超聲懸浮傳輸及駐波-行波混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)

在先進(jìn)制造領(lǐng)域，精密零件的制造和封裝等過程不僅對(duì)環(huán)境要求高，零件的轉(zhuǎn)運(yùn)也是保證質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)大尺寸超薄玻璃基板，探索一種非接觸、無污染、微重力的懸浮傳輸技術(shù)的理論支撐基礎(chǔ)是目前亟待解決的問題。

在各種非接觸傳輸技術(shù)中，超聲懸浮傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)應(yīng)運(yùn)而生。本文總結(jié)了不同傳輸方式對(duì)被傳輸物體的體積、傳輸?shù)姆秶八俣鹊南拗?，分析了駐波-行波混合驅(qū)動(dòng)進(jìn)行超聲懸浮傳輸可能存在的問題，展望了聲懸浮傳輸?shù)膽?yīng)用前景。

聲懸浮現(xiàn)象是高聲強(qiáng)聲場(chǎng)中的一種非線性現(xiàn)象。

在駐波聲場(chǎng)中，可以通過聲輻射壓力將懸浮目標(biāo)捕獲在聲場(chǎng)平衡位置。

對(duì)被懸浮物傳輸時(shí)，可以通過主動(dòng)調(diào)制諧振腔中聲壓分布，實(shí)現(xiàn)駐波聲場(chǎng)中勢(shì)阱點(diǎn)的位置轉(zhuǎn)移，從而在聲場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)粒子懸浮傳輸。

聲懸浮技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：良好的生物相容性；水平聲壓梯度產(chǎn)生的水平穩(wěn)定性；對(duì)被懸浮物體沒有特定屬性、特定形狀要求等性質(zhì)。

超聲懸浮傳輸技術(shù)按聲波傳播方式分為駐波懸浮傳輸和行波懸浮傳輸。

目前，聲懸浮傳輸/操縱的方法按照聲場(chǎng)的種類可以分為駐波調(diào)節(jié)、換能器陣列和行波驅(qū)動(dòng)等方式。

基于單軸式裝置駐波節(jié)點(diǎn)

調(diào)節(jié)的小物體懸浮傳輸

駐波懸浮時(shí)，聲波在對(duì)稱的諧振腔中反復(fù)疊加形成駐波聲場(chǎng)，物體懸浮在聲壓節(jié)點(diǎn)附近。

因此，可以控制頻率、諧振腔長(zhǎng)度和相位改變聲壓節(jié)點(diǎn)位置，在駐波懸浮的基礎(chǔ)上進(jìn)行傳輸。

Kozuka等使用線聚焦懸浮裝置，通過調(diào)整聲源頻率和對(duì)換能器輸出面的分區(qū)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了氧化鋁小球的二維移動(dòng)。

另一工作通過改變諧振腔長(zhǎng)度的方式移動(dòng)聲壓節(jié)點(diǎn)，使用單換能器實(shí)現(xiàn)了小液滴的超聲駐波傳輸。

此外，若通過調(diào)整相位的方式，可以獲得更為連續(xù)穩(wěn)定的一維懸浮傳輸能力。

Matsui等在1995年即采用對(duì)置式換能器裝置，對(duì)聲源相位差與懸浮位置和聲輻射力的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

為了擴(kuò)大傳輸范圍，增加聲場(chǎng)的多樣性，除了調(diào)制聲場(chǎng)本身的參數(shù)，還可以設(shè)計(jì)不同形式的諧振腔。

有研究人員研制了非軸對(duì)稱超聲懸浮裝置，對(duì)交叉的聲束形成的聲場(chǎng)聲壓分布進(jìn)行了計(jì)算和仿真，并實(shí)現(xiàn)聚苯乙烯小球的正弦型和橢圓型軌跡傳輸，發(fā)現(xiàn)調(diào)相的方法傳輸范圍更大，傳輸過程更平穩(wěn)。

另一項(xiàng)工作中研制的二維軸線交叉裝置，實(shí)現(xiàn)了懸浮物水平方向直線傳輸12 mm，且矩陣法計(jì)算聲場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符。

可見，采用調(diào)節(jié)2個(gè)換能器的激勵(lì)相位差和幅值的方法，可以實(shí)現(xiàn)小物體的連續(xù)超聲駐波懸浮傳輸。

基于換能器陣聲場(chǎng)調(diào)制的

物體懸浮傳輸

為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離和大范圍的懸浮傳輸，可以將多個(gè)單軸式的裝置組合起來，形成換能器陣列。

有研究團(tuán)隊(duì)搭建了由24個(gè)壓電換能器組成的環(huán)形壓電換能器陣，該裝置通過切換電極片間的輸入信號(hào)，旋轉(zhuǎn)激勵(lì)平面與反射面間的駐波聲場(chǎng)，在直徑為30 mm的激勵(lì)平面上實(shí)現(xiàn)了7.5°的移動(dòng)精度，完成了聚苯乙烯小球圓形懸浮運(yùn)動(dòng)。

環(huán)形壓電換能器陣/環(huán)形懸浮傳輸實(shí)物照片

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將此裝置與直線傳輸裝置結(jié)合，進(jìn)行被傳輸物體的彈出與捕獲，實(shí)現(xiàn)了曲線與直線傳輸軌跡的轉(zhuǎn)換。

環(huán)形壓電換能器陣/環(huán)形懸浮傳輸原理示意

另一種由多個(gè)15 mm×15 mm換能器組成的陣列（LPT），通過控制相鄰換能器的振幅，使直徑1.5 mm的懸浮液滴在陣元之間平滑地移動(dòng)與融合。

團(tuán)隊(duì)同時(shí)研究了液滴間懸浮混合、固液間懸浮混合、細(xì)胞DNA轉(zhuǎn)染等技術(shù)，證實(shí)該裝置也能實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)型物體的傳輸。

LPT陣液滴懸浮傳輸

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)換用彈性反射面，利用聲壓引起的反射面變形增強(qiáng)聲場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了直徑5 mm，重5 g的鋼球懸浮傳輸。

鋼球懸浮傳輸

Dong等使用類似的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了聚苯乙烯小球的多層懸浮傳輸。

換能器陣列也能夠?qū)崿F(xiàn)三維傳輸，Hoshi和Ochia等利用相控陣聚焦技術(shù)，使用三維換能器陣式懸浮裝置，可在空間任意位置產(chǎn)生駐波，實(shí)現(xiàn)直徑為0.6 mm的多個(gè)聚苯乙烯的三維位置改變。

該裝置可以懸浮起最大密度為5 g/cm3的物體組成圖形，并應(yīng)用于毫米級(jí)物體的模擬。

綜上所述，利用多個(gè)換能器組成的換能器陣，調(diào)節(jié)相鄰陣元間的激勵(lì)相位差和幅值，可以實(shí)現(xiàn)小物體的連續(xù)超聲駐波懸浮傳輸。

基于行波驅(qū)動(dòng)的物體懸浮傳輸

駐波懸浮傳輸時(shí)，被捕獲在節(jié)點(diǎn)的物體隨節(jié)點(diǎn)位置的移動(dòng)而移動(dòng)，只能傳輸球形且尺寸小于波長(zhǎng)的物體，且限制了傳輸速度與傳輸距離。

行波懸浮傳輸依靠行波在振動(dòng)彈性體內(nèi)的傳播，推動(dòng)被懸浮物移動(dòng)，可以突破駐波懸浮傳輸對(duì)被懸浮物體尺寸、移動(dòng)范圍和移動(dòng)速度的限制。

Hashimoto采用行波傳輸，實(shí)現(xiàn)了基于行波驅(qū)動(dòng)的大物體、快速、長(zhǎng)距離超聲懸浮傳輸。

該長(zhǎng)距離超聲懸浮傳輸采用2個(gè)換能器“激振-吸振"模式，其中一個(gè)換能器吸振，在振動(dòng)平面上形成行波。當(dāng)吸振換能器接入的匹配電路參數(shù)調(diào)制合適時(shí)，可獲得純行波。

他們還改進(jìn)了振動(dòng)彈性體的橫截面形態(tài)，從而增強(qiáng)了傳輸?shù)臋M向穩(wěn)定性。

在實(shí)際應(yīng)用中需要引入額外的測(cè)量和控制方法，對(duì)匹配電路的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，導(dǎo)致這種方法的實(shí)用化成本較高、控制難度大。

在“激振-吸振"模式的研究中，也采用硅橡膠等減振材料用于物理“吸振"。這種減振材料的選擇難度大、體積計(jì)算復(fù)雜、安裝困難。

而無論采用何種方式，“激振-吸振"模式的行波懸浮傳輸都無法實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)膯⑼?、傳輸方向和傳輸速度?strong style="box-sizing: inherit;">自動(dòng)控制。

此外，機(jī)械波在傳遞過程中產(chǎn)生消耗，行波在振動(dòng)彈性體上的振幅一端高、一端低，導(dǎo)致了懸浮力分布不均勻。

Ide和Koyama等搭建了2種超聲傳輸裝置，改善了“激振-吸振"方法中存在的懸浮力不均勻問題，提出了兩側(cè)換能器同時(shí)激勵(lì)振動(dòng)的方式，發(fā)現(xiàn)存在特定的兩換能器激勵(lì)相位差Δθ，能夠在直線導(dǎo)軌上形成行波，以138 mm/s的速度傳輸90 g的滑塊。

基于行波-駐波混合驅(qū)動(dòng)的

物體懸浮傳輸

行波傳輸可以長(zhǎng)距離、高速度地傳輸較大的平板物體，然而對(duì)行波聲場(chǎng)的計(jì)算和仿真有一定難度，對(duì)行波傳輸?shù)难芯可型Ａ粼趯?duì)振動(dòng)分布、聲輻射力和懸浮距離的探討層面。

近年來，對(duì)行波-駐波混合驅(qū)動(dòng)傳輸物體時(shí)，激勵(lì)相位差和懸浮高度、傳輸速度、傳輸方向的關(guān)聯(lián)性的研究廣泛開展。

目前，基于控制激勵(lì)相位差的方法已被應(yīng)用于超聲長(zhǎng)距離懸浮傳輸。

有研究人員使用平行對(duì)置式換能器裝置，通過連續(xù)調(diào)節(jié)兩換能器的驅(qū)動(dòng)相位差，移動(dòng)沿振動(dòng)平板方向的駐波，帶動(dòng)聚苯乙烯小球、乙醇液滴等小物體的直線懸浮傳輸。

Mu等在類似的裝置上實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)度為265 mm的行波聲場(chǎng)。

另一項(xiàng)研究在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓展，在四角布置換能器的170 mm×170 mm聲輻射面內(nèi)進(jìn)行懸浮傳輸，通過連續(xù)調(diào)節(jié)相位720°實(shí)現(xiàn)了小球28 mm的位移。

也有研究人員對(duì)平板形物體對(duì)駐波聲場(chǎng)聲壓分布的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算，并隨后采用控制激勵(lì)相位差的方法，進(jìn)行了25 mm×25 mm×1 mm聚苯乙烯平板的懸浮傳輸實(shí)驗(yàn)，觀察到特定相位時(shí)行波成分較高，物體位移顯著增強(qiáng)。

結(jié)論

超聲懸浮傳輸技術(shù)具有微重力、無容器的環(huán)境特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)懸浮物的非接觸操控，可以很好地模擬空間實(shí)驗(yàn)條件。

超聲懸浮傳輸技術(shù)對(duì)被懸浮物體沒有特定屬性要求，橫向穩(wěn)定性較好，有良好的生物相容性，可以為研究提供一個(gè)穩(wěn)定、均勻、無污染的理想環(huán)境，可廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生物化學(xué)、液滴動(dòng)力學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域。

在材料科學(xué)領(lǐng)域，超聲傳輸技術(shù)可用于新型材料的制備與檢測(cè)，通過控制被懸浮物體的位置及高度等，不僅確保了被分析的小液滴遠(yuǎn)離容器壁以避免污染，還實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)，避免容器壁對(duì)檢測(cè)的影響。

在制造業(yè)和生物技術(shù)領(lǐng)域，超聲傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)晶圓和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）零件的穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)、定速運(yùn)動(dòng)等操作，在非接觸的情況下完成晶圓的精密定位和MEMS的準(zhǔn)確裝配。

在液滴動(dòng)力學(xué)的研究中，超聲傳輸技術(shù)可以保障液滴準(zhǔn)確并穩(wěn)定地撞擊，從而高效完成動(dòng)力學(xué)性能的分析實(shí)驗(yàn)。

隨著中國(guó)在先進(jìn)電子制造領(lǐng)域和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，對(duì)精密器件的轉(zhuǎn)運(yùn)提出了更高的要求。

超聲懸浮傳輸具備巨大的發(fā)展?jié)摿?/strong>和廣泛的應(yīng)用前景，但還需要進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)集成度，完善動(dòng)態(tài)聲場(chǎng)下物體傳輸?shù)臋C(jī)理，并解決被傳輸物體的位置、方向、速度的控制問題，推進(jìn)中國(guó)在先進(jìn)電子制造領(lǐng)域和MEMS技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

超聲懸浮傳輸及駐波-行波混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)