基于超聲輻射力場的微構件非接觸操縱關鍵技術的研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)作為人們在微觀領域認識和改造客觀世界的一種高新技術,面對其研究對象尺度的微型化、制造技術追求高深寬比的三維化以及制造工藝和材料的多樣化等所帶來的挑戰(zhàn),在近三十年的發(fā)展歷程中,對微米至納米級尺度的微構件實現(xiàn)有效操縱一直以來具有強烈的需求。特別是隨著微機電系統(tǒng)領域從原先注重單元零部件的生產向混合復雜系統(tǒng)的集成方向快速發(fā)展,微操縱技術更加體現(xiàn)出其重要性和迫切性。因此,探索新理論、新機理并發(fā)展相應的新技術,已成為目前微機電系統(tǒng)這個新興

2、技術領域內一個最基礎的、關鍵的熱點研究課題。
　　 基于微機電系統(tǒng)所具有的特點,一種微構件無損、非接觸遙操縱技術是當前研究和發(fā)展的主體,而基于超聲輻射力場的超聲操縱技術由于其無損和非接觸的特點,預示著非接觸微操縱的發(fā)展方向。目前該技術的理論基礎研究仍停留于平衡位置振動微小球體的超聲輻射力計算上,應用主要根據(jù)生物組織、細胞的俘獲、懸浮和分揀等功能展開,至于針對微構件操縱和微機電系統(tǒng)集成裝配為背景的理論和應用研究還少有涉足。為此,本

3、學位論文結合國家自然科學基金項目“基于三維可控超聲輻射力場的微構件遙操縱技術的研究(No.50375144)”、國家高技術研究發(fā)展計劃項目“基于超聲輻射力的微納構件三維遙操縱關鍵技術研究(No.2006AA042329)”和浙江省自然科學基金重點項目“基于聲操縱的三維自動微裝配理論與實踐研究(No.Z1110393)”,提出開展基于超聲輻射力場的微構件非接觸操縱關鍵技術的研究,通過對復雜形狀微構件受力和力矩、超聲輻射力產生機理和影響因素

4、的理論分析與實驗研究,采用聲波合成的方式,形成一種力和力矩大小、方向可控的超聲輻射力場合成理論和技術,實現(xiàn)超聲輻射力場的精確控制,發(fā)展一套適合于微機電系統(tǒng)應用的基于超聲輻射力場的微操縱理論新體系,以應用于微構件的操縱和微機電系統(tǒng)的集成裝配中,為微機電系統(tǒng)研究和制造提供一種具有自主知識產權的共性技術手段。具體的研究內容和創(chuàng)新點體現(xiàn)在:
　　 第一章,分析微操縱技術在微機電系統(tǒng)、高新產業(yè)及國民經(jīng)濟發(fā)展中的作用和地位,說明開展微操縱技

5、術研究的重要意義,并在闡述微操縱技術國內外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢的基礎上,對目前最具發(fā)展?jié)摿Φ奈⒉倏v方法——基于超聲輻射力場的微操縱技術的研究現(xiàn)狀進行系統(tǒng)概括,對其存在的問題進行評述,為論文研究指明方向。
　　 第二章,開展散射聲場計算理論研究,突破傳統(tǒng)聲波Rayleigh散射理論關于入射聲場相對于散射體軸對稱的限制,建立適用于任意入射聲場中非規(guī)則Rayleigh散射體散射聲場計算理論。同時,應用T矩陣法將相關研究延伸到共振散射區(qū)

6、,進一步完善散射場計算理論的系統(tǒng)性。解決超聲輻射力和力矩計算中的一個關鍵基礎性問題,為實現(xiàn)任意聲場中非規(guī)則散射體的超聲輻射力和力矩計算奠定必要的理論基礎。
　　 第三章,應用傳聲介質與散射體的整體動量和角動量守恒原理,建立超聲輻射力和輻射力矩計算的通用理論框架,突破傳統(tǒng)理論僅限于計算理想形式入射聲場中無限長圓柱、球體等幾種規(guī)則形狀散射體超聲輻射力以及平面波入射聲場中盤狀散射體超聲輻射力矩的限制,創(chuàng)建任意入射聲場中非規(guī)則形狀Ray

7、leigh散射體與共振區(qū)散射體的超聲輻射力和力矩分析理論,為超聲操縱力源的有效控制提供理論支撐。
　　 第四章,針對傳統(tǒng)聲場合成方法中聲源必須置于合成區(qū)域邊界上或只能逐點控制的不足,提出一種基于模式匹配與逆濾波的空間聲場合成技術,并利用Bessel函數(shù)衰減特性與逆邊界元法,實現(xiàn)局部微小區(qū)域聲場的精確合成。同時,為獲得前向傳播算子以計算合成聲場的聲源陣列輸入向量,考慮到實際應用中非自由聲場空間障礙物的不利影響,提出一種新的聲場分離

8、算法。該部分工作為實現(xiàn)可控、精確和柔性的微構件非接觸操縱提供關鍵的共性技術保障。
　　 第五章,針對微操縱的各種應用,分別設計具有相應操縱能力的合成聲場。采用多束平面波合成聲場俘獲微構件,進而通過相位調整驅動微構件平移;在分析拉蓋爾.高斯波對微構件的超聲輻射力和力矩作用基礎上,提出將其與反向平面行波干涉疊加合成,分析表明合成的聲場具有同時俘獲與旋轉操縱的能力;為解決固體壁面上微構件的拾取與平移操縱問題,提出將兩束對稱布置平面波疊

9、加,其超聲輻射力場能夠將微構件拾取到距壁面確定高度,并可通過相位調整驅動微構件水平運動。
　　 第六章,在完成多通道超聲信號發(fā)生器、超聲換能器環(huán)形陣列、超聲場測量系統(tǒng)、顯微成像與處理系統(tǒng)等模塊設計開發(fā)基礎上,集成開發(fā)了一套超聲輻射力場合成與應用實驗平臺,以滿足空間聲場合成和微操縱應用的需求。在此基礎上,開展基于超聲輻射力場的微構件非接觸操縱實驗研究,實驗結果證實本文超聲操縱技術的可行性和有效性,體現(xiàn)出應用對象范圍廣、精度高以及適