【摘要】：微機電系統(tǒng)(MEMS)作為在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟等相關(guān)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景的一類光機電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品,經(jīng)過30多年的發(fā)展歷程,已從原先注重徽構(gòu)件或單一功能部件的生產(chǎn)向多部件、多結(jié)構(gòu)和多功能的混合復(fù)雜系統(tǒng)集成化方向邁進,其進一步發(fā)展必須借助微裝配技術(shù)的進步和應(yīng)用。特別是面對微機電系統(tǒng)應(yīng)用對象尺度的微型化、制造技術(shù)追求高深寬比的三維化以及制造工藝和材料的多樣化等所帶來的諸多挑戰(zhàn),微裝配技術(shù)更加體現(xiàn)出其重要性和迫切性。因此,探索新理論、新機理并發(fā)展這種技術(shù),是目前微機電系統(tǒng)這個新興技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)一個最基礎(chǔ)的、關(guān)鍵的熱點研究課題。 根據(jù)微裝配的技術(shù)特點,一種對微構(gòu)件無損的非接觸裝配技術(shù)是當(dāng)前研究和發(fā)展的主流方向,而超聲波作為一種機械波,其力學(xué)效應(yīng)特性在微顆粒的俘獲、聚集及分揀等方面已證實了較好的應(yīng)用潛力,顯示出諸多的優(yōu)點。因此,以超聲輻射力及力矩作為驅(qū)動力源,發(fā)展一種非接觸型微裝配技術(shù),必將有其自身的技術(shù)優(yōu)勢。但是,目前超聲輻射力及輻射力矩的理論研究還局限于理想聲場和規(guī)則散射體,針對微裝配應(yīng)用的相關(guān)理論研究還少有涉足,并且現(xiàn)有超聲輻射力的各種應(yīng)用都是在穩(wěn)態(tài)和定性的基礎(chǔ)上進行,而微裝配過程中的微構(gòu)件準備、定位、位姿調(diào)整及目標(biāo)位置釋放等都必須達到精確的定量控制效果,當(dāng)前的相關(guān)技術(shù)和裝置還遠未能滿足微裝配技術(shù)的需求。為此,根據(jù)微機電系統(tǒng)的特點,本學(xué)位論文結(jié)合國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目“基于超聲輻射力的微納構(gòu)件三維遙操縱關(guān)鍵技術(shù)研究(No.2006AA042329)”和浙江省自然科學(xué)基金重點項目“基于聲操縱的三維自動微裝配理論與實踐研究(No.Z1110393)”,提出開展基于超聲輻射力及力矩的非接觸型徽裝配關(guān)鍵技術(shù)的研究,通過對微裝配各單元步驟的力學(xué)模型、裝配環(huán)境下超聲輻射力產(chǎn)生機理及影響因素的理論分析及實驗研究,利用超聲相控陣技術(shù)柔性和精確地合成滿足各裝配單元步驟所需的超聲輻射力場,構(gòu)建一種多模式非接觸遙驅(qū)動力源,實現(xiàn)固壁面上微構(gòu)件的拾取、空間大范圍定量傳輸、位姿調(diào)整及目標(biāo)位置釋放等微裝配單元技術(shù),以應(yīng)用于微機電系統(tǒng)的集成裝配中,為微機電系統(tǒng)研究和制造提供一種的共性技術(shù)手段。具體的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點體現(xiàn)在： 第一章,通過分析微裝配技術(shù)在微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域的作用與地位,說明開展微裝配技術(shù)研究的重要意義,并在闡述微裝配技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上,提出了基于超聲輻射力和力矩的微裝配技術(shù)。同時,綜述了超聲輻射力及力矩理論和應(yīng)用的研究成果,評述了超聲輻射力及力矩應(yīng)用于微裝配技術(shù)中的可行性和先進性以及有待解決的問題,明確了本文研究方向,并對各章節(jié)的研究內(nèi)容進行了安排。 第二章,為有效實施微構(gòu)件準備和釋放于目標(biāo)位置這兩個微裝配的單元步驟,本章開展基于超聲輻射力的剛性壁面上微構(gòu)件拾取和目標(biāo)位置釋放技術(shù)的研究。系統(tǒng)研究近壁面剛性球形Reyleigh散射體在多束平面入射波合成的聲場中所受輻射力的理論模型,并使用兩束交叉分布的超聲波實現(xiàn)固壁面上微構(gòu)件的拾取與目標(biāo)位置的釋放。同時,以不同尺寸和材料的微構(gòu)件為對象進行實驗研究,證實了上述拾取與釋放技術(shù)的有效性。 第三章,提出了一種“逐級遞推全程定位”的微構(gòu)件大范圍定量傳輸方法。在精確合成聲場的基礎(chǔ)上,通過控制超聲信號的相位動態(tài)調(diào)整聲勢阱的空間分布,帶動俘獲于聲勢阱內(nèi)的微構(gòu)件以不同速度和軌跡的逐級遞推式運動,實現(xiàn)微構(gòu)件大范圍定量傳輸。理論數(shù)值仿真分析、水聽器實測合成聲場以及對50μm直徑硅球的傳輸實驗都證實了該方法的可行性和有效性。同時,還對實驗過程中硅球運動狀態(tài)及其影響因素進行分析。 第四章,針對微構(gòu)件大范圍傳輸過程中出現(xiàn)位置波動及可能存在脫離聲勢阱束縛的現(xiàn)象,對微構(gòu)件傳輸?shù)姆�(wěn)定性進行了系統(tǒng)地研究。在分析聲流現(xiàn)象對微構(gòu)件傳輸性能影響的基礎(chǔ)上,建立了聲勢阱特性與微構(gòu)件俘獲和傳輸穩(wěn)定性的關(guān)系,提出了一種聲勢阱綜合性能定量評價方法,給出了理想聲勢阱所需滿足的基本條件。同時,還利用該方法對幾種不同類型輻射力場中的聲勢阱特性進行了評價,并對第三章提出的微構(gòu)件傳輸方法進行了優(yōu)化。實驗結(jié)果表明優(yōu)化后聲場內(nèi)微構(gòu)件大范圍傳輸過程中的波動現(xiàn)象得到了明顯地抑制。 第五章,提出了一種基于輻射力矩的微構(gòu)件二維位姿調(diào)整方法。在建立長條形微構(gòu)件在合成聲場中所受輻射力及力矩理論模型的同時,將環(huán)形分布的超聲換能器陣列分組構(gòu)成子陣列,利用其中一個子陣列合成基礎(chǔ)聲場俘獲微構(gòu)件的基礎(chǔ)上,通過不同子陣列間的順序交替切換激勵產(chǎn)生聲場旋轉(zhuǎn),以驅(qū)動微構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運動,從而實現(xiàn)微構(gòu)件二維位姿調(diào)整。開展了基于超聲輻射力矩的微構(gòu)件姿態(tài)調(diào)整實驗研究,取得了預(yù)期的位姿調(diào)整效果,并明確了通過增加換能器陣列數(shù)可有效提高位姿調(diào)整的分辨率。 第六章,在確定系統(tǒng)功能目標(biāo)及設(shè)計系統(tǒng)總體方案的基礎(chǔ)上,重點開發(fā)了多通道程控超聲信號發(fā)生器、線性功率放大器、數(shù)據(jù)采集處理卡和嵌入式CMOS相機等功能模塊,并采用虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)和模塊化的設(shè)計策略,集成開發(fā)了一套基于超聲輻射力及力矩的微裝配實驗系統(tǒng)。同時,還利用該系統(tǒng)開展了相關(guān)實驗研究,證實了本文方法的可行性和有效性。 第七章,總結(jié)論文取得的成果和創(chuàng)新之處,并對以后的工作進行展望。
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【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：O426;TH-39

【參考文獻】

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1 劉靜;操縱微小世界的工具——微/納米鑷的研究與應(yīng)用[J];微納電子技術(shù);2005年03期

2 王瑩;;MEMS將迎來第三次發(fā)展浪潮[J];電子產(chǎn)品世界;2010年07期

3 王曉東,劉沖,王立鼎;微型夾鉗的最新研究[J];功能材料與器件學(xué)報;2004年01期

4 秦昌駿,馬培蓀,姚沁;一種基于SMA的微小型蠕動機器人[J];機械工程師;2004年01期

5 孫立寧;陳立國;榮偉彬;謝暉;劉延杰;;面向微機電系統(tǒng)組裝與封裝的微操作裝備關(guān)鍵技術(shù)[J];機械工程學(xué)報;2008年11期

6 王代華;楊群;;一種壓電致動微夾鉗及其開環(huán)位移特性[J];納米技術(shù)與精密工程;2010年01期

7 范宗尉;楊克己;陳子辰;;任意聲場中非規(guī)則形狀Rayleigh散射體的聲輻射力研究[J];聲學(xué)學(xué)報(中文版);2008年06期

8 華順明,程光明,闞君武,楊志剛;壓電型精密位移驅(qū)動器的研究進展[J];壓電與聲光;2004年03期

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本文編號：2387324