基于相位调整的三维超声微操纵技术

　　微机电系统作为人们认识微观领域和改造客观世界的一种高新技术,一直以来对微米级至纳米级尺度下的微构件实施有效操纵有着强烈的需求^[1].

　　特别是随着微机电系统领域从原先注重单元零部件的生产向混合系统的集成方向高速发展,微纳尺度构件操纵技术更加体现出其重要性和迫切性.纵观微操纵技术的发展现状,目前的方法主要可以分为:

　　1)将宏观装配操纵技术延伸到微观领域应用;2)采用力的尺寸效应发展新型的微构件操纵技术;3)应用辐射力场实施微构件非接触遥操纵.由于受操纵空间以及作为操纵力的表面力、静电力等可控性的限制,前两者接触型操纵具有明显的局限性,难以得到广泛的应用,而后者采用非接触遥操纵方式,不仅不存在空间尺寸的约束,而且无接触带来表面力的影响,已经成为该领域当前研究和发展的主体^[2].然而,作为非接触遥操纵主要方法的激光微操纵技术虽然具有无损、非接触的特点^[3],但该技术难以应用于金属或光折射系数较小的微构件的操纵,并且由于光势阱宽度的限制,不适合连续操纵的场合,特别是在非透光操纵环境下该方法将完全失去其能力.类似于激光,作为机械波的超声波同样具有力学效应.由于超声波的固有特性及其强大的穿透能力,超声波不仅具有对微构件的遥操纵能力,而且能够应用于激光操纵技术难以应用的场合,从而弥补激光操纵技术的不足,与之形成互补的效果.

　　基于以上背景,本文在分析单个圆形平面活塞换能器声场分布以及声场和辐射力关系的基础上,将4个超声换能器呈正四面体放置以获得三维空间超声驻波场,通过调整各换能器发射信号相位之间的关系,使声场中声势阱的位置产生连续、有规律的运动,从而实现对微构件在空间范围内操纵的目的,并以放置于水中的SiO_²微粒为操纵对象,验证了该方法的可行性和有效性.

　　1　超声辐射力的理论基础

　　假设圆形平面活塞换能器放置于理想流体,介质连续、静态,在传播过程中绝热.根据时域Green函数的计算方法,如图1坐标所示,可以将活塞换能器近场Q点的声压表示为^[4]

　　式中:c为声波在介质中的传播速度,δ为狄拉克函数,ψ(t)为活塞换能器表面声压对时间的导数,h(r,t)为活塞换能器对单位脉冲响应的函数,“*”表示对时域的卷积.

　　假设活塞换能器沿平面的法线方向振动,且平面上各点的振动幅值和频率都相等,即取换能器表面的振动方程为将其代入式(1)化简可得

　　式中:ω为活塞的振动频率,V为振动幅值,ρ为介质的密度,为初始相位,H(r,ω)为h(r,t)的傅里叶变换.采用McGough计算方法^[5]求得