[发明专利]基于超声波阵列的声悬浮系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种基于超声波阵列的声悬浮系统及其控制方法，其包括上位机、控制器、FPGA模块、驱动电路和单面超声传感器阵列。通过计算超声阵列的相位，在单面超声传感器阵列上方产生特定的声场将物体悬浮起来，与传统超声驻波悬浮相比，克服了目前超声驻波悬浮的缺点，无需反射元件，不仅大大简化了声悬浮的硬件设备，还使得悬浮物体不需要被声学元件包围，悬浮物体可以在开放空间下进行，在可操控性方面也得到了极大的改善，阵列式悬浮形成的声场可以轻易的完成特定轨迹的移动，从而摆脱了驻波节点的束缚，扩展了声悬浮技术的应用场景，另外整体结构简单，易于实现，利于广泛推广使用，特别适用于非接触式材料加工与运输、生物实验等。

技术领域

本发明涉及基于超声波阵列的声悬浮技术领域，特别涉及一种基于超声波阵列的声悬浮系统及其控制方法。

背景技术

在微电子机械系统、生物医学工程、制药、液滴动力学、凝聚态物理学和无容器材料处理和制备等领域，人们始终在寻找一种能够实现微量液体材料或微小器件的非接触操作的措施。声悬浮技术被证明是可以满足上述要求的方案。在材料制备领域，声悬浮可以提供无容器环境，如晶体生长方面，可以很容易的形成质量较高的单晶；基于深过冷特性，可以制备出组织细化，均匀，高超导性能的材料。在精密电子制造与装配领域，加工和运输零件的要求更高，如在半导体器件制造过程中对与晶圆的传输等精密操作，声悬浮技术可以较好的满足加工运输需求。目前较为成熟的技术是超声驻波悬浮技术，这种超声悬浮是由驻波的声压节点造成的，通过改变对立发射的超声波的相位，控制超声驻波节点的位置，可以实现被操控物体在非接触条件下稳定和准确的移动。现在，超声驻波悬浮技术已经在各领域广泛采用，人们可以通过声悬浮的方法，实现各种金属材料、无机非金属和有机材料的无容器处理，开展液滴动力学、材料科学、分析化学和生物化学等方面的研究。

但超声驻波悬浮技术也存在不足，悬浮目标的上下均有声发射元件，超声驻波悬浮目标时需要使悬浮目标处于被声学元件包围形成的声场中，当需要对需要悬浮目标进行移动等操作时，需要同时移动声学元件。在一些要求较高的场合中，繁杂的悬浮装置不能够满足实验或生产的要求，因此超声驻波悬浮技术的应用范围受到限制。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，使用单面超声阵列就可以实现超声悬浮与操控的基于超声波阵列的声悬浮系统。

本发明的目的还在于，提供一种操作方便，控制效果好的基于超声波阵列的声悬浮控制方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

一种基于超声波阵列的声悬浮系统，其包括上位机、控制器、FPGA模块、驱动电路和单面超声传感器阵列。其中上位机用于根据预设的悬浮目标的大小和位置，计算出单面超声传感器阵列所需的相位信息，并将相位信息发给控制器；

控制器用于接收相位信息，并将该相位信息分发给各个FPGA模块；

FPGA模块用于根据收到的相位信息，从各个引脚发出相位不同的方波信号；

驱动电路用于将FPGA模块引脚发出的方波信号进行功率放大，并输出到单面超声传感器阵列；

单面超声传感器阵列用于发出相位不同的超声波，在单面超声传感器阵列上方形成特定的声场，悬浮目标在悬浮点受到的声辐射力最小，实现悬浮在特定的位置。

一种基于超声波阵列的声悬浮控制方法，其包括以下步骤：

(1)启动上位机，根据预设的悬浮目标的大小和位置，通过上位机计算出单面超声传感器阵列所需的相位信息，并将相位信息发给控制器；

(2)控制器将相位信息分发给各个FPGA模块；；

(3)FPGA模块根据收到的相位信息，从各个引脚发出相位不同的方波信号；