CN101602482B - 一种利用超声辐射力三维俘获、旋转微机械构件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用超声辐射力三维俘获、旋转微机械构件的方法。应用四个超声波换能器合成具有螺旋形波阵面的波束，将此波束与共轴对置的一个超声波换能器的辐射波束干涉叠加，干涉声场具有三维俘获微机械构件的能力，通过调节超声波换能器相位圆周方向超声辐射力势阱的方向角发生改变，从而驱动微机械构件绕轴旋转。本发明相对于传统操纵策略局限于位置操纵增加了角度控制这一重要功能，且其旋转方向与角度大小均是可控的。对于需要非接触地实现微机械构件操纵的场合发挥了较大的作用，此方法可应用于微机电系统制造与装配、生物医学工程等高科技领域。

Description

一种利用超声辐射力三维俘获、旋转微机械构件的方法

技术领域

本发明涉及一种利用超声辐射力三维俘获、旋转微机械构件的方法。

背景技术

目前，对于微机电系统技术中的微米尺度机械构件(一般指1微米到100微米尺寸的微型机械构件)的操纵一般采用微夹钳在显微镜的观测下进行夹持、平移、旋转、释放等操纵。基于微夹钳的微构件操纵技术的缺点在于一方面夹持力难以实现反馈控制而造成对微构件的损坏，另一方面由于力的尺度效应夹钳与微构件之间的静电力、表面粘附等将超过微构件本身重力而导致无法将其释放。为解决接触式微操纵的不足，目前已发展出一些专门性的技术手段实现微尺度领域的操纵，如利用静电力、磁场力、介电力、激光辐射力等，但这些技术均对微构件的材料特性有某种要求，如静电力要去微构件必须是导体，磁场力要求微构件材料具有铁磁性，介电力要求微构件有一定的可电极化性，而激光辐射力则要求微构件材料对激光透明。基于超声辐射力的微构件操纵技术对于微构件材料几乎没有任何限制，只要微构件材料的可压缩性或密度与周围介质存在差异就会产生超声辐射力，而这一条件是很容易满足的。然而，目前基于超声辐射力的微构件操纵技术只能满足夹持、平移两种操纵要求，对于微构件旋转操纵尚未解决，尽管已提出应用扩音器合成拉盖尔波束驱动被控物体旋转的方法，但其可控对象局限于吸声材料，更重要的是此方法无法解决在俘获的同时驱动物体旋转这一普遍情况的要求。

发明内容

为了克服传统微操纵技术的不足，针对微构件操纵模式的特点，本发明的目的在于提供一种三维俘获微构件并驱动其绕轴旋转的操纵方法，利用合成高斯-拉盖尔波束与反向传播的平面波干涉叠加声场，产生对微构件的三维俘获作用，通过调节平面波相位改变超声辐射力周向势阱方向角驱动微构件绕轴旋转。

本发明采用的技术方案是：

应用四个相同的平面四分之一圆扇形超声波换能器拼合成一个整圆，控制四个换能器驱动信号的初相位使其依次相差90°，此时四个超声波换能器的合成声场具有螺旋形波阵面，在通过圆心且垂直于圆面所在平面的轴线上布置另一个平面圆形超声波换能器，且其辐射声波传播方向与前述四个换能器传播方向相反，位于四个并列放置的换能器与反向传播换能器干涉叠加声场内的微构件被超声辐射力场俘获；通过调节反向传播换能器的初相位，辐射力势阱的周向方位角发生改变，驱动微构件绕轴旋转。

本发明具有的有益效果是：

本发明首次为在三维俘获定位的同时驱动微构件旋转提出了一种解决方案，相对于传统操纵策略局限于位置操纵增加了角度控制这一重要功能，且其旋转方向与角度大小均是可控的。

本发明对于需要非接触地实现微机械构件操纵的场合发挥了较大的作用，此方法可应用于微机电系统制造与装配、生物医学工程等高科技领域。

附图说明

图1是本发明用于三维俘获微构件并驱动其绕轴旋转的超声波换能器布置图。

图2是

超声辐射力势函数等值线分布。

图3是超声辐射力势函数等值线分布。

图4是

超声辐射力势函数等值线分布。

图5是

超声辐射力势函数等值线分布。

图6是

超声辐射力势函数等值线分布。

图中：1、2、3、4、5.超声波换能器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明应用四个相同的平面四分之一圆扇形超声波换能器拼合成一个整圆，控制四个换能器驱动信号的初相位使其依次相差90°，此时四个超声波换能器的合成声场具有螺旋形波阵面，在通过圆心且垂直于圆面所在平面的轴线上布置另一个平面圆形超声波换能器，且其辐射声波传播方向与前述四个换能器传播方向相反，位于四个并列放置的换能器与反向传播换能器干涉叠加声场内的微构件被超声辐射力场俘获；通过调节反向传播换能器的初相位，辐射力势阱的周向方位角发生改变，驱动微构件绕轴旋转。

以下结合如图2～图6所示，对三维俘获微构件并驱动其绕轴旋转的原理及流程进行描述。

将一束具有轨道角动量的高斯-拉盖尔波束与一束反向同频率的平面波束干涉叠加。四个依次相差90°的换能器合成声场为(1，0)模式高斯-拉盖尔波束，

$p_{\left(\mathrm{1,0}\right)}(r,\mathrm{\θ},z;t)=A_{\left(\mathrm{1,0}\right)}{[1+{\left(\frac{z}{z_R}\right)}^2]}^{-1/2}{e}^{-{(r/w)}^2}{e}^{{\mathrm{ikr}}^2/2R}{e}^{-\mathrm{i\Ψ}}{e}^{-\mathrm{i\θ}}(\sqrt{2}r/w)L_0^1({2r}^2/w^2)e^{-\mathrm{ikz}}{e}^{\mathrm{i\ωt}};---\left(1\right)$

式中，r、θ、z分别为图1所示圆柱坐标系的极径、极角、轴向坐标，A_(m，n)为幅值常数， $z_R=\mathrm{\π}{w}_0^2/\mathrm{\λ}$ 为近场距离(w₀为束腰直径，λ为声波长)，Ψ＝2为广义Guoy相移， $w=\sqrt{2(z^2+z_R^2)/{\mathrm{kz}}_R}$ 为局部束腰直径， $R=(z_R^2+z^2)/z,$ k＝2π/λ为角波数，L₀ ¹(·)为(1，0)模式伴随拉盖尔多项式。

反向平面波束表达式为：

式中，A为幅值常数，

为初相角，其它符号与式(1)相同。

合成超声波辐射力场具有三维俘获微构件的能力。在以声束声轴为回转轴的圆柱坐标系中，超声辐射力势阱的声轴方向、半径方向的坐标与平面波束初相角

无关，而势阱的方向角坐标与初相角

相关。因此，通过控制反向平面波束的初相角

，即可实现微构件非接触绕轴回转运动；其回转的方向与大小分别取决于初相角

调节量的正负性和绝对值。

向量形式的超声辐射力F_radiation可以变换为标量形式的辐射力势函数U_radiation加以研究，两者之间的定量关系为

$F_{\mathrm{radiation}}=-\▿U_{\mathrm{radiation}}.---\left(3\right)$

式中，

为梯度算子。由式(3)可知超声辐射力F_radiation的势阱位置等价于超声辐射力势函数U_radiation的局部极小点。

图2～图6反映了(1，0)模式高斯-拉盖尔波束与反向平面波束合成声场中辐射力的标量势函数的等值线分布随反向平面波初相角

增加而逆时针旋转的情况，图中等值曲线上所标数值表示该曲线上所有点相同的辐射力势函数U_radiation的值。图2中，超声辐射力势函数最小值0.702所对应的等值线形成封闭区域，构成能够俘获微构件的辐射力势阱；这一势阱在图1所示圆柱坐标系中的方向角坐标取决于反向传播平面波的初相角，因此通过增加或减小

并控制改变量的大小，势阱方向角坐标发生旋转，微构件在势阱梯度力作用下跟随其发生相应旋转。图3中，反向平面波换能器的初相角增加90°，超声辐射力势函数最小值0.702所对应等值线形成的封闭区域逆时针旋转90°，微构件在辐射力作用下旋转90°；图4～图6依次较前一幅图的反向平面波换能器初相角增加90°，辐射力势阱周向方向角逆时针旋转90°。

本发明的操纵过程：

首先移动换能器使超声换能器辐射声场的叠加区域覆盖微构件，同时开启超声波信号发生器电源，微构件在图1所示圆柱坐标系中首先被俘获于垂直于z轴的某一横截面上内，进一步由于辐射力势阱在截面内分布于以z轴为中心的圆环上某一方位角上，因此微构件的三个空间自由度均被俘获；调节反向平面圆形换能器激励信号的相位，微构件绕z轴旋转，其旋转方向与角度由相位调节量的正负号与绝对值大小控制。

Claims (1)

1.一种利用超声辐射力三维俘获、旋转微机械构件的方法，应用四个相同的平面四分之一圆扇形超声波换能器拼合成一个整圆，控制四个换能器驱动信号的初相位使其依次相差90°，此时四个超声波换能器的合成声场具有螺旋形波阵面；其特征在于：在通过圆心且垂直于圆面所在平面的轴线上布置另一个平面圆形超声波换能器，且其辐射声波传播方向与前述四个换能器传播方向相反，位于四个并列放置的换能器与反向传播换能器干涉叠加声场内的微构件被超声辐射力场俘获；通过调节反向传播换能器的初相位，辐射力势阱的周向方位角发生改变，驱动微构件绕轴旋转。

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