超声近场悬浮用变幅杆的优化及实验研究

发布时间：2017-08-20 02:16

  本文关键词：超声近场悬浮用变幅杆的优化及实验研究

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【摘要】：在精密与超精密加工领域,如半导体产业中,对产品表面光洁度和工作空间的洁净度要求越来越严格。尤其在晶圆的夹持与运输工程中,已有的接触式夹持技术会对晶圆表面造成损坏,并影响工作空间的洁净度。基于以上问题,探索非接触式夹持方式成为新的研究方向。超声波近场悬浮(Near Field Acoustic Levitation简称NFAL)是利用高能量密度声场产生的声辐射压力与物体的重力平衡将其悬浮起来的现象。但是,目前超声波近场悬浮技术还不成熟,如没有统一的理论描述声场声压的分布,物体在声场中不能稳定悬浮等。为了获得能够悬浮物体的稳定声场,本文对超声变幅杆进行了改进,主要进行了以下方面的研究：利用均质等截面杆和薄圆盘的频率方程,初步设计圆盘输出端变幅杆的尺寸；并利用有限元软件进行仿真修正,得出了振动频率在20kHz左右的变幅杆的尺寸。提出利用去除变幅杆材料的方法得到优化声场,并对去除材料的形状和尺寸进行了理论的分析。在对圆盘输出端变幅杆的表面声压测量的基础上,分析了声场声压的分布情况；通过增加被悬浮物体与振动圆盘表面之间的距离来减弱变幅杆中心区域较高的声压对被悬浮物体的影响；通过去除材料得到声压峰值较为均等的变幅杆振动圆盘表面。利用声压在中心区域高出平均值的部分来确定去除材料的直径,从近场悬浮区域内声压与高度的关系以及驻波悬浮区域的悬浮情况两方面确定圆孔的深度；并给出了去除材料的直径和深度对超声变幅杆的振动频率的影响规律。对去除材料得到的两种改进型变幅杆与圆盘输出端的变幅杆进行比较实验,分别从声场声压的分布情况、被悬浮物体的悬浮高度和被悬浮物体的回复周期等方面进行了实验研究。基于圆盘输出端的变幅杆对被悬浮物体进行相关实验,研究被悬浮物体不同直径对悬浮稳定性的影响以及不同材料、质量和表面粗糙度对悬浮高度的影响。
【关键词】：超声近场悬浮 超声变幅杆优化 稳定性 悬浮高度
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG663
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-22
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 非接触夹持技术10
• 1.3 超声波悬浮的原理与分类10-14
• 1.3.1 驻波悬浮11-12
• 1.3.2 超声波近场悬浮12-14
• 1.4 超声近场悬浮及超声变幅杆的研究现状14-20
• 1.4.1 超声近场悬浮研究概况15-18
• 1.4.2 超声变幅杆研究概况18-20
• 1.5 超声波近场悬浮存在的问题和发展趋势20
• 1.6 本文主要研究内容20-22
• 2 超声近场悬浮基本理论及实验装置22-33
• 2.1 超声近场悬浮基本理论22-27
• 2.1.1 超声振动在固体中的传播22-24
• 2.1.2 弯曲振动圆盘的辐射声场24-27
• 2.2 超声近场悬浮实验装置的建立27-32
• 2.2.1 超声波发生器28-29
• 2.2.2 超声波换能器29
• 2.2.3 超声波变幅杆29-31
• 2.2.4 超声悬浮声压测量装置31-32
• 2.3 本章小结32-33
• 3 超声变幅杆的设计与优化33-55
• 3.1 超声变幅杆的设计方法33-36
• 3.1.1 传统解析法33-34
• 3.1.2 等效电路法34-35
• 3.1.3 四端网络法35
• 3.1.4 有限元法35-36
• 3.2 超声变幅杆的理论分析36-39
• 3.2.1 均质等截面杆的频率方程36-37
• 3.2.2 轴对称弯曲振动薄圆盘的频率方程37-38
• 3.2.3 超声变幅杆的设计38-39
• 3.3 超声变幅杆的有限元分析39-41
• 3.3.1 有限元方法简介39-40
• 3.3.2 模型有限元分析40-41
• 3.4 超声变幅杆的优化41-51
• 3.4.1 优化依据41-43
• 3.4.2 圆孔半径的选取43-44
• 3.4.3 圆孔深度的选取44-47
• 3.4.4 开孔圆柱变幅杆有限元分析47-48
• 3.4.5 圆孔半径对圆柱变幅杆振动频率的影响48-49
• 3.4.6 圆孔深度对圆柱变幅杆振动频率的影响49-51
• 3.5 基于开孔型圆柱变幅杆的实验51-54
• 3.5.1 声场声压52
• 3.5.2 对悬浮高度的影响52-53
• 3.5.3 对悬浮片回复周期的影响53-54
• 3.6 本章小结54-55
• 4 超声近场悬浮实验与分析55-66
• 4.1 振幅和悬浮高度的测量55-59
• 4.1.1 激光位移传感器55-56
• 4.1.2 振动圆盘振幅56-58
• 4.1.3 悬浮高度58-59
• 4.2 不同悬浮片实验研究59-65
• 4.2.1 直径对悬浮稳定性的影响59-61
• 4.2.2 材料、质量对悬浮高度的影响61-63
• 4.2.3 表面粗糙度对悬浮高度的影响63-65
• 4.3 本章小结65-66
• 结论66-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 王应彪;刘传绍;赵波;;功率超声技术的研究现状及其应用进展[J];机械研究与应用;2006年04期

2 赵福令,冯冬菊,郭东明,方亚英;超声变幅杆的四端网络法设计[J];声学学报;2002年06期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 张光斌;纵—弯模式转换空气换能器的圆形弯曲振动辐射器研究[D];陕西师范大学;2000年

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本文编号：704137