超聲懸浮傳輸及駐波-行波混合驅(qū)動技術(shù)

在先進制造領(lǐng)域，精密零件的制造和封裝等過程不僅對環(huán)境要求高，零件的轉(zhuǎn)運也是保證質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對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)勢應(yīng)運而生。本文總結(jié)了不同傳輸方式對被傳輸物體的體積、傳輸?shù)姆秶八俣鹊南拗?，分析了駐波-行波混合驅(qū)動進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)象是高聲強聲場中的一種非線性現(xiàn)象。

在駐波聲場中，可以通過聲輻射壓力將懸浮目標捕獲在聲場平衡位置。

對被懸浮物傳輸時，可以通過主動調(diào)制諧振腔中聲壓分布，實現(xiàn)駐波聲場中勢阱點的位置轉(zhuǎn)移，從而在聲場作用下實現(xiàn)粒子懸浮傳輸。

聲懸浮技術(shù)具有以下優(yōu)點：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的種類可以分為駐波調(diào)節(jié)、換能器陣列和行波驅(qū)動等方式。

基于單軸式裝置駐波節(jié)點

調(diào)節(jié)的小物體懸浮傳輸

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

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

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

另一工作通過改變諧振腔長度的方式移動聲壓節(jié)點，使用單換能器實現(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年即采用對置式換能器裝置，對聲源相位差與懸浮位置和聲輻射力的關(guān)系進行了實驗研究。

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

有研究人員研制了非軸對稱超聲懸浮裝置，對交叉的聲束形成的聲場聲壓分布進行了計算和仿真，并實現(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)。

另一項工作中研制的二維軸線交叉裝置，實現(xiàn)了懸浮物水平方向直線傳輸12 mm，且矩陣法計算聲場的數(shù)值計算結(jié)果與實驗相符。

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

基于換能器陣聲場調(diào)制的

物體懸浮傳輸

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

有研究團隊搭建了由24個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，旋轉(zhuǎn)激勵平面與反射面間的駐波聲場，在直徑為30 mm的激勵平面上實現(xiàn)了7.5°的移動精度，完成了聚苯乙烯小球圓形懸浮運動。

環(huán)形壓電換能器陣/環(huán)形懸浮傳輸實物照片

在此基礎(chǔ)上，研究團隊將此裝置與直線傳輸裝置結(jié)合，進行被傳輸物體的彈出與捕獲，實現(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與融合。

團隊同時研究了液滴間懸浮混合、固液間懸浮混合、細胞DNA轉(zhuǎn)染等技術(shù)，證實該裝置也能實現(xiàn)細長型物體的傳輸。

LPT陣液滴懸浮傳輸

在此基礎(chǔ)上，研究團隊換用彈性反射面，利用聲壓引起的反射面變形增強聲場強度，實現(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，實現(xiàn)直徑為0.6 mm的多個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)用于毫米級物體的模擬。

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

基于行波驅(qū)動的物體懸浮傳輸

駐波懸浮傳輸時，被捕獲在節(jié)點的物體隨節(jié)點位置的移動而移動，只能傳輸球形且尺寸小于波長的物體，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彈性體內(nèi)的傳播，推動被懸浮物移動，可以突破駐波懸浮傳輸對被懸浮物體尺寸、移動范圍和移動速度的限制。

Hashimoto采用行波傳輸，實現(xiàn)了基于行波驅(qū)動的大物體、快速、長距離超聲懸浮傳輸。

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

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

在實際應(yīng)用中需要引入額外的測量和控制方法，對匹配電路的參數(shù)進行實時調(diào)整，導(dǎo)致這種方法的實用化成本較高、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現(xiàn)傳輸?shù)膯⑼?、傳輸方向和傳輸速度?strong style="box-sizing: inherit;">自動控制。

此外，機械波在傳遞過程中產(chǎn)生消耗，行波在振動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)換能器同時激勵振動的方式，發(fā)現(xiàn)存在特定的兩換能器激勵相位差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)動的

物體懸浮傳輸

行波傳輸可以長距離、高速度地傳輸較大的平板物體，然而對行波聲場的計算和仿真有一定難度，對行波傳輸?shù)难芯可型Ａ粼趯φ駝臃植?、聲輻射力和懸浮距離的探討層面。

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

目前，基于控制激勵相位差的方法已被應(yīng)用于超聲長距離懸浮傳輸。

有研究人員使用平行對置式換能器裝置，通過連續(xù)調(diào)節(jié)兩換能器的驅(qū)動相位差，移動沿振動平板方向的駐波，帶動聚苯乙烯小球、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現(xiàn)了長度為265 mm的行波聲場。

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

也有研究人員對平板形物體對駐波聲場聲壓分布的影響進行了仿真計算，并隨后采用控制激勵相位差的方法，進行了25 mm×25 mm×1 mm聚苯乙烯平板的懸浮傳輸實驗，觀察到特定相位時行波成分較高，物體位移顯著增強。

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，能夠?qū)崿F(xiàn)對懸浮物的非接觸操控，可以很好地模擬空間實驗條件。

超聲懸浮傳輸技術(shù)對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，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離容器壁以避免污染，還實現(xiàn)了監(jiān)測，避免容器壁對檢測的影響。

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

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

隨著中國在先進電子制造領(lǐng)域和微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的進步，對精密器件的轉(zhuǎn)運提出了更高的要求。

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，但還需要進一步改進系統(tǒng)集成度，完善動態(tài)聲場下物體傳輸?shù)臋C理，并解決被傳輸物體的位置、方向、速度的控制問題，推進中國在先進電子制造領(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)動技術(shù)