[发明专利]近场超声波悬浮力的精确定量计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及先进电子制造领域，更具体的说，涉及一种基于近场超声的非接触支撑技术领域的定量计算方法，可用于非接触式超声悬浮系统和传输定位系统的建模、设计和优化。

背景技术

在半导体制造与微机电系统（MEMS）技术领域，对晶圆的输送与精密定位、微小MEMS零件的装配与操作等精密作业单元提出更高的要求。如在晶圆的抛光和光刻等工艺过程中，晶圆需要被转移、缓存与精密定位等。晶圆表面具有极强的机械表面灵敏性，其厚度在0.5~2mm之间，在其传输与精密定位过程中，由于机械接触、夹持和吸附会划伤晶圆表面，同时传输过程中的接触，容易产生微小颗粒，破坏工作空间的洁净度。实现悬浮技术的物理方法有很多，如气动悬浮、磁悬浮(电磁、电动和静电)、光悬浮、声悬浮等。气动悬浮的横向稳定性较差，实现其悬浮原理，机构比较复杂，还需要不间断地供应压缩空气。磁悬浮可以实现较大的悬浮力与悬浮推进力，定位精度较高，但该原理只适合导体材料。光悬浮只限于对微小器件的操作，产生的悬浮力只有几个纳牛顿，被操作物体的大小在几微米的范围内。而超声悬浮原理具有较大的悬浮力，而且适合各种材料（导体材料、非导体材料、磁性材料、非磁性材料）的悬浮操作。针对在半导体制造与MEMS装配领域中出现的传输与定位的问题，近场超声悬浮( Near-field acoustic levitation 简称 NFAL)结合超声马达技术，提出了一种无接触式输送与精密悬浮定位的机电一体化单元。

近场超声悬浮技术应用在电子制造和MEMS领域中需要满足输送稳定性、驱动及反馈控制、换能器匹配等问题以及定位精度的要求。因此，声悬浮力的定量计算模型对整个机电一体化单元的设计与应用起至关重要的作用。

目前对超声悬浮的描述大多处于基于声场的描述和定性的分析，对声悬浮形成的挤压气膜动力学特性作了大量的近似简化，同时忽略了气膜内高阶的非线性效应对悬浮力的影响，从而大大的降低了模型的精确度，只能作为定性分析工具，而不能应用于定量的系统设计和优化中。

经过对现有技术文献的检索发现，中国申请号为200710300721.4，公开号为CN101285702A，名称为“超声悬浮场可视化测量方法及其测量系统”的发明中，采用的技术方案是用激光穿过超声场发生干涉，用于大体积流场的实时测量，具有无扰测量的优点。但是该方法仅能描述声波的分布，缺乏振动-声场-悬浮力的相应映射模型，因此无法定量得出悬浮力的大小。另外，由于该方法适用于较大体积流场产生的驻波超声场，对于近场超声所在的气体薄膜内的声场分布并不能有效地测量。

发明内容：

本发明针对上述现有技术中存在的缺陷，提供一种近场超声波悬浮力的精确定量计算方法，将形成声场的挤压气膜进行建模，得出悬浮力与气膜运动、声场分布、压力场分布的映射关系，进而建立气膜的高阶非线性偏微分方程，及其精确求解差分格式，得出在任意振形分布下产生的悬浮力。本发明将振动盘的振形分布作为挤压气膜的动态边界考虑进挤压气膜的模型，并且运用高精度差分格式对该非线性偏微分方程进行数值求解，大大提高了模型的精度和描述系统特性的能力，从而指导近场超声悬浮的研究与设计优化。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

近场超声波悬浮力的精确定量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：

确定超声发生装置中的超声换能器以及超声辐射振动盘的尺寸，建立有限元动力学模型，并对该模型进行模态分析，得到共振频率及振形，在所得阵型中，确定适合超声换能器驱动的频率作为实际驱动频率；

步骤二：

根据步骤一所确定的驱动频率，对超声装置进行谐响应分析，得出其工作时位移的分布及随时间的变化，得到挤压气膜运动边界的动态响应                                                是一个随半径r和时间t变化的量，体现了超声辐射过程中振动盘的弯曲模态和周期振动的特性；

步骤三：

建立考虑气体惯量的挤压气膜动力学模型，并确定模型参数。根据步骤二进一步得出声辐射表面的振动位移分布随时间的变化，将其作为动力学方程的时变边界条件；

步骤四：

根据步骤三得出的动力学方程的非线性和高阶效应，以及高精度差分格式，得出具体求解格式；

步骤五：

根据步骤四建立的差分格式求解非线性偏微分方程，得出声辐射表面气压分布以及悬浮力大小。

所述超声换能器是压电陶瓷换能器。