本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種利用超聲輻射力和力矩復(fù)合操縱微機(jī)械構(gòu)件的方法，應(yīng)用六個(gè)平面超聲換能器，分成兩組，同一時(shí)間只使用一組超聲換能器工作，三束平面超聲波疊加合成一個(gè)二維駐波場(chǎng)，微構(gòu)件被超聲輻射力俘獲在聲勢(shì)阱中，通過(guò)快速切換兩組超聲換能器工作，使二維駐波場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，聲勢(shì)阱的位置和取向發(fā)生改變，在超聲輻射力和力矩的共同作用下，微構(gòu)件同時(shí)發(fā)生傳輸和旋轉(zhuǎn)。通過(guò)高速顯微攝像系統(tǒng)對(duì)微構(gòu)件進(jìn)行前后位置標(biāo)定和調(diào)整超聲換能器的相位，把微構(gòu)件傳輸回到原來(lái)的位置，使微構(gòu)件僅發(fā)生自身旋轉(zhuǎn)。此方法在復(fù)雜精細(xì)的微機(jī)電系統(tǒng)制造與裝配、細(xì)胞生物工程等高科技領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種微機(jī)械構(gòu)件操縱方法，尤其是一種。
技術(shù)介紹
微機(jī)電系統(tǒng)作為人們?cè)谖⒂^領(lǐng)域認(rèn)識(shí)和改造客觀世界的一種高新技術(shù)，隨著其研究對(duì)象尺度的微型化、制造技術(shù)追求高深寬比的三維化以及制造工藝和材料的多樣化帶來(lái)越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，微裝配技術(shù)更加體現(xiàn)出其重要性和迫切性。微操縱技術(shù)是微裝配的核心和基礎(chǔ)，不同微操縱模式將直接決定微裝配技術(shù)的性能及其應(yīng)用范圍。因此，在微裝配技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程中必須優(yōu)先解決微操縱方法的突破。目前的微操縱技術(shù)研究主要包括兩個(gè)方面接觸式和非接觸式。接觸式微操縱技術(shù)有利用具有微進(jìn)給能力的壓電陶瓷構(gòu)成微型鑷子或吸管，在顯微鏡的觀測(cè)下進(jìn)行抓取、平移、旋轉(zhuǎn)和釋放等操縱，還有利用利用力的尺寸效應(yīng)(如粘附力、靜電力等)發(fā)展一些新型微操縱技術(shù)。接觸式操縱微構(gòu)件，對(duì)微構(gòu)件造成損傷是不可避免的，而且由于空間尺寸的限制，以及微構(gòu)件和操縱機(jī)構(gòu)之間存在粘附力、靜電力等作用，可控性和有效性難以保證。非接觸式微操縱技術(shù)不存在空間尺寸的約束，也不受表面力的影響，不會(huì)對(duì)微構(gòu)件造成損傷，應(yīng)該是微裝配和微操縱技術(shù)的發(fā)展主體。激光操縱技術(shù)由于其無(wú)損和非接觸的特點(diǎn)在微機(jī)電系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，但該技術(shù)只能對(duì)透光微構(gòu)件進(jìn)行操縱，而難以應(yīng)用于金屬等非透光材料。超聲波具有強(qiáng)大的穿透能力，對(duì)微構(gòu)件的材料幾乎沒(méi)有限制，在生物組織、細(xì)胞的分揀、俘獲和懸浮方面已證實(shí)了較好的非接觸式操縱潛力，并且發(fā)射超聲波的壓電陶瓷還易于微型化。然而，目前的微構(gòu)件操縱技術(shù)都是基于超聲輻射力的，只能同時(shí)實(shí)現(xiàn)微構(gòu)件的俘獲和平移或者俘獲和繞聲軸旋轉(zhuǎn)，而不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)微構(gòu)件的俘獲、傳輸和旋轉(zhuǎn)，以及使微構(gòu)件繞自身旋轉(zhuǎn)以調(diào)整其姿態(tài)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了克服現(xiàn)有微操縱技術(shù)在微構(gòu)件操縱模式上的不足，完善超聲輻射力和力矩在微構(gòu)件操縱上的應(yīng)用，本專(zhuān)利技術(shù)提出了一種利用超聲輻射力和力矩復(fù)合操縱微構(gòu)件的方法，應(yīng)用六個(gè)超聲換能器，分成兩組，利用其中一組超聲換能器發(fā)出平面超聲波合成駐波場(chǎng)，微構(gòu)件俘獲在聲勢(shì)阱中，通過(guò)快速切換兩組超聲換能器工作，使駐波場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，在超聲輻射力和力矩的共同作用下，微構(gòu)件同時(shí)發(fā)生傳輸和旋轉(zhuǎn)。通過(guò)高速顯微攝像系統(tǒng)的位置標(biāo)定和調(diào)整超聲換能器的相位，使微構(gòu)件傳輸回到原來(lái)的位置，而僅發(fā)生自身旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)微構(gòu)件自身姿態(tài)的調(diào)整。連續(xù)快速切換兩組超聲換能器工作，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)微構(gòu)件的連續(xù)傳輸和旋轉(zhuǎn)，連續(xù)改變微構(gòu)件的空間位置。本專(zhuān)利技術(shù)采用的技術(shù)方案是 應(yīng)用六個(gè)平面超聲換能器，使其均勻分布在同一平面，相鄰超聲換能器的聲束軸夾角為60 。將六個(gè)超聲換能器分成兩組，每組的三個(gè)超聲換能器的聲束軸夾角為120 ,同一時(shí)間只使用一組超聲換能器工作,其中一個(gè)超聲換能器發(fā)出的平面超聲波的聲壓幅值為另外兩個(gè)超聲換能器的10倍。三束平面超聲波疊加合成一個(gè)二維駐波場(chǎng)，微構(gòu)件被超聲福射力俘獲在聲勢(shì)講中，通過(guò)快速切換兩組超聲換能器工作，使二維駐波場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，聲勢(shì)阱的位置和取向發(fā)生改變，在超聲輻射力和力矩的共同作用下，微構(gòu)件同時(shí)發(fā)生傳輸和旋轉(zhuǎn)。通過(guò)高速顯微攝像系統(tǒng)對(duì)微構(gòu)件進(jìn)行前后位置標(biāo)定，以及調(diào)整聲壓幅值較小的兩個(gè)超聲換能器的相位，把微構(gòu)件傳輸回到原來(lái)的位置，使微構(gòu)件僅發(fā)生自身旋轉(zhuǎn)，調(diào)整了其姿態(tài)。也可以連續(xù)快速切換兩組超聲換能器工作，在超聲輻射力和力矩的共同作用下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)微構(gòu)件的連續(xù)傳輸和旋轉(zhuǎn)，連續(xù)改變微構(gòu)件的空間位置。本專(zhuān)利技術(shù)具有的有益效果是 本專(zhuān)利技術(shù)首次提出了一種利用超聲輻射力和力矩復(fù)合操縱微構(gòu)件的解決方法，相對(duì)于現(xiàn)有操縱方法局限于俘獲和平移或者俘獲和繞聲軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微構(gòu)件的俘獲、傳輸和旋轉(zhuǎn)，以及微構(gòu)件繞自身旋轉(zhuǎn)以調(diào)整其姿態(tài)。本專(zhuān)利技術(shù)可在復(fù)雜精細(xì)的微機(jī)電系統(tǒng)制造與裝配、細(xì)胞生物工程等高科技領(lǐng)域發(fā)揮較大的作用。附圖說(shuō)明圖1是本專(zhuān)利技術(shù)用于復(fù)合操縱微構(gòu)件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖2是本專(zhuān)利技術(shù)用于復(fù)合操縱微構(gòu)件的超聲換能器陣列分布 圖3是二維駐波場(chǎng)中的聲壓和超聲輻射力分布 圖4是二維駐波場(chǎng)中微構(gòu)件超聲輻射力矩分布 圖5是復(fù)合操縱微構(gòu)件的效果示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，超聲復(fù)合操縱系統(tǒng)包括三個(gè)組成部分電子控制部分，超聲換能器陣列和高速顯微立體攝像系統(tǒng)。連續(xù)正弦波信號(hào)由一個(gè)參數(shù)程控可調(diào)的多通道超聲信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，通過(guò)高頻寬帶線性功率放大模塊輸給超聲換能器，可通過(guò)基于PXI平臺(tái)的上位機(jī)系統(tǒng)改變各通道信號(hào)的頻率、相位、幅值和觸發(fā)時(shí)間。高速顯微立體攝像系統(tǒng)由一臺(tái)CCD相機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡和移動(dòng)平臺(tái)組成，可以用來(lái)觀測(cè)微構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，對(duì)微構(gòu)件進(jìn)行位置標(biāo)定。圖2為超聲換能器陣列分布圖,共有六個(gè)超聲換能器,相鄰超聲換能器的聲束軸夾角為60 。六個(gè)超聲換能器分成兩組，同一時(shí)間只有一組超聲換能器工作，三個(gè)超聲換能器的聲束軸夾角為120 。當(dāng)I號(hào)超聲換能器組(la、lb、Ic)工作時(shí)，Ia超聲換能器發(fā)出的超聲波聲壓為Ib和Ic的10倍，三束同時(shí)發(fā)出的平面超聲波在腔體內(nèi)疊加合成駐波場(chǎng)，駐波場(chǎng)中的聲壓表達(dá)式為本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
利用超聲輻射力和力矩復(fù)合操縱微機(jī)械構(gòu)件的方法，其特征在于：應(yīng)用六個(gè)平面超聲換能器，使其均勻分布在同一平面，相鄰超聲換能器的聲束軸夾角為60?；將六個(gè)超聲換能器分成兩組，每組的三個(gè)超聲換能器的聲束軸夾角為120?，同一時(shí)間只使用一組超聲換能器工作，其中一個(gè)超聲換能器發(fā)出的平面超聲波的聲壓幅值為另外兩個(gè)超聲換能器的10倍；三束平面超聲波疊加合成一個(gè)二維駐波場(chǎng)，微構(gòu)件被超聲輻射力俘獲在聲勢(shì)阱中，通過(guò)快速切換兩組超聲換能器工作，使二維駐波場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，聲勢(shì)阱的位置和取向發(fā)生改變，在超聲輻射力和力矩的共同作用下，微構(gòu)件同時(shí)發(fā)生傳輸和旋轉(zhuǎn)；通過(guò)高速顯微攝像系統(tǒng)對(duì)微構(gòu)件進(jìn)行前后位置標(biāo)定，以及調(diào)整聲壓幅值較小的兩個(gè)超聲換能器的相位，把微構(gòu)件傳輸回到原來(lái)的位置，使微構(gòu)件僅發(fā)生自身旋轉(zhuǎn)，調(diào)整了其姿態(tài)。
【技術(shù)特征摘要】
1.利用超聲輻射力和力矩復(fù)合操縱微機(jī)械構(gòu)件的方法，其特征在于 應(yīng)用六個(gè)平面超聲換能器，使其均勻分布在同一平面，相鄰超聲換能器的聲束軸夾角為60 ;將六個(gè)超聲換能器分成兩組，每組的三個(gè)超聲換能器的聲束軸夾角為120 ，同一時(shí)間只使用一組超聲換能器工作，其中一個(gè)超聲換能器發(fā)出的平面超聲波的聲壓幅值為另外兩個(gè)超聲換能器的10倍；三束平面超聲波疊加合成一個(gè)二維駐波場(chǎng)，微構(gòu)件被超聲福射力俘獲在聲勢(shì)阱中，通過(guò)快速切換兩組超聲換能器工作，使二維駐波場(chǎng)旋轉(zhuǎn)...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳海騰，楊克己，賈坤，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：浙江大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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