微構件的二維平移遙操縱方法

2023-06-08 18:26:06

專利名稱：微構件的二維平移遙操縱方法
技術領域：
本發明屬於微系統領域，更具體地，涉及對微米至納米尺度下微構件的遙操縱技術。
背景技術：
微系統技術(Micro-System Technology)作為在微觀領域認識和改造客觀世界的一種技術，特別是隨著從單元器件生產向集成的混合系統發展，微構件的操縱和裝配技術更體現出其重要性和迫切性。因此，探索新的理論和機理來發展這種技術是微系統技術領域內一個基礎性的關鍵研究課題。
目前，微構件操縱技術的機理主要包括第一類是將宏觀裝配中的操縱技術延伸到微觀領域應用，如微型鑷子，微吸管等。此類技術與宏觀領域的鑷子和吸管具有相同的原理，僅是尺寸微型化、動作更加精確；由於宏觀領域的成功經驗和人類慣於類推的思維模式，這方面的研究開展較早，並已取得一些實用化成果。
第二類是採用力的尺寸效應發展新型的微構件操縱技術。如採用液體粘附力、靜電力等作操縱力。由於尺寸效應，微觀領域表面力相對體力成為主導作用力，目前這些操縱力的可控性還處於研究階段。
這兩類都是接觸型操縱技術，由於微操縱過程的空間尺寸限制，以及微構件和操縱機構之間存在微觀粘附現象，再加上這些力的可控性還遠未得到解決，造成僅對微構件在抓取後如何釋放就已成為十分棘手的技術難題。
第三類是應用輻射力場實施微構件的非接觸遙操縱。如採用雷射光鑷實現微生物、染色體、細胞的移動、旋轉及空間定位等非接觸操縱。這種技術採用非接觸遙操縱方式，不存在空間尺寸的約束，也沒有接觸引起的表面力的影響。因此，考慮到微系統技術的特點，一種微構件無損、非接觸遙操縱技術，應該是當前研究和發展的主要方向。
1986年，Bell實驗室的一位學者Ashikin把單束高斯雷射引入高數值孔徑物鏡形成三維光學勢阱，並證明了這種光阱可以無損傷的操縱活體物質。當光束的入射角足夠大時，在垂直於光的傳播方向和沿著光的傳播方向上都能形成強的梯度場，粒子受到的垂直於光束傳播方向的橫向梯度力能使粒子向光軸方向聚攏，沿著光束傳播方向的縱向梯度力的作用使粒子趨向光束焦點運動，把粒子拉到中心焦點。這就是單光束梯度力光阱。雷射操縱技術已廣泛應用在細胞、亞細胞層次以及生物大分子層次的生物學研究領域，還可以實現膠體微粒、液滴的非接觸操縱。
但這種方式也有其固有的缺陷，如它不適用於金屬或光折射係數較小的微構件的操縱；在非透光操縱環境下則雷射操縱完全失去其能力；由於光勢阱(optical potential wel1)寬度限制，雷射操縱不適於需要連續操縱場合等。
類似於光輻射壓，超聲波也以聲輻射力(acoustic radiationforce)的形式表現出其力學特性，在生物組織、細胞的分揀、俘獲和聲懸浮方面已證實了有較好的非接觸操縱潛力，並且超聲波具備雷射所沒有的穿透能力及其豐富的內容，作為發射超聲波的壓電陶瓷還易於微型化 因此，利用超聲波作為能量傳遞、傳輸手段，發展一種聲操縱技術，應用於微構件的無損、非接觸遙操縱，必將有其自身的技術優勢，並有同雷射俘獲操縱技術形成互補之效果。
現有的專利申請情況，有申請號200410044194.1和200510028687.0的兩項發明專利申請，都涉及超聲操縱技術。目前的理論研究和實際應用未能突破微小球體的限制，都是假設物體在圍繞平衡位置振動前提下，給出以多重積分為形式、針對浮動球形邊界的廣義聲輻射力理論表達式，從而在應用上主要根據俘獲、懸浮和分揀等功能來展開，至於針對微構件操縱和微機電系統集成裝配為背景的理論和應用研究還少有涉足，究其原因關鍵在於任意形狀微構件的聲波背散射特性十分複雜，難以達到對作用其上的輻射力大小和方向進行有效地控制。而同微機電系統集成化相關的微裝配和微操縱技術，針對的微構件對象形狀多樣，牽涉分揀、抓取、傳輸、位姿調整、定位和組裝等多種功能。可見，微構件不僅可能圍繞平衡位置振動，而且也可能突破平衡位置以不同的速度和方式進行自由運動，對於後者，現有的理論和應用方法就難以適用。因此，有必要為在微機電系統領域內成功地實施，超聲操縱技術必須根據微構件的材料、形狀、尺寸、運動狀況以及操縱環境等特點，從同聲波之間的作用機理入手開展研究，率先在聲波輻射力和力矩可控性方面尋求突破。以此為基礎，不僅能完成微構件操縱的應用，而且還有望在微量力、微剛度等微力學量的無損、非接觸檢測和超聲非接觸驅動等方面具有廣闊的應用空間。

發明內容
本發明的目的正是要提供一種適用範圍更廣的，基於超聲波輻射力的微構件的二維平移操縱方法。
發明人通過大量的實驗發現，3個相同頻率的超聲換能器產生的超聲波束在相交區域幹涉生成一個二維駐波聲場。根據超聲輻射力計算理論，微構件受到聲輻射力作用被俘獲在聲壓節點處。通過改變各換能器激勵電信號的相位使得聲壓節點的空間分布產生相應的移動，從而導致微構件的平移運動；因此通過控制換能器間同步相位調整的相互關係，即可實現微構件的二維平移。
3束超聲波在空間某點r處的聲壓分別為p1＝cos(ωt-k1·r+1)，p2＝cos(ωt-k2·r+2)， p3＝cos(ωt-k3·r+3)，式中k1、 k2、k3分別為3束超聲波的波矢，φ1、φ2、φ3，分別為3束超聲波的初相角，三束超聲波相交區域某點r處的合聲壓為 。根據聲壓節點定義，節點處合聲壓恆等於零，這等價於三束聲波的標量聲壓所對應的以超聲波角頻率ω旋轉的3個旋轉矢量在任意時刻的矢量和為零，即三個旋轉矢量模數相等、首尾相連構成一個封閉的等邊三角形。聲壓節點的坐標應滿足以下兩組方程中的一個 或 式I定義kij=ki-kj32,]]> (i，j＝1，2，3)，以上兩組方程化為 或
(n1、n2、m1、m2為任意整數)式II第i個超聲換能器的相位瞬時改變Δi，則聲壓節點沿第i個聲束的聲軸移動 基於以上的實驗和理論分析，本發明採用了如下的技術方案基於超聲波輻射力的微構件的二維平移遙操縱方法，以超聲換能器為動力源，其特徵在於超聲換能器為三個，呈等邊三角形排列，任意兩個超聲換能器之間的距離為50-200mm，每個超聲換能器的輻射波寬度為10-40mm，三束超聲波的輻射寬度所構成的區域為微構件的移動區域；聲波頻率在1.5-2.0Khz，且三束超聲波的頻率相同；將設定的微構件的運動路徑分解為若干沿二維坐標的位移，通過二維平面曲線的插補算法計算出每一步的步進量值(Δx，Δy)，用下式IV計算任意兩個換能器波束的相位改變值，改變任意兩個波束的相位，使微構件發生平移；如此反覆多次，從而令微構件按設定的路徑完成平移。
式IV根據前述的式II，可得到波束相位調整值對微構件的位置改變關係如式III，從而可導出式IV 式III式IV本發明的方法可以不受微構件的形狀和光學特性的限制，通過非接觸的方式實現其二維平移，經過實驗，可控制的操縱範圍大於5mm*5mm。操縱精度小於0.5μm可以實現發明目的， 並在微系統領域得到工業化的應用。


圖1為本發明中超聲換能器的幾何布置示意圖。
圖2為合成駐波聲場聲壓節點的空間分布示意圖。
具體實施例方式
本實施例採用三個等邊三角形排列的超聲換能器T1，T2，T3，三個換能器的輻射功率均為35w，頻率均為1.75MHz，波束半徑均為10mm，輻射的連續正弦波形超聲波束在相交區域幹涉構成二維駐波聲場，3束超聲波的聲軸在同一平面內、夾角為120°，3條聲軸的交點到換能器表面的垂直距離為86.6mm，在Rayleigh距離(活塞換能器近場距離)以內，即應用近場段並可用平面行波描述。
3束超聲波在空間某點r處的聲壓分別為p1＝cos(ωt-k1·r+1)，p2＝cos(ωt-k2·r+2)，p3＝cos(ωt-k3·r+3)，式中k1、k2、k3分別為3束超聲波的波矢，φ1、φ2、φ3分別為3束超聲波的初相角，三束超聲波相交區域某點r處的合聲壓為 根據聲壓節點定義，節點處合聲壓恆等於零，這等價於三束聲波的標量聲壓所對應的以超聲波角頻率ω旋轉的3個旋轉矢量在任意時刻的矢量和為零，即三個旋轉矢量模數相等、首尾相連構成一個封閉的等邊三角形。根據前述式I、式II的計算結果，聲壓節點的空間分布如圖2所示，可見聲壓節點是呈正六邊形分布的。
本實施例的移動目的是將一微構件從二維坐標(0，0)處平移至(10μm，20μm)處，由於換能器的電激勵信號被離散為1024等分，因此最小相位調整置為 的整數倍。為此，根據前述式IV，計算得出 據此，改變T1和T2的相位，觀測發現，微構件平移至(9.87μm，19.82μm)處。
權利要求
1.微構件的二維平移遙操縱方法，以超聲換能器為動力源，其特徵在於超聲換能器為三個，呈等邊三角形排列，任意兩個超聲換能器之間的距離為50-200mm，每個超聲換能器的輻射波寬度為10-40mm，三束超聲波的輻射寬度所構成的區域為微構件的移動區域；聲波頻率在1.5-2.0Khz，且三束超聲波的頻率相同；將設定的微構件的運動路徑分解為若干沿二維坐標的位移，通過二維平面曲線的插補算法計算出每一步的步進量值(Δx，Δy)，用下式IV計算任意兩個換能器波束的相位改變值，改變任意兩個波束的相位，使微構件發生平移；如此反覆多次，從而令微構件按設定的路徑完成平移。 式IV
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於兩個超聲換能器之間的距離為150mm，超聲換能器的輻射波寬度為20mm，聲波頻率為1.75Khz。
全文摘要
本發明提出了一種微構件的二維平移遙操縱方法，它是基於超聲輻射力，以超聲換能器為動力源，將設定的微構件的運動路徑分解為若干沿二維坐標的位移，通過二維平面曲線的插補算法計算出每一步的步進量值(Δx，Δy)，以特定公式計算換能器波束的相位改變值，改變波束的相位，使微構件發生平移；如此反覆多次，從而令微構件按設定的路徑完成平移。本發明的方法可以不受微構件的形狀和光學特性的限制，通過非接觸的方式實現其二維平移，經過實驗，可控制的操縱範圍大於5mm*5mm，操縱精度小於0.5μm。
文檔編號H02N2/00GK101022253SQ20061015527
公開日2007年8月22日 申請日期2006年12月18日 優先權日2006年12月18日
發明者範宗尉, 楊克己, 傅建中, 陳子辰 申請人:浙江大學