计基于多次压电效应理论的压电微注射装置。通过实验得出微注射系统的定位机构（10×10型叠堆式的压电陶瓷运动机构）实际位移量为感知位移量的2.5倍，微注射系统的注射机构（5×5型叠堆式的压电陶瓷运动机构）实际位移量为感知位移量的2倍，即实际注射量为感知量的2倍，且微注射系统输出的微位移与所施加的电压具有很好的线性关系。利用一次逆正压电效应施加驱动电压能很好的控制位移量和注射量，又通过二次正压电效应产生的电位移感知实际的位移量和注射量，实现微注射的精确定量控制。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究目的与意义

1．2国内外研究综述

1．2．1多次压电效应现状

1．2．2微注射器国内外研究现状

1．2．3压电自感知执行器研究现状

1．3本文主要研究内容

第2章压电效应理论与边界条件

2．1压电效应理论基础

2．1．1压电效应

2．1．2边界条件与压电方程

2．2多次压电效应与边界条件

2．2．1一次逆压电效应与边界条件

2．2．2二次正压电效应与边界条件

2．2．3多次压电效应与边界条件

2．3压电材料的种类与应用

2．3．1压电材料的种类

2．3．2压电材料的应用

2．4本章小结

第3章压电效应微注射装置实验研究

3．1压电微注射装置材料的选择

3．1．1压电陶瓷的优势

3．1．2压电陶瓷的结构

3．1．3压电陶瓷的极化

3．2微注射装置的实验设备

3．3压电微注射装置的实验研究

3．3．1注射装置的一次逆压电效应实验

3．3．2实验与理论数据对比分析

3．4压电微注射器测量电路的设计与实验

3．4．1压电微注射器测量电路的设计

3．4．2测量电路的二次正压电效应实验

3．4．3实验与理论数据对比分析

3．5本章小结

第4章压电微注射装置的设计

4．1常见的微流量注射装置

4．2微机电系统中常见误差因素的分析

4．3微针临界注射条件的研究

4．4压电微流量注射装置驱动系统的设计

4．4．1微流量注射驱动方式选择

4．4．2压电微流量注射驱动系统的研究

4．5压电微流量注射装置预紧方式的研究

4．6压电微流量注射装置的结构设计

4．6．1压电微流量注射装置设计流程

4．6．2压电微流量注射装置结构组成

4．6．3压电微流量注射装置结构设计

4．7本章小结

第5章压电微注射装置的实验及应用研究

5．1压电微注射装置的实验分析

5．2压电微注射装置细胞注射实验研究

5．2．1压电微注射装置细胞注射实验的设计

5．2．2压电微注射装置细胞注射定位实验与分析

5．2．3压电微注射装置细胞注射流量测量实验与分析

5．3压电微注射装置预紧力的实验研究

5．3．1压电微注射装置预紧力的实验设计

5．3．2压电微注射装置预紧力的实验与分析

5．4压电微注射装置的自感知微注射实验研究

5．5压电微注射装置的实际应用研究

5．5．1注射机械手微注射与压电微注射装置对比实验研究

5．5．2小鼠卵细胞不同位置的微注射实验

5．5．3压电微注射装置注射实验细胞破膜率分析

5．6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历