[發明專利]利用超聲輻射力拾取、平移固體壁面上微機械構件的方法

無效

• 申請號: 200910099760.1
• 申請日: 2009-06-22
• 公開（公告）號: CN101585509A
• 公開（公告）日: 2009-11-25
• 發明（設計）人: 范宗尉;楊克己
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B81C5/00
• 分類號: B81C5/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司
• 代理人: 林懷禹

技術領域

本發明涉及一種利用超聲輻射力拾取、平移固體壁面上微機械構件的方法。

背景技術

目前，對于微機電系統技術中的微米尺度機械構件的操縱一般采用微夾鉗 在顯微鏡的觀測下進行夾持、平移、旋轉、釋放等操縱?；谖A鉗的微構件 操縱技術的缺點在于一方面夾持力難以實現反饋控制而造成對微構件的損壞， 另一方面由于力的尺度效應夾鉗與微構件之間的靜電力、表面粘附等將超過微 構件本身重力而導致無法將其釋放。為解決接觸式微操縱的不足，目前已發展 出一些專門性的技術手段實現微尺度領域的操縱，如利用靜電力、磁場力、介 電力、激光輻射力等，但這些技術均對微構件的材料特性有某種要求，如靜電 力要去微構件必須是導體，磁場力要求微構件材料具有鐵磁性，介電力要求微 構件有一定的可電極化性，而激光輻射力則要求微構件材料對激光透明?；? 超聲輻射力的微構件操縱技術對于微構件材料幾乎沒有任何限制，只要微構件 材料的可壓縮性或密度與周圍介質存在差異就會產生超聲輻射力，而這一條件 是很容易滿足的。然而，目前基于超聲輻射力的微操縱技術均是針對處于自由 場環境的微構件而提出的，而在微機電技術實際應用中微構件一般位于某一固 體壁面表面上，這就要求首先要將其拾取到一定高度脫離固體壁面的束縛；另 一方面，微機電系統技術中最為成熟且得到廣泛應用的是基于集成電路制造技 術派生發展出來的，而集成電路制造技術一般是平面工藝，因此對于應用這種 工藝制造出的微構件其操縱要求就是使其能在平行于固體壁面的水平面內任意 地移動。

發明內容

為了克服傳統微操縱技術的不足，針對微構件操縱模式的特點，本發明提 出了一種利用超聲輻射力拾取、平移固體壁面上微機械構件的方法，利用豎直 方向超聲輻射力克服微構件重力將其自固壁表面拾取到一定高度，通過控制超 聲換能器之間的相對相位實現微構件在水平面內的任意移動。

本發明采用的技術方案是：

技術方案一：

應用兩個超聲波換能器沿水平和豎直方向合成超聲輻射力場，在豎直方向 輻射力作用下微構件被拾取脫離固體壁面，通過調節二路超聲波的相對相位改 變水平輻射力場使得微構件在水平方向直線平移，微構件直線移動的方向及移 動距離由相位調節量的正負號與絕對值大小控制，二個超聲波換能器由超聲波 信號發生器提供能量，非接觸地對微構件進行拾取與直線平移操縱。

首先移動換能器使兩個超聲換能器輻射聲場的疊加區域覆蓋微構件，同時 開啟超聲波信號發生器電源，微構件在豎直方向輻射力作用下被提起脫離固體 壁面；調節兩路換能器激勵信號的相對相位，微構件在水平面內沿直線左右平 移，其移動距離與方向取決于初相差調節量的絕對值與正負號。

技術方案二：

應用三個超聲波換能器沿水平和豎直方向合成超聲輻射力場，在豎直方向 輻射力作用下微構件被拾取脫離固體壁面，通過調節三路超聲波的相對相位改 變水平輻射力場使得微構件在水平面內平移，微構件水平移動的方向及移動距 離由相位調節量的正負號與絕對值大小控制，三個超聲波換能器由超聲波信號 發生器提供能量，非接觸地對微構件進行拾取與平面平移操縱。

首先在為打開超聲波信號發生器電源的情況下，移動超聲換能器使得微構 件處于三個換能器輻射聲場交叉重疊區域；然后同時打開三路超聲波換能器信 號，在豎直和水平面內合成超聲波輻射力場，微構件在豎直方向輻射力作用下 運動到距固體壁面一定高度的位置且處于穩定平衡狀態；最后，根據微構件操 縱軌跡設計編制三個超聲波換能器相對相位調節控制的程序，由于水平面內超 聲輻射力場的改變微構件被輻射力勢阱梯度力牽引移動，微構件水平移動軌跡 取決于相對相位調節控制程序，可控平移范圍取決與三個超聲波換能器交叉空 間區域的尺寸，平移精度取決于超聲波相位數字化量化單位的大小。

本發明具有的有益效果是：

本發明克服傳統超聲輻射力微操縱技術局限于自由場環境微構件的不足， 應用本發明所闡述的操縱方法首先使得微構件脫離固體壁面處于懸浮狀態，繼 而調節超聲換能器之間的相對相位達到微構件直線、水平面內平移的目標。由 于微機電系統大多數采用平面結構形式，因此本發明闡述的操縱技術可以很好 的滿足微機電系統非接觸拾取、平移微構件的操縱要求，并且如上文所述本發 明所適用的微構件的材料極為廣泛，只要微構件材料的可壓縮性或密度與周圍 介質存在差異就會產生超聲輻射力，而這一條件是很容易滿足的。