[发明专利]利用超声辐射力和力矩复合操纵微机械构件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机械构件操纵方法，尤其是一种利用超声辐射力和力矩复合操纵微机械构件的方法。 

背景技术

微机电系统作为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术，随着其研究对象尺度的微型化、制造技术追求高深宽比的三维化以及制造工艺和材料的多样化带来越来越多的挑战，微装配技术更加体现出其重要性和迫切性。微操纵技术是微装配的核心和基础，不同微操纵模式将直接决定微装配技术的性能及其应用范围。因此，在微装配技术发展的进程中必须优先解决微操纵方法的突破。 

目前的微操纵技术研究主要包括两个方面：接触式和非接触式。接触式微操纵技术有利用具有微进给能力的压电陶瓷构成微型镊子或吸管，在显微镜的观测下进行抓取、平移、旋转和释放等操纵，还有利用利用力的尺寸效应（如粘附力、静电力等）发展一些新型微操纵技术。接触式操纵微构件，对微构件造成损伤是不可避免的，而且由于空间尺寸的限制，以及微构件和操纵机构之间存在粘附力、静电力等作用，可控性和有效性难以保证。非接触式微操纵技术不存在空间尺寸的约束，也不受表面力的影响，不会对微构件造成损伤，应该是微装配和微操纵技术的发展主体。激光操纵技术由于其无损和非接触的特点在微机电系统中具有广阔的应用前景，但该技术只能对透光微构件进行操纵，而难以应用于金属等非透光材料。超声波具有强大的穿透能力，对微构件的材料几乎没有限制，在生物组织、细胞的分拣、俘获和悬浮方面已证实了较好的非接触式操纵潜力，并且发射超声波的压电陶瓷还易于微型化。 

然而，目前的微构件操纵技术都是基于超声辐射力的，只能同时实现微构件的俘获和平移或者俘获和绕声轴旋转，而不能同时实现微构件的俘获、传输和旋转，以及使微构件绕自身旋转以调整其姿态。 

  

发明内容

为了克服现有微操纵技术在微构件操纵模式上的不足，完善超声辐射力和力矩在微构件操纵上的应用，本发明提出了一种利用超声辐射力和力矩复合操纵微构件的方法，应用六个超声换能器，分成两组，利用其中一组超声换能器发出平面超声波合成驻波场，微构件俘获在声势阱中，通过快速切换两组超声换能器工作，使驻波场旋转，在超声辐射力和力矩的共同作用下，微构件同时发生传输和旋转。通过高速显微摄像系统的位置标定和调整超声换能器的相位，使微构件传输回到原来的位置，而仅发生自身旋转，以实现微构件自身姿态的调整。连续快速切换两组超声换能器工作，可同时实现微构件的连续传输和旋转，连续改变微构件的空间位置。 

本发明采用的技术方案是： 

利用超声辐射力和力矩复合操纵微机械构件的方法：应用六个平面超声换能器，使其均匀分布在同一平面，相邻超声换能器的声束轴夹角为60?。将六个超声换能器分成两组，每组的三个超声换能器的声束轴夹角为120?，同一时间只使用一组超声换能器工作，其中一个超声换能器发出的平面超声波的声压幅值为另外两个超声换能器的10倍。三束平面超声波叠加合成一个二维驻波场，微构件被超声辐射力俘获在声势阱中，通过快速切换两组超声换能器工作，使二维驻波场旋转，声势阱的位置和取向发生改变，在超声辐射力和力矩的共同作用下，微构件同时发生传输和旋转。通过高速显微摄像系统对微构件进行前后位置标定，以及调整声压幅值较小的两个超声换能器的相位，把微构件传输回到原来的位置，使微构件仅发生自身旋转，调整了其姿态。也可以连续快速切换两组超声换能器工作，在超声辐射力和力矩的共同作用下，同时实现微构件的连续传输和旋转，连续改变微构件的空间位置。

本发明具有的有益效果是： 

本发明首次提出了一种利用超声辐射力和力矩复合操纵微构件的解决方法，相对于现有操纵方法局限于俘获和平移或者俘获和绕声轴旋转，同时实现了微构件的俘获、传输和旋转，以及微构件绕自身旋转以调整其姿态。

本发明可在复杂精细的微机电系统制造与装配、细胞生物工程等高科技领域发挥较大的作用。 

附图说明

图1是本发明用于复合操纵微构件的系统结构图； 

图2是本发明用于复合操纵微构件的超声换能器阵列分布图；

图3是二维驻波场中的声压和超声辐射力分布图；

图4是二维驻波场中微构件超声辐射力矩分布图；

图5是复合操纵微构件的效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。