近场超声悬浮与传输实验平台的设计及特性研究

发布时间：2020-08-24 07:48

【摘要】：近场超声悬浮技术是非接触悬浮技术领域发展的又一新高度,其领域的涉及面广泛,包括生物、化学、旋转机械及微机电系统等。由于传统的接触式传输平台在往返多次运输载有重要信息的半导体芯片时,极易损坏其表面造成信息属性的严重缺失,满足不了人们对信息化水平不断提高的需求,因此近场超声悬浮技术在微机电系统领域的发展显得尤为重要。本文通过理论模型计算与有限元分析对比设计近场超声悬浮系统各重要组成构件的尺寸及形状,在顺利搭建完成悬浮实验台后进行实验研究,分析提高近场悬浮特性的方法。随后,在悬浮实验平台基础之上实现了对近场超声传输系统平台的设计及特性研究。主要内容如下:根据系统需要输入的工作频率及功率选择超声波发生器型号。介绍超声波换能器的分类,并通过动力学方程、振速方程及边界条件求解夹心型换能器的尺寸。研究不同类型超声波变幅杆的计算模型并完成本实验中变幅杆种类及尺寸的确定。选择激励圆盘作为超声波工具头,参考弯曲自由振动圆盘的计算模型确定大小合适的尺寸。将设计好的构件组成悬浮系统物理模型,经有限元分析验证设计的合理性。搭建近场超声悬浮实验平台,通过调节超声波发生器输出参数得到不同类型激励圆盘的振幅,通过多点振幅测量获得模态,对比有限元分析出的工作频率及振幅分布发现结果相似。在悬浮高度特性研究中,提出了一种考虑惯性力在内的近场超声悬浮高度的计算模型,并通过有限差分法求解方程,与实验结果对比良好。利用Labview软件识别激励圆盘的运动轨迹,结果表明截面为梯形的激励圆盘稳定性优于截面为矩形的激励圆盘。在此基础上完成近场超声传输系统平台的搭建,设计合适的匹配电路与吸收端振子连接。通过测量传输悬浮板所用时间和悬浮高度对传输基本特性进行研究。结果发现,当悬浮板底面刻有与行波传播方向垂直的槽型时,其传输特性优于同尺寸无槽型的悬浮板。以上研究为近场超声技术在实际应用中的发展奠定良好的实验与理论基础。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH702
【图文】：

芯片,运输平台,微图形,传输平台

在操作过程中不可避免的受到挤压和碰撞，因此传统的接触式操作与运输平台已逡逑经无法满足在高精度要求下的正常工况，这将极大程度的制约了邋ＭＥＭＳ领域的高逡逑速发展。随着芯片尺寸的减小，表面微图形的复杂性提高，如图１．２，传统的接逡逑触式传输平台突显出了各类问题：逡逑１．

悬浮技术,声悬浮,谐振管

在纳牛顿范围的缘故。逡逑声悬浮技术的发现最早可以追溯到１８６６年，德国科学家孔特在实验时首先发逡逑现了谐振管中的声波可以悬浮起灰尘颗粒并有向节点处运动的趋势［ｆｉ］。如图１．４逡逑所示，（ａ）中悬浮的是三个聚合物小球，（ｂ）为四个液晶样品（ｃ）为一个形状不逡逑３逡逑

声悬浮,谐振管,悬浮技术,驻波

ｌｔ邋ｉ逦逡逑｜邋（ｅ）邋Ａｉｒｃｕｓｉｏｎ邋｜邋ｊ邋（0邋Ｓｔａｎｄｉｎｇ邋ｗａｖｅ邋｜逦｜邋（ａ）邋Ｎｅａｒ邋ｆｉｅｌｄ邋｜逡逑图１．３非接触悬浮技术的种类１３］逡逑１．２非接触悬浮技术领域概述逡逑１．２．１非接触悬浮技术分类逡逑上文提出了多种非接触悬浮技术，有：磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮逡逑及静电悬浮等。他们都是通过自身特性产生向上的力与物体重力相平衡从＾实现逡逑了非接触悬浮。因此，应用在ＭＥＭＳ领域中可以有效的避免与芯片表面接蠢而产逡逑生不必要的划痕以及颗粒状粉末，这不仅可以提高工作效率还保护了工作坏境的逡逑洁净度，同时还避免因接触而产生的工作噪声。逡逑磁悬浮技术（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ邋Ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ）简称ＥＭＬ技术，最常见的应用形逡逑式是磁悬浮列车，利用“同性相斥，异性相吸”的原理使车体完全脱离轨道，悬逡逑浮在距离轨道１厘米处［＇世界上第一条磁悬浮列车示范运营线位于我国上海浦逡逑东龙阳路站到浦东国际机场。三十公里的运营时间只需八分钟，可见悬浮技术对逡逑于一个国家运输业的重大意义。磁悬浮列车有很多优点：运行速度快、无噪声、逡逑无污染。但由于没有车轮

【参考文献】