利用超聲輻射力和力矩複合操縱微機械構件的方法
2023-12-02 02:07:46
專利名稱：利用超聲輻射力和力矩複合操縱微機械構件的方法
技術領域：
本發明涉及一種微機械構件操縱方法，尤其是一種利用超聲輻射力和力矩複合操縱微機械構件的方法。
背景技術：
微機電系統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，隨著其研究對象尺度的微型化、製造技術追求高深寬比的三維化以及製造工藝和材料的多樣化帶來越來越多的挑戰，微裝配技術更加體現出其重要性和迫切性。微操縱技術是微裝配的核心和基礎，不同微操縱模式將直接決定微裝配技術的性能及其應用範圍。因此，在微裝配技術發展的進程中必須優先解決微操縱方法的突破。目前的微操縱技術研究主要包括兩個方面接觸式和非接觸式。接觸式微操縱技術有利用具有微進給能力的壓電陶瓷構成微型鑷子或吸管，在顯微鏡的觀測下進行抓取、平移、旋轉和釋放等操縱，還有利用利用力的尺寸效應(如粘附力、靜電力等)發展一些新型微操縱技術。接觸式操縱微構件，對微構件造成損傷是不可避免的，而且由於空間尺寸的限制，以及微構件和操縱機構之間存在粘附力、靜電力等作用，可控性和有效性難以保證。非接觸式微操縱技術不存在空間尺寸的約束，也不受表面力的影響，不會對微構件造成損傷，應該是微裝配和微操縱技術的發展主體。雷射操縱技術由於其無損和非接觸的特點在微機電系統中具有廣闊的應用前景，但該技術只能對透光微構件進行操縱，而難以應用於金屬等非透光材料。超聲波具有強大的穿透能力，對微構件的材料幾乎沒有限制，在生物組織、細胞的分揀、俘獲和懸浮方面已證實了較好的非接觸式操縱潛力，並且發射超聲波的壓電陶瓷還易於微型化。然而，目前的微構件操縱技術都是基於超聲輻射力的，只能同時實現微構件的俘獲和平移或者俘獲和繞聲軸旋轉，而不能同時實現微構件的俘獲、傳輸和旋轉，以及使微構件繞自身旋轉以調整其姿態。
發明內容
為了克服現有微操縱技術在微構件操縱模式上的不足，完善超聲輻射力和力矩在微構件操縱上的應用，本發明提出了一種利用超聲輻射力和力矩複合操縱微構件的方法，應用六個超聲換能器，分成兩組，利用其中一組超聲換能器發出平面超聲波合成駐波場，微構件俘獲在聲勢阱中，通過快速切換兩組超聲換能器工作，使駐波場旋轉，在超聲輻射力和力矩的共同作用下，微構件同時發生傳輸和旋轉。通過高速顯微攝像系統的位置標定和調整超聲換能器的相位，使微構件傳輸回到原來的位置，而僅發生自身旋轉，以實現微構件自身姿態的調整。連續快速切換兩組超聲換能器工作，可同時實現微構件的連續傳輸和旋轉，連續改變微構件的空間位置。本發明採用的技術方案是 利用超聲輻射力和力矩複合操縱微機械構件的方法應用六個平面超聲換能器，使其均勻分布在同一平面，相鄰超聲換能器的聲束軸夾角為60 。將六個超聲換能器分成兩組，每組的三個超聲換能器的聲束軸夾角為120 ,同一時間只使用一組超聲換能器工作,其中一個超聲換能器發出的平面超聲波的聲壓幅值為另外兩個超聲換能器的10倍。三束平面超聲波疊加合成一個二維駐波場，微構件被超聲福射力俘獲在聲勢講中，通過快速切換兩組超聲換能器工作，使二維駐波場旋轉，聲勢阱的位置和取向發生改變，在超聲輻射力和力矩的共同作用下，微構件同時發生傳輸和旋轉。通過高速顯微攝像系統對微構件進行前後位置標定，以及調整聲壓幅值較小的兩個超聲換能器的相位，把微構件傳輸回到原來的位置，使微構件僅發生自身旋轉，調整了其姿態。也可以連續快速切換兩組超聲換能器工作，在超聲輻射力和力矩的共同作用下，同時實現微構件的連續傳輸和旋轉，連續改變微構件的空間位置。本發明具有的有益效果是
本發明首次提出了一種利用超聲輻射力和力矩複合操縱微構件的解決方法，相對於現有操縱方法局限於俘獲和平移或者俘獲和繞聲軸旋轉，同時實現了微構件的俘獲、傳輸和旋轉，以及微構件繞自身旋轉以調整其姿態。本發明可在複雜精細的微機電系統製造與裝配、細胞生物工程等高科技領域發揮較大的作用。
圖1是本發明用於複合操縱微構件的系統結構 圖2是本發明用於複合操縱微構件的超聲換能器陣列分布 圖3是二維駐波場中的聲壓和超聲輻射力分布 圖4是二維駐波場中微構件超聲輻射力矩分布 圖5是複合操縱微構件的效果示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明。如圖1所示，超聲複合操縱系統包括三個組成部分電子控制部分，超聲換能器陣列和高速顯微立體攝像系統。連續正弦波信號由一個參數程控可調的多通道超聲信號發生器產生，通過高頻寬帶線性功率放大模塊輸給超聲換能器，可通過基於PXI平臺的上位機系統改變各通道信號的頻率、相位、幅值和觸發時間。高速顯微立體攝像系統由一臺CCD相機，數據採集卡和移動平臺組成，可以用來觀測微構件的運動，對微構件進行位置標定。圖2為超聲換能器陣列分布圖,共有六個超聲換能器,相鄰超聲換能器的聲束軸夾角為60 。六個超聲換能器分成兩組，同一時間只有一組超聲換能器工作，三個超聲換能器的聲束軸夾角為120 。當I號超聲換能器組(la、lb、Ic)工作時，Ia超聲換能器發出的超聲波聲壓為Ib和Ic的10倍，三束同時發出的平面超聲波在腔體內疊加合成駐波場，駐波場中的聲壓表達式為
權利要求
1.利用超聲輻射力和力矩複合操縱微機械構件的方法，其特徵在於 應用六個平面超聲換能器，使其均勻分布在同一平面，相鄰超聲換能器的聲束軸夾角為60 ;將六個超聲換能器分成兩組，每組的三個超聲換能器的聲束軸夾角為120 ，同一時間只使用一組超聲換能器工作，其中一個超聲換能器發出的平面超聲波的聲壓幅值為另外兩個超聲換能器的10倍；三束平面超聲波疊加合成一個二維駐波場，微構件被超聲福射力俘獲在聲勢阱中，通過快速切換兩組超聲換能器工作，使二維駐波場旋轉，聲勢阱的位置和取向發生改變，在超聲輻射力和力矩的共同作用下，微構件同時發生傳輸和旋轉；通過高速顯微攝像系統對微構件進行前後位置標定，以及調整聲壓幅值較小的兩個超聲換能器的相位，把微構件傳輸回到原來的位置，使微構件僅發生自身旋轉，調整了其姿態。
2.根據權利要求1所述的利用超聲輻射力和力矩複合操縱微機械構件的方法，其特徵在於連續快速切換兩組超聲換能器工作，在超聲輻射力和力矩的共同作用下，可同時實現微構件的連續傳輸和旋轉，連續改變微構件的空間位置。
全文摘要
本發明公開了一種利用超聲輻射力和力矩複合操縱微機械構件的方法，應用六個平面超聲換能器，分成兩組，同一時間只使用一組超聲換能器工作，三束平面超聲波疊加合成一個二維駐波場，微構件被超聲輻射力俘獲在聲勢阱中，通過快速切換兩組超聲換能器工作，使二維駐波場旋轉，聲勢阱的位置和取向發生改變，在超聲輻射力和力矩的共同作用下，微構件同時發生傳輸和旋轉。通過高速顯微攝像系統對微構件進行前後位置標定和調整超聲換能器的相位，把微構件傳輸回到原來的位置，使微構件僅發生自身旋轉。此方法在複雜精細的微機電系統製造與裝配、細胞生物工程等高科技領域有廣闊的應用前景。
文檔編號B81C1/00GK103043598SQ20121050102
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月28日 優先權日2012年11月28日
發明者吳海騰, 楊克己, 賈坤 申請人:浙江大學