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基于超声辐射力场的微构件非接触操纵关键技术的研究

范宗尉  
【摘要】:微机电系统作为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术,面对其研究对象尺度的微型化、制造技术追求高深宽比的三维化以及制造工艺和材料的多样化等所带来的挑战,在近三十年的发展历程中,对微米至纳米级尺度的微构件实现有效操纵一直以来具有强烈的需求。特别是随着微机电系统领域从原先注重单元零部件的生产向混合复杂系统的集成方向快速发展,微操纵技术更加体现出其重要性和迫切性。因此,探索新理论、新机理并发展相应的新技术,已成为目前微机电系统这个新兴技术领域内一个最基础的、关键的热点研究课题。基于微机电系统所具有的特点,一种微构件无损、非接触遥操纵技术是当前研究和发展的主体,而基于超声辐射力场的超声操纵技术由于其无损和非接触的特点,预示着非接触微操纵的发展方向。目前该技术的理论基础研究仍停留于平衡位置振动微小球体的超声辐射力计算上,应用主要根据生物组织、细胞的俘获、悬浮和分拣等功能展开,至于针对微构件操纵和微机电系统集成装配为背景的理论和应用研究还少有涉足。为此,本学位论文结合国家自然科学基金项目“基于三维可控超声辐射力场的微构件遥操纵技术的研究(No.50375144)”、国家高技术研究发展计划项目“基于超声辐射力的微纳构件三维遥操纵关键技术研究(No.2006AA042329)”和浙江省自然科学基金重点项目“基于声操纵的三维自动微装配理论与实践研究(No.Z1110393)”,提出开展基于超声辐射力场的微构件非接触操纵关键技术的研究,通过对复杂形状微构件受力和力矩、超声辐射力产生机理和影响因素的理论分析与实验研究,采用声波合成的方式,形成一种力和力矩大小、方向可控的超声辐射力场合成理论和技术,实现超声辐射力场的精确控制,发展一套适合于微机电系统应用的基于超声辐射力场的微操纵理论新体系,以应用于微构件的操纵和微机电系统的集成装配中,为微机电系统研究和制造提供一种具有自主知识产权的共性技术手段。具体的研究内容和创新点体现在:第一章,分析微操纵技术在微机电系统、高新产业及国民经济发展中的作用和地位,说明开展微操纵技术研究的重要意义,并在阐述微操纵技术国内外研究现状及其发展趋势的基础上,对目前最具发展潜力的微操纵方法——基于超声辐射力场的微操纵技术的研究现状进行系统概括,对其存在的问题进行评述,为论文研究指明方向。第二章,开展散射声场计算理论研究,突破传统声波Rayleigh散射理论关于入射声场相对于散射体轴对称的限制,建立适用于任意入射声场中非规则Rayleigh散射体散射声场计算理论。同时,应用T矩阵法将相关研究延伸到共振散射区,进一步完善散射场计算理论的系统性。解决超声辐射力和力矩计算中的一个关键基础性问题,为实现任意声场中非规则散射体的超声辐射力和力矩计算奠定必要的理论基础。第三章,应用传声介质与散射体的整体动量和角动量守恒原理,建立超声辐射力和辐射力矩计算的通用理论框架,突破传统理论仅限于计算理想形式入射声场中无限长圆柱、球体等几种规则形状散射体超声辐射力以及平面波入射声场中盘状散射体超声辐射力矩的限制,创建任意入射声场中非规则形状Rayleigh散射体与共振区散射体的超声辐射力和力矩分析理论,为超声操纵力源的有效控制提供理论支撑。第四章,针对传统声场合成方法中声源必须置于合成区域边界上或只能逐点控制的不足,提出一种基于模式匹配与逆滤波的空间声场合成技术,并利用Bessel函数衰减特性与逆边界元法,实现局部微小区域声场的精确合成。同时,为获得前向传播算子以计算合成声场的声源阵列输入向量,考虑到实际应用中非自由声场空间障碍物的不利影响,提出一种新的声场分离算法。该部分工作为实现可控、精确和柔性的微构件非接触操纵提供关键的共性技术保障。第五章,针对微操纵的各种应用,分别设计具有相应操纵能力的合成声场。采用多束平面波合成声场俘获微构件,进而通过相位调整驱动微构件平移;在分析拉盖尔-高斯波对微构件的超声辐射力和力矩作用基础上,提出将其与反向平面行波干涉叠加合成,分析表明合成的声场具有同时俘获与旋转操纵的能力;为解决固体壁面上微构件的拾取与平移操纵问题,提出将两束对称布置平面波叠加,其超声辐射力场能够将微构件拾取到距壁面确定高度,并可通过相位调整驱动微构件水平运动。第六章,在完成多通道超声信号发生器、超声换能器环形阵列、超声场测量系统、显微成像与处理系统等模块设计开发基础上,集成开发了一套超声辐射力场合成与应用实验平台,以满足空间声场合成和微操纵应用的需求。在此基础上,开展基于超声辐射力场的微构件非接触操纵实验研究,实验结果证实本文超声操纵技术的可行性和有效性,体现出应用对象范围广、精度高以及适合微尺度构件操纵等特点。第七章,总结论文研究取得的成果和创新之处,并对以后的工作进行展望。


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