【摘要】：微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)作為在國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)等相關(guān)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景的一類光機(jī)電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品,經(jīng)過(guò)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(jìn),其進(jìn)一步發(fā)展必須借助微裝配技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用。特別是面對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)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(lái)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(jī)理并發(fā)展這種技術(shù),是目前微機(jī)電系統(tǒng)這個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)最基礎(chǔ)的、關(guān)鍵的熱點(diǎn)研究課題。 根據(jù)微裝配的技術(shù)特點(diǎn),一種對(duì)微構(gòu)件無(wú)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(jī)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(shí)了較好的應(yīng)用潛力,顯示出諸多的優(yōu)點(diǎn)。因此,以超聲輻射力及力矩作為驅(qū)動(dòng)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(shì)。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(chǎng)和規(guī)則散射體,針對(duì)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(jìn)行,而微裝配過(guò)程中的微構(gòu)件準(zhǔn)備、定位、位姿調(diào)整及目標(biāo)位置釋放等都必須達(dá)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(yuǎn)未能滿足微裝配技術(shù)的需求。為此,根據(jù)微機(jī)電系統(tǒng)的特點(diǎn),本學(xué)位論文結(jié)合國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)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(diǎn)項(xiàng)目“基于聲操縱的三維自動(dòng)微裝配理論與實(shí)踐研究(No.Z1110393)”,提出開(kāi)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(guò)對(duì)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(jī)理及影響因素的理論分析及實(shí)驗(yàn)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(chǎng),構(gòu)建一種多模式非接觸遙驅(qū)動(dòng)力源,實(shí)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(jī)電系統(tǒng)的集成裝配中,為微機(jī)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?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在： 第一章,通過(guò)分析微裝配技術(shù)在微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的作用與地位,說(shuō)明開(kāi)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)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(shí),綜述了超聲輻射力及力矩理論和應(yīng)用的研究成果,評(píng)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(jìn)性以及有待解決的問(wèn)題,明確了本文研究方向,并對(duì)各章節(jié)的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了安排。 第二章,為有效實(shí)施微構(gòu)件準(zhǔn)備和釋放于目標(biāo)位置這兩個(gè)微裝配的單元步驟,本章開(kāi)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)固壁面上微構(gòu)件的拾取與目標(biāo)位置的釋放。同時(shí),以不同尺寸和材料的微構(gòu)件為對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,證實(shí)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(jí)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(chǎng)的基礎(chǔ)上,通過(guò)控制超聲信號(hào)的相位動(dòng)態(tài)調(diào)整聲勢(shì)阱的空間分布,帶動(dòng)俘獲于聲勢(shì)阱內(nèi)的微構(gòu)件以不同速度和軌跡的逐級(jí)遞推式運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)微構(gòu)件大范圍定量傳輸。理論數(shù)值仿真分析、水聽(tīng)器實(shí)測(cè)合成聲場(chǎng)以及對(duì)50μm直徑硅球的傳輸實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了該方法的可行性和有效性。同時(shí),還對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中硅球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其影響因素進(jìn)行分析。 第四章,針對(duì)微構(gòu)件大范圍傳輸過(guò)程中出現(xiàn)位置波動(dòng)及可能存在脫離聲勢(shì)阱束縛的現(xiàn)象,對(duì)微構(gòu)件傳輸?shù)姆�(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。在分析聲流現(xiàn)象對(duì)微構(gòu)件傳輸性能影響的基礎(chǔ)上,建立了聲勢(shì)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(shì)阱綜合性能定量評(píng)價(jià)方法,給出了理想聲勢(shì)阱所需滿足的基本條件。同時(shí),還利用該方法對(duì)幾種不同類型輻射力場(chǎng)中的聲勢(shì)阱特性進(jìn)行了評(píng)價(jià),并對(duì)第三章提出的微構(gòu)件傳輸方法進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化后聲場(chǎng)內(nèi)微構(gòu)件大范圍傳輸過(guò)程中的波動(dòng)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(zhǎng)條形微構(gòu)件在合成聲場(chǎng)中所受輻射力及力矩理論模型的同時(shí),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(gè)子陣列合成基礎(chǔ)聲場(chǎng)俘獲微構(gòu)件的基礎(chǔ)上,通過(guò)不同子陣列間的順序交替切換激勵(lì)產(chǎn)生聲場(chǎng)旋轉(zhuǎn),以驅(qū)動(dòng)微構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)微構(gòu)件二維位姿調(diào)整。開(kāi)展了基于超聲輻射力矩的微構(gòu)件姿態(tài)調(diào)整實(shí)驗(yàn)研究,取得了預(yù)期的位姿調(diào)整效果,并明確了通過(guò)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(jì)系統(tǒng)總體方案的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)開(kāi)發(fā)了多通道程控超聲信號(hào)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(jī)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(jì)策略,集成開(kāi)發(fā)了一套基于超聲輻射力及力矩的微裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。同時(shí),還利用該系統(tǒng)開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,證實(shí)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(duì)以后的工作進(jìn)行展望。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：O426;TH-39

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2387324