超聲懸浮傳輸及駐波-行波混合驅動技術

在先進製造領域，精密零件的製造和封裝等過程不僅(jin) 對環境要求高，零件的轉運也是保證質量的關(guan) 鍵環節。針對大尺寸超薄玻璃基板，探索一種非接觸、無汙染、微重力的懸浮傳(chuan) 輸技術的理論支撐基礎是目前亟待解決(jue) 的問題。

在各種非接觸傳(chuan) 輸技術中，超聲懸浮傳(chuan) 輸的優(you) 勢應運而生。本文總結了不同傳(chuan) 輸方式對被傳(chuan) 輸物體(ti) 的體(ti) 積、傳(chuan) 輸的範圍及速度的限製，分析了駐波-行波混合驅動進行超聲懸浮傳(chuan) 輸可能存在的問題，展望了聲懸浮傳(chuan) 輸的應用前景。

聲懸浮現象是高聲強聲場中的一種非線性現象。

在駐波聲場中，可以通過聲輻射壓力將懸浮目標捕獲在聲場平衡位置。

對被懸浮物傳(chuan) 輸時，可以通過主動調製諧振腔中聲壓分布，實現駐波聲場中勢阱點的位置轉移，從(cong) 而在聲場作用下實現粒子懸浮傳(chuan) 輸。

聲懸浮技術具有以下優(you) 點：良好的生物相容性；水平聲壓梯度產(chan) 生的水平穩定性；對被懸浮物體(ti) 沒有特定屬性、特定形狀要求等性質。

超聲懸浮傳(chuan) 輸技術按聲波傳(chuan) 播方式分為(wei) 駐波懸浮傳(chuan) 輸和行波懸浮傳(chuan) 輸。

目前，聲懸浮傳(chuan) 輸/操縱的方法按照聲場的種類可以分為(wei) 駐波調節、換能器陣列和行波驅動等方式。

基於(yu) 單軸式裝置駐波節點

調節的小物體(ti) 懸浮傳(chuan) 輸

駐波懸浮時，聲波在對稱的諧振腔中反複疊加形成駐波聲場，物體(ti) 懸浮在聲壓節點附近。

因此，可以控製頻率、諧振腔長度和相位改變聲壓節點位置，在駐波懸浮的基礎上進行傳(chuan) 輸。

Kozuka等使用線聚焦懸浮裝置，通過調整聲源頻率和對換能器輸出麵的分區驅動，實現了氧化鋁小球的二維移動。

另一工作通過改變諧振腔長度的方式移動聲壓節點，使用單換能器實現了小液滴的超聲駐波傳(chuan) 輸。

此外，若通過調整相位的方式，可以獲得更為(wei) 連續穩定的一維懸浮傳(chuan) 輸能力。

Matsui等在1995年即采用對置式換能器裝置，對聲源相位差與(yu) 懸浮位置和聲輻射力的關(guan) 係進行了實驗研究。

為(wei) 了擴大傳(chuan) 輸範圍，增加聲場的多樣性，除了調製聲場本身的參數，還可以設計不同形式的諧振腔。

有研究人員研製了非軸對稱超聲懸浮裝置，對交叉的聲束形成的聲場聲壓分布進行了計算和仿真，並實現聚苯乙烯小球的正弦型和橢圓型軌跡傳(chuan) 輸，發現調相的方法傳(chuan) 輸範圍更大，傳(chuan) 輸過程更平穩。

另一項工作中研製的二維軸線交叉裝置，實現了懸浮物水平方向直線傳(chuan) 輸12 mm，且矩陣法計算聲場的數值計算結果與(yu) 實驗相符。

可見，采用調節2個(ge) 換能器的激勵相位差和幅值的方法，可以實現小物體(ti) 的連續超聲駐波懸浮傳(chuan) 輸。

基於(yu) 換能器陣聲場調製的

物體(ti) 懸浮傳(chuan) 輸

為(wei) 實現長距離和大範圍的懸浮傳(chuan) 輸，可以將多個(ge) 單軸式的裝置組合起來，形成換能器陣列。

有研究團隊搭建了由24個(ge) 壓電換能器組成的環形壓電換能器陣，該裝置通過切換電極片間的輸入信號，旋轉激勵平麵與(yu) 反射麵間的駐波聲場，在直徑為(wei) 30 mm的激勵平麵上實現了7.5°的移動精度，完成了聚苯乙烯小球圓形懸浮運動。

環形壓電換能器陣/環形懸浮傳(chuan) 輸實物照片

在此基礎上，研究團隊將此裝置與(yu) 直線傳(chuan) 輸裝置結合，進行被傳(chuan) 輸物體(ti) 的彈出與(yu) 捕獲，實現了曲線與(yu) 直線傳(chuan) 輸軌跡的轉換。

環形壓電換能器陣/環形懸浮傳(chuan) 輸原理示意

另一種由多個(ge) 15 mm×15 mm換能器組成的陣列（LPT），通過控製相鄰換能器的振幅，使直徑1.5 mm的懸浮液滴在陣元之間平滑地移動與(yu) 融合。

團隊同時研究了液滴間懸浮混合、固液間懸浮混合、細胞DNA轉染等技術，證實該裝置也能實現細長型物體(ti) 的傳(chuan) 輸。

LPT陣液滴懸浮傳(chuan) 輸

在此基礎上，研究團隊換用彈性反射麵，利用聲壓引起的反射麵變形增強聲場強度，實現了直徑5 mm，重5 g的鋼球懸浮傳(chuan) 輸。

鋼球懸浮傳(chuan) 輸

Dong等使用類似的技術，實現了聚苯乙烯小球的多層懸浮傳(chuan) 輸。

換能器陣列也能夠實現三維傳(chuan) 輸，Hoshi和Ochia等利用相控陣聚焦技術，使用三維換能器陣式懸浮裝置，可在空間任意位置產(chan) 生駐波，實現直徑為(wei) 0.6 mm的多個(ge) 聚苯乙烯的三維位置改變。

該裝置可以懸浮起最大密度為(wei) 5 g/cm3的物體(ti) 組成圖形，並應用於(yu) 毫米級物體(ti) 的模擬。

綜上所述，利用多個(ge) 換能器組成的換能器陣，調節相鄰陣元間的激勵相位差和幅值，可以實現小物體(ti) 的連續超聲駐波懸浮傳(chuan) 輸。

基於(yu) 行波驅動的物體(ti) 懸浮傳(chuan) 輸

駐波懸浮傳(chuan) 輸時，被捕獲在節點的物體(ti) 隨節點位置的移動而移動，隻能傳(chuan) 輸球形且尺寸小於(yu) 波長的物體(ti) ，且限製了傳(chuan) 輸速度與(yu) 傳(chuan) 輸距離。

行波懸浮傳(chuan) 輸依靠行波在振動彈性體(ti) 內(nei) 的傳(chuan) 播，推動被懸浮物移動，可以突破駐波懸浮傳(chuan) 輸對被懸浮物體(ti) 尺寸、移動範圍和移動速度的限製。

Hashimoto采用行波傳(chuan) 輸，實現了基於(yu) 行波驅動的大物體(ti) 、快速、長距離超聲懸浮傳(chuan) 輸。

該長距離超聲懸浮傳(chuan) 輸采用2個(ge) 換能器“激振-吸振"模式，其中一個(ge) 換能器吸振，在振動平麵上形成行波。當吸振換能器接入的匹配電路參數調製合適時，可獲得純行波。

他們(men) 還改進了振動彈性體(ti) 的橫截麵形態，從(cong) 而增強了傳(chuan) 輸的橫向穩定性。

在實際應用中需要引入額外的測量和控製方法，對匹配電路的參數進行實時調整，導致這種方法的實用化成本較高、控製難度大。

在“激振-吸振"模式的研究中，也采用矽橡膠等減振材料用於(yu) 物理“吸振"。這種減振材料的選擇難度大、體(ti) 積計算複雜、安裝困難。

而無論采用何種方式，“激振-吸振"模式的行波懸浮傳(chuan) 輸都無法實現傳(chuan) 輸的啟停、傳(chuan) 輸方向和傳(chuan) 輸速度的自動控製。

此外，機械波在傳(chuan) 遞過程中產(chan) 生消耗，行波在振動彈性體(ti) 上的振幅一端高、一端低，導致了懸浮力分布不均勻。

Ide和Koyama等搭建了2種超聲傳(chuan) 輸裝置，改善了“激振-吸振"方法中存在的懸浮力不均勻問題，提出了兩(liang) 側(ce) 換能器同時激勵振動的方式，發現存在特定的兩(liang) 換能器激勵相位差Δθ，能夠在直線導軌上形成行波，以138 mm/s的速度傳(chuan) 輸90 g的滑塊。

基於(yu) 行波-駐波混合驅動的

物體(ti) 懸浮傳(chuan) 輸

行波傳(chuan) 輸可以長距離、高速度地傳(chuan) 輸較大的平板物體(ti) ，然而對行波聲場的計算和仿真有一定難度，對行波傳(chuan) 輸的研究尚停留在對振動分布、聲輻射力和懸浮距離的探討層麵。

近年來，對行波-駐波混合驅動傳(chuan) 輸物體(ti) 時，激勵相位差和懸浮高度、傳(chuan) 輸速度、傳(chuan) 輸方向的關(guan) 聯性的研究廣泛開展。

目前，基於(yu) 控製激勵相位差的方法已被應用於(yu) 超聲長距離懸浮傳(chuan) 輸。

有研究人員使用平行對置式換能器裝置，通過連續調節兩(liang) 換能器的驅動相位差，移動沿振動平板方向的駐波，帶動聚苯乙烯小球、乙醇液滴等小物體(ti) 的直線懸浮傳(chuan) 輸。

Mu等在類似的裝置上實現了長度為(wei) 265 mm的行波聲場。

另一項研究在此基礎上對結構進行拓展，在四角布置換能器的170 mm×170 mm聲輻射麵內(nei) 進行懸浮傳(chuan) 輸，通過連續調節相位720°實現了小球28 mm的位移。

也有研究人員對平板形物體(ti) 對駐波聲場聲壓分布的影響進行了仿真計算，並隨後采用控製激勵相位差的方法，進行了25 mm×25 mm×1 mm聚苯乙烯平板的懸浮傳(chuan) 輸實驗，觀察到特定相位時行波成分較高，物體(ti) 位移顯著增強。

結論

超聲懸浮傳(chuan) 輸技術具有微重力、無容器的環境特點，能夠實現對懸浮物的非接觸操控，可以很好地模擬空間實驗條件。

超聲懸浮傳(chuan) 輸技術對被懸浮物體(ti) 沒有特定屬性要求，橫向穩定性較好，有良好的生物相容性，可以為(wei) 研究提供一個(ge) 穩定、均勻、無汙染的理想環境，可廣泛應用於(yu) 材料科學、生物化學、液滴動力學等科學領域。

在材料科學領域，超聲傳(chuan) 輸技術可用於(yu) 新型材料的製備與(yu) 檢測，通過控製被懸浮物體(ti) 的位置及高度等，不僅(jin) 確保了被分析的小液滴遠離容器壁以避免汙染，還實現了監測，避免容器壁對檢測的影響。

在製造業(ye) 和生物技術領域，超聲傳(chuan) 輸技術可以實現晶圓和微機電係統（MEMS）零件的穩定翻轉、定速運動等操作，在非接觸的情況下完成晶圓的精密定位和MEMS的準確裝配。

在液滴動力學的研究中，超聲傳(chuan) 輸技術可以保障液滴準確並穩定地撞擊，從(cong) 而高效完成動力學性能的分析實驗。

隨著中國在先進電子製造領域和微機電係統技術領域的進步，對精密器件的轉運提出了更高的要求。

超聲懸浮傳(chuan) 輸具備巨大的發展潛力和廣泛的應用前景，但還需要進一步改進係統集成度，完善動態聲場下物體(ti) 傳(chuan) 輸的機理，並解決(jue) 被傳(chuan) 輸物體(ti) 的位置、方向、速度的控製問題，推進中國在先進電子製造領域和MEMS技術領域的發展。

超聲懸浮傳輸及駐波-行波混合驅動技術