专利名称：微构件的二维平移遥操纵方法
技术领域：
本发明属于微系统领域，更具体地，涉及对微米至纳米尺度下微构件的遥操纵技术。
背景技术：
微系统技术(Micro-System Technology)作为在微观领域认识和改造客观世界的一种技术，特别是随着从单元器件生产向集成的混合系统发展，微构件的操纵和装配技术更体现出其重要性和迫切性。因此，探索新的理论和机理来发展这种技术是微系统技术领域内一个基础性的关键研究课题。
目前，微构件操纵技术的机理主要包括第一类是将宏观装配中的操纵技术延伸到微观领域应用，如微型镊子，微吸管等。此类技术与宏观领域的镊子和吸管具有相同的原理，仅是尺寸微型化、动作更加精确；由于宏观领域的成功经验和人类惯于类推的思维模式，这方面的研究开展较早，并已取得一些实用化成果。
第二类是采用力的尺寸效应发展新型的微构件操纵技术。如采用液体粘附力、静电力等作操纵力。由于尺寸效应，微观领域表面力相对体力成为主导作用力，目前这些操纵力的可控性还处于研究阶段。
这两类都是接触型操纵技术，由于微操纵过程的空间尺寸限制，以及微构件和操纵机构之间存在微观粘附现象，再加上这些力的可控性还远未得到解决，造成仅对微构件在抓取后如何释放就已成为十分棘手的技术难题。
第三类是应用辐射力场实施微构件的非接触遥操纵。如采用激光光镊实现微生物、染色体、细胞的移动、旋转及空间定位等非接触操纵。这种技术采用非接触遥操纵方式，不存在空间尺寸的约束，也没有接触引起的表面力的影响。因此，考虑到微系统技术的特点，一种微构件无损、非接触遥操纵技术，应该是当前研究和发展的主要方向。
1986年，Bell实验室的一位学者Ashikin把单束高斯激光引入高数值孔径物镜形成三维光学势阱，并证明了这种光阱可以无损伤的操纵活体物质。当光束的入射角足够大时，在垂直于光的传播方向和沿着光的传播方向上都能形成强的梯度场，粒子受到的垂直于光束传播方向的横向梯度力能使粒子向光轴方向聚拢，沿着光束传播方向的纵向梯度力的作用使粒子趋向光束焦点运动，把粒子拉到中心焦点。这就是单光束梯度力光阱。激光操纵技术已广泛应用在细胞、亚细胞层次以及生物大分子层次的生物学研究领域，还可以实现胶体微粒、液滴的非接触操纵。
但这种方式也有其固有的缺陷，如它不适用于金属或光折射系数较小的微构件的操纵；在非透光操纵环境下则激光操纵完全失去其能力；由于光势阱(optical potential wel1)宽度限制，激光操纵不适于需要连续操纵场合等。
类似于光辐射压，超声波也以声辐射力(acoustic radiationforce)的形式表现出其力学特性，在生物组织、细胞的分拣、俘获和声悬浮方面已证实了有较好的非接触操纵潜力，并且超声波具备激光所没有的穿透能力及其丰富的内容，作为发射超声波的压电陶瓷还易于微型化 因此，利用超声波作为能量传递、传输手段，发展一种声操纵技术，应用于微构件的无损、非接触遥操纵，必将有其自身的技术优势，并有同激光俘获操纵技术形成互补之效果。
现有的专利申请情况，有申请号200410044194.1和200510028687.0的两项发明专利申请，都涉及超声操纵技术。目前的理论研究和实际应用未能突破微小球体的限制，都是假设物体在围绕平衡位置振动前提下，给出以多重积分为形式、针对浮动球形边界的广义声辐射力理论表达式，从而在应用上主要根据俘获、悬浮和分拣等功能来展开，至于针对微构件操纵和微机电系统集成装配为背景的理论和应用研究还少有涉足，究其原因关键在于任意形状微构件的声波背散射特性十分复杂，难以达到对作用其上的辐射力大小和方向进行有效地控制。而同微机电系统集成化相关的微装配和微操纵技术，针对的微构件对象形状多样，牵涉分拣、抓取、传输、位姿调整、定位和组装等多种功能。可见，微构件不仅可能围绕平衡位置振动，而且也可能突破平衡位置以不同的速度和方式进行自由运动，对于后者，现有的理论和应用方法就难以适用。因此，有必要为在微机电系统领域内成功地实施，超声操纵技术必须根据微构件的材料、形状、尺寸、运动状况以及操纵环境等特点，从同声波之间的作用机理入手开展研究，率先在声波辐射力和力矩可控性方面寻求突破。以此为基础，不仅能完成微构件操纵的应用，而且还有望在微量力、微刚度等微力学量的无损、非接触检测和超声非接触驱动等方面具有广阔的应用空间。
发明内容
本发明的目的正是要提供一种适用范围更广的，基于超声波辐射力的微构件的二维平移操纵方法。
发明人通过大量的实验发现，3个相同频率的超声换能器产生的超声波束在相交区域干涉生成一个二维驻波声场。根据超声辐射力计算理论，微构件受到声辐射力作用被俘获在声压节点处。通过改变各换能器激励电信号的相位使得声压节点的空间分布产生相应的移动，从而导致微构件的平移运动；因此通过控制换能器间同步相位调整的相互关系，即可实现微构件的二维平移。
3束超声波在空间某点r处的声压分别为p1＝cos(ωt-k1·r+1)，p2＝cos(ωt-k2·r+2)， p3＝cos(ωt-k3·r+3)，式中k1、 k2、k3分别为3束超声波的波矢，φ1、φ2、φ3，分别为3束超声波的初相角，三束超声波相交区域某点r处的合声压为 。根据声压节点定义，节点处合声压恒等于零，这等价于三束声波的标量声压所对应的以超声波角频率ω旋转的3个旋转矢量在任意时刻的矢量和为零，即三个旋转矢量模数相等、首尾相连构成一个封闭的等边三角形。声压节点的坐标应满足以下两组方程中的一个 或 式I定义kij=ki-kj3·2πλ,]]> (i，j＝1，2，3)，以上两组方程化为 或
(n1、n2、m1、m2为任意整数)式II第i个超声换能器的相位瞬时改变Δi，则声压节点沿第i个声束的声轴移动 基于以上的实验和理论分析，本发明采用了如下的技术方案基于超声波辐射力的微构件的二维平移遥操纵方法，以超声换能器为动力源，其特征在于超声换能器为三个，呈等边三角形排列，任意两个超声换能器之间的距离为50-200mm，每个超声换能器的辐射波宽度为10-40mm，三束超声波的辐射宽度所构成的区域为微构件的移动区域；声波频率在1.5-2.0Khz，且三束超声波的频率相同；将设定的微构件的运动路径分解为若干沿二维坐标的位移，通过二维平面曲线的插补算法计算出每一步的步进量值(Δx，Δy)，用下式IV计算任意两个换能器波束的相位改变值，改变任意两个波束的相位，使微构件发生平移；如此反复多次，从而令微构件按设定的路径完成平移。
式IV根据前述的式II，可得到波束相位调整值对微构件的位置改变关系如式III，从而可导出式IV 式III式IV本发明的方法可以不受微构件的形状和光学特性的限制，通过非接触的方式实现其二维平移，经过实验，可控制的操纵范围大于5mm*5mm。操纵精度小于0.5μm可以实现发明目的， 并在微系统领域得到工业化的应用。
图1为本发明中超声换能器的几何布置示意图。
图2为合成驻波声场声压节点的空间分布示意图。
具体实施例方式
本实施例采用三个等边三角形排列的超声换能器T1，T2，T3，三个换能器的辐射功率均为35w，频率均为1.75MHz，波束半径均为10mm，辐射的连续正弦波形超声波束在相交区域干涉构成二维驻波声场，3束超声波的声轴在同一平面内、夹角为120°，3条声轴的交点到换能器表面的垂直距离为86.6mm，在Rayleigh距离(活塞换能器近场距离)以内，即应用近场段并可用平面行波描述。
3束超声波在空间某点r处的声压分别为p1＝cos(ωt-k1·r+1)，p2＝cos(ωt-k2·r+2)，p3＝cos(ωt-k3·r+3)，式中k1、k2、k3分别为3束超声波的波矢，φ1、φ2、φ3分别为3束超声波的初相角，三束超声波相交区域某点r处的合声压为 根据声压节点定义，节点处合声压恒等于零，这等价于三束声波的标量声压所对应的以超声波角频率ω旋转的3个旋转矢量在任意时刻的矢量和为零，即三个旋转矢量模数相等、首尾相连构成一个封闭的等边三角形。根据前述式I、式II的计算结果，声压节点的空间分布如图2所示，可见声压节点是呈正六边形分布的。
本实施例的移动目的是将一微构件从二维坐标(0，0)处平移至(10μm，20μm)处，由于换能器的电激励信号被离散为1024等分，因此最小相位调整置为 的整数倍。为此，根据前述式IV，计算得出 据此，改变T1和T2的相位，观测发现，微构件平移至(9.87μm，19.82μm)处。
权利要求
1.微构件的二维平移遥操纵方法，以超声换能器为动力源，其特征在于超声换能器为三个，呈等边三角形排列，任意两个超声换能器之间的距离为50-200mm，每个超声换能器的辐射波宽度为10-40mm，三束超声波的辐射宽度所构成的区域为微构件的移动区域；声波频率在1.5-2.0Khz，且三束超声波的频率相同；将设定的微构件的运动路径分解为若干沿二维坐标的位移，通过二维平面曲线的插补算法计算出每一步的步进量值(Δx，Δy)，用下式IV计算任意两个换能器波束的相位改变值，改变任意两个波束的相位，使微构件发生平移；如此反复多次，从而令微构件按设定的路径完成平移。 式IV
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于两个超声换能器之间的距离为150mm，超声换能器的辐射波宽度为20mm，声波频率为1.75Khz。
全文摘要
本发明提出了一种微构件的二维平移遥操纵方法，它是基于超声辐射力，以超声换能器为动力源，将设定的微构件的运动路径分解为若干沿二维坐标的位移，通过二维平面曲线的插补算法计算出每一步的步进量值(Δx，Δy)，以特定公式计算换能器波束的相位改变值，改变波束的相位，使微构件发生平移；如此反复多次，从而令微构件按设定的路径完成平移。本发明的方法可以不受微构件的形状和光学特性的限制，通过非接触的方式实现其二维平移，经过实验，可控制的操纵范围大于5mm*5mm，操纵精度小于0.5μm。
文档编号H02N2/00GK101022253SQ20061015527
公开日2007年8月22日 申请日期2006年12月18日 优先权日2006年12月18日
发明者范宗尉, 杨克己, 傅建中, 陈子辰 申请人:浙江大学