專利名稱：微構(gòu)件的二維平移遙操縱方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體地，涉及對微米至納米尺度下微構(gòu)件的遙操縱技術(shù)。
背景技術(shù)：
微系統(tǒng)技術(shù)(Micro-System Technology)作為在微觀領(lǐng)域認(rèn)識和改造客觀世界的一種技術(shù)，特別是隨著從單元器件生產(chǎn)向集成的混合系統(tǒng)發(fā)展，微構(gòu)件的操縱和裝配技術(shù)更體現(xiàn)出其重要性和迫切性。因此，探索新的理論和機理來發(fā)展這種技術(shù)是微系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)一個基礎(chǔ)性的關(guān)鍵研究課題。
目前，微構(gòu)件操縱技術(shù)的機理主要包括第一類是將宏觀裝配中的操縱技術(shù)延伸到微觀領(lǐng)域應(yīng)用，如微型鑷子，微吸管等。此類技術(shù)與宏觀領(lǐng)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；由于宏觀領(lǐng)域的成功經(jīng)驗和人類慣于類推的思維模式，這方面的研究開展較早，并已取得一些實用化成果。
第二類是采用力的尺寸效應(yīng)發(fā)展新型的微構(gòu)件操縱技術(shù)。如采用液體粘附力、靜電力等作操縱力。由于尺寸效應(yīng)，微觀領(lǐng)域表面力相對體力成為主導(dǎo)作用力，目前這些操縱力的可控性還處于研究階段。
這兩類都是接觸型操縱技術(shù)，由于微操縱過程的空間尺寸限制，以及微構(gòu)件和操縱機構(gòu)之間存在微觀粘附現(xiàn)象，再加上這些力的可控性還遠未得到解決，造成僅對微構(gòu)件在抓取后如何釋放就已成為十分棘手的技術(shù)難題。
第三類是應(yīng)用輻射力場實施微構(gòu)件的非接觸遙操縱。如采用激光光鑷實現(xiàn)微生物、染色體、細胞的移動、旋轉(zhuǎn)及空間定位等非接觸操縱。這種技術(shù)采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(tǒng)技術(shù)的特點，一種微構(gòu)件無損、非接觸遙操縱技術(shù)，應(yīng)該是當(dāng)前研究和發(fā)展的主要方向。
1986年，Bell實驗室的一位學(xué)者Ashikin把單束高斯激光引入高數(shù)值孔徑物鏡形成三維光學(xué)勢阱，并證明了這種光阱可以無損傷的操縱活體物質(zhì)。當(dāng)光束的入射角足夠大時，在垂直于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，粒子受到的垂直于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。激光操縱技術(shù)已廣泛應(yīng)用在細胞、亞細胞層次以及生物大分子層次的生物學(xué)研究領(lǐng)域，還可以實現(xiàn)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，如它不適用于金屬或光折射系數(shù)較小的微構(gòu)件的操縱；在非透光操縱環(huán)境下則激光操縱完全失去其能力；由于光勢阱(optical potential wel1)寬度限制，激光操縱不適于需要連續(xù)操縱場合等。
類似于光輻射壓，超聲波也以聲輻射力(acoustic radiationforce)的形式表現(xiàn)出其力學(xué)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，并且超聲波具備激光所沒有的穿透能力及其豐富的內(nèi)容，作為發(fā)射超聲波的壓電陶瓷還易于微型化 因此，利用超聲波作為能量傳遞、傳輸手段，發(fā)展一種聲操縱技術(shù)，應(yīng)用于微構(gòu)件的無損、非接觸遙操縱，必將有其自身的技術(shù)優(yōu)勢，并有同激光俘獲操縱技術(shù)形成互補之效果。
現(xiàn)有的專利申請情況，有申請?zhí)?00410044194.1和200510028687.0的兩項發(fā)明專利申請，都涉及超聲操縱技術(shù)。目前的理論研究和實際應(yīng)用未能突破微小球體的限制，都是假設(shè)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(yīng)用上主要根據(jù)俘獲、懸浮和分揀等功能來展開，至于針對微構(gòu)件操縱和微機電系統(tǒng)集成裝配為背景的理論和應(yīng)用研究還少有涉足，究其原因關(guān)鍵在于任意形狀微構(gòu)件的聲波背散射特性十分復(fù)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(tǒng)集成化相關(guān)的微裝配和微操縱技術(shù)，針對的微構(gòu)件對象形狀多樣，牽涉分揀、抓取、傳輸、位姿調(diào)整、定位和組裝等多種功能。可見，微構(gòu)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，對于后者，現(xiàn)有的理論和應(yīng)用方法就難以適用。因此，有必要為在微機電系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)成功地實施，超聲操縱技術(shù)必須根據(jù)微構(gòu)件的材料、形狀、尺寸、運動狀況以及操縱環(huán)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(chǔ)，不僅能完成微構(gòu)件操縱的應(yīng)用，而且還有望在微量力、微剛度等微力學(xué)量的無損、非接觸檢測和超聲非接觸驅(qū)動等方面具有廣闊的應(yīng)用空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是要提供一種適用范圍更廣的，基于超聲波輻射力的微構(gòu)件的二維平移操縱方法。
發(fā)明人通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，3個相同頻率的超聲換能器產(chǎn)生的超聲波束在相交區(qū)域干涉生成一個二維駐波聲場。根據(jù)超聲輻射力計算理論，微構(gòu)件受到聲輻射力作用被俘獲在聲壓節(jié)點處。通過改變各換能器激勵電信號的相位使得聲壓節(jié)點的空間分布產(chǎn)生相應(yīng)的移動，從而導(dǎo)致微構(gòu)件的平移運動；因此通過控制換能器間同步相位調(diào)整的相互關(guān)系，即可實現(xiàn)微構(gòu)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(qū)域某點r處的合聲壓為 。根據(jù)聲壓節(jié)點定義，節(jié)點處合聲壓恒等于零，這等價于三束聲波的標(biāo)量聲壓所對應(yīng)的以超聲波角頻率ω旋轉(zhuǎn)的3個旋轉(zhuǎn)矢量在任意時刻的矢量和為零，即三個旋轉(zhuǎn)矢量模數(shù)相等、首尾相連構(gòu)成一個封閉的等邊三角形。聲壓節(jié)點的坐標(biāo)應(yīng)滿足以下兩組方程中的一個 或 式I定義kij=ki-kj3·2πλ,]]> (i，j＝1，2，3)，以上兩組方程化為 或
(n1、n2、m1、m2為任意整數(shù))式II第i個超聲換能器的相位瞬時改變Δi，則聲壓節(jié)點沿第i個聲束的聲軸移動 基于以上的實驗和理論分析，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案基于超聲波輻射力的微構(gòu)件的二維平移遙操縱方法，以超聲換能器為動力源，其特征在于超聲換能器為三個，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(gòu)成的區(qū)域為微構(gòu)件的移動區(qū)域；聲波頻率在1.5-2.0Khz，且三束超聲波的頻率相同；將設(shè)定的微構(gòu)件的運動路徑分解為若干沿二維坐標(biāo)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?nèi)我鈨蓚€波束的相位，使微構(gòu)件發(fā)生平移；如此反復(fù)多次，從而令微構(gòu)件按設(shè)定的路徑完成平移。
式IV根據(jù)前述的式II，可得到波束相位調(diào)整值對微構(gòu)件的位置改變關(guān)系如式III，從而可導(dǎo)出式IV 式III式IV本發(fā)明的方法可以不受微構(gòu)件的形狀和光學(xué)特性的限制，通過非接觸的方式實現(xiàn)其二維平移，經(jīng)過實驗，可控制的操縱范圍大于5mm*5mm。操縱精度小于0.5μm可以實現(xiàn)發(fā)明目的， 并在微系統(tǒng)領(lǐng)域得到工業(yè)化的應(yīng)用。


圖1為本發(fā)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(jié)點的空間分布示意圖。
具體實施例方式
本實施例采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(xù)正弦波形超聲波束在相交區(qū)域干涉構(gòu)成二維駐波聲場，3束超聲波的聲軸在同一平面內(nèi)、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(nèi)，即應(yīng)用近場段并可用平面行波描述。
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(qū)域某點r處的合聲壓為 根據(jù)聲壓節(jié)點定義，節(jié)點處合聲壓恒等于零，這等價于三束聲波的標(biāo)量聲壓所對應(yīng)的以超聲波角頻率ω旋轉(zhuǎn)的3個旋轉(zhuǎn)矢量在任意時刻的矢量和為零，即三個旋轉(zhuǎn)矢量模數(shù)相等、首尾相連構(gòu)成一個封閉的等邊三角形。根據(jù)前述式I、式II的計算結(jié)果，聲壓節(jié)點的空間分布如圖2所示，可見聲壓節(jié)點是呈正六邊形分布的。
本實施例的移動目的是將一微構(gòu)件從二維坐標(biāo)(0，0)處平移至(10μm，20μm)處，由于換能器的電激勵信號被離散為1024等分，因此最小相位調(diào)整置為 的整數(shù)倍。為此，根據(jù)前述式IV，計算得出 據(jù)此，改變T1和T2的相位，觀測發(fā)現(xiàn)，微構(gòu)件平移至(9.87μm，19.82μm)處。
權(quán)利要求
1.微構(gòu)件的二維平移遙操縱方法，以超聲換能器為動力源，其特征在于超聲換能器為三個，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(gòu)成的區(qū)域為微構(gòu)件的移動區(qū)域；聲波頻率在1.5-2.0Khz，且三束超聲波的頻率相同；將設(shè)定的微構(gòu)件的運動路徑分解為若干沿二維坐標(biāo)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?nèi)我鈨蓚€波束的相位，使微構(gòu)件發(fā)生平移；如此反復(fù)多次，從而令微構(gòu)件按設(shè)定的路徑完成平移。 式IV
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于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(fā)明提出了一種微構(gòu)件的二維平移遙操縱方法，它是基于超聲輻射力，以超聲換能器為動力源，將設(shè)定的微構(gòu)件的運動路徑分解為若干沿二維坐標(biāo)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(gòu)件發(fā)生平移；如此反復(fù)多次，從而令微構(gòu)件按設(shè)定的路徑完成平移。本發(fā)明的方法可以不受微構(gòu)件的形狀和光學(xué)特性的限制，通過非接觸的方式實現(xiàn)其二維平移，經(jīng)過實驗，可控制的操縱范圍大于5mm*5mm，操縱精度小于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(yōu)先權(quán)日2006年12月18日
發(fā)明者范宗尉, 楊克己, 傅建中, 陳子辰 申請人:浙江大學(xué)