微構件的二維平移遙操縱方法技術

本發明專利技術提出了一種微構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，將設定的微構件的運動路徑分解為若干沿二維坐標的位移，通過二維平面曲線的插補算法計算出每一步的步進量值（△ｘ，△ｙ），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，使微構件發生平移；如此反復多次，從而令微構件按設定的路徑完成平移。本發明專利技術的方法可以不受微構件的形狀和光學特性的限制，通過非接觸的方式實現其二維平移，經過實驗，可控制的操縱范圍大于５ｍｍ＊５ｍｍ，操縱精度小于０．５μｍ。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于微系統領域，更具體地，涉及對微米至納米尺度下微構件的遙操縱技術。
技術介紹
微系統技術(Micro-System Technology)作為在微觀領域認識和改造客觀世界的一種技術，特別是隨著從單元器件生產向集成的混合系統發展，微構件的操縱和裝配技術更體現出其重要性和迫切性。因此，探索新的理論和機理來發展這種技術是微系統
內一個基礎性的關鍵研究課題。目前，微構件操縱技術的機理主要包括第一類是將宏觀裝配中的操縱技術延伸到微觀領域應用，如微型鑷子，微吸管等。此類技術與宏觀領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；由于宏觀領域的成功經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發展新型的微構件操縱技術。如采用液體粘附力、靜電力等作操縱力。由于尺寸效應，微觀領域表面力相對體力成為主導作用力，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，由于微操縱過程的空間尺寸限制，以及微構件和操縱機構之間存在微觀粘附現象，再加上這些力的可控性還遠未得到解決，造成僅對微構件在抓取后如何釋放就已成為十分棘手的技術難題。第三類是應用輻射力場實施微構件的非接觸遙操縱。如采用激光光鑷實現微生物、染色體、細胞的移動、旋轉及空間定位等非接觸操縱。這種技術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，考慮到微系統技術的特點，一種微構件無損、非接觸遙操縱技術，應該是當前研究和發展的主要方向。1986年，Bell實驗室的一位學者Ashikin把單束高斯激光引入高數值孔徑物鏡形成三維光學勢阱，并證明了這種光阱可以無損傷的操縱活體物質。當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。激光操縱技術已廣泛應用在細胞、亞細胞層次以及生物大分子層次的生物學研究領域，還可以實現膠體微粒、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較小的微構件的操縱；在非透光操縱環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)的形式表現出其力學特性，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容，作為發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，發展一種聲操縱技術，應用于微構件的無損、非接觸遙操縱，必將有其自身的技術優勢，并有同激光俘獲操縱技術形成互補之效果。現有的專利申請情況，有申請號200410044194.1和200510028687.0的兩項專利技術專利申請，都涉及超聲操縱技術。目前的理論研究和實際應用未能突破微小球體的限制，都是假設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，從而在應用上主要根據俘獲、懸浮和分揀等功能來展開，至于針對微構件操縱和微機電系統集成裝配為背景的理論和應用研究還少有涉足，究其原因關鍵在于任意形狀微構件的聲波背散射特性十分復雜，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。而同微機電系統集成化相關的微裝配和微操縱技術，針對的微構件對象形狀多樣，牽涉分揀、抓取、傳輸、位姿調整、定位和組裝等多種功能。可見，微構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，現有的理論和應用方法就難以適用。因此，有必要為在微機電系統領域內成功地實施，超聲操縱技術必須根據微構件的材料、形狀、尺寸、運動狀況以及操縱環境等特點，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，不僅能完成微構件操縱的應用，而且還有望在微量力、微剛度等微力學量的無損、非接觸檢測和超聲非接觸驅動等方面具有廣闊的應用空間。
技術實現思路
本專利技術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件的二維平移操縱方法。專利技術人通過大量的實驗發現，3個相同頻率的超聲換能器產生的超聲波束在相交區域干涉生成一個二維駐波聲場。根據超聲輻射力計算理論，微構件受到聲輻射力作用被俘獲在聲壓節點處。通過改變各換能器激勵電信號的相位使得聲壓節點的空間分布產生相應的移動，從而導致微構件的平移運動；因此通過控制換能器間同步相位調整的相互關系，即可實現微構件的二維平移。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，三束超聲波相交區域某點r處的合聲壓為 。根據聲壓節點定義，節點處合聲壓恒等于零，這等價于三束聲波的標量聲壓所對應的以超聲波角頻率ω旋轉的3個旋轉矢量在任意時刻的矢量和為零，即三個旋轉矢量模數相等、首尾相連構成一個封閉的等邊三角形。聲壓節點的坐標應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)式II第i個超聲換能器的相位瞬時改變Δi，則聲壓節點沿第i個聲束的聲軸移動 基于以上的實驗和理論分析，本專利技術采用了如下的技術方案基于超聲波輻射力的，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成的區域為微構件的移動區域；聲波頻率在1.5-2.0Khz，且三束超聲波的頻率相同；將設定的微構件的運動路徑分解為若干沿二維坐標的位移，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，改變任意兩個波束的相位，使微構件發生平移；如此反復多次，從而令微構件按設定的路徑完成平移。 式IV根據前述的式II，可得到波束相位調整值對微構件的位置改變關系如式III，從而可導出式IV 式III式IV本專利技術的方法可以不受微構件的形狀和光學特性的限制，通過非接觸的方式實現其二維平移，經過實驗，可控制的操縱范圍大于5mm*5mm。操縱精度小于0.5μm可以實現專利技術目的， 并在微系統領域得到工業化的應用。附圖說明圖1為本專利技術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，輻射的連續正弦波形超聲波束在相交區域干涉構成二維本文檔來自技高網...

【技術保護點】
微構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成的區域為微構件的移動區域；聲波頻率在１．５－２．０Ｋｈｚ，且三束超聲波的頻率相同；將設定的微構件的運動路徑分解為若干沿二維坐標的位移，通過二維平面曲線的插補算法計算出每一步的步進量值（△ｘ，△ｙ），用下式Ⅳ計算任意兩個換能器波束的相位改變值，改變任意兩個波束的相位，使微構件發生平移；如此反復多次，從而令微構件按設定的路徑完成平移。＊＊＊式Ⅳ。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：范宗尉，楊克己，傅建中，陳子辰，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：86[中國|杭州]