超声悬浮传输及驻波-行波混合驱动技术

在先进制造领域，精密零件的制造和封装等过程不仅对环境要求高，零件的转运也是保证质量的关键环节。针对大尺寸超薄玻璃基板，探索一种非接触、无污染、微重力的悬浮传输技术的理论支撑基础是目前亟待解决的问题。

在各种非接触传输技术中，超声悬浮传输的优势应运而生。本文总结了不同传输方式对被传输物体的体积、传输的范围及速度的限制，分析了驻波-行波混合驱动进行超声悬浮传输可能存在的问题，展望了声悬浮传输的应用前景。

声悬浮现象是高声强声场中的一种非线性现象。

在驻波声场中，可以通过声辐射压力将悬浮目标捕获在声场平衡位置。

对被悬浮物传输时，可以通过主动调制谐振腔中声压分布，实现驻波声场中势阱点的位置转移，从而在声场作用下实现粒子悬浮传输。

声悬浮技术具有以下优点：良好的生物相容性；水平声压梯度产生的水平稳定性；对被悬浮物体没有特定属性、特定形状要求等性质。

超声悬浮传输技术按声波传播方式分为驻波悬浮传输和行波悬浮传输。

目前，声悬浮传输/操纵的方法按照声场的种类可以分为驻波调节、换能器阵列和行波驱动等方式。

基于单轴式装置驻波节点

调节的小物体悬浮传输

驻波悬浮时，声波在对称的谐振腔中反复叠加形成驻波声场，物体悬浮在声压节点附近。

因此，可以控制频率、谐振腔长度和相位改变声压节点位置，在驻波悬浮的基础上进行传输。

Kozuka等使用线聚焦悬浮装置，通过调整声源频率和对换能器输出面的分区驱动，实现了氧化铝小球的二维移动。

另一工作通过改变谐振腔长度的方式移动声压节点，使用单换能器实现了小液滴的超声驻波传输。

此外，若通过调整相位的方式，可以获得更为连续稳定的一维悬浮传输能力。

Matsui等在1995年即采用对置式换能器装置，对声源相位差与悬浮位置和声辐射力的关系进行了实验研究。

为了扩大传输范围，增加声场的多样性，除了调制声场本身的参数，还可以设计不同形式的谐振腔。

有研究人员研制了非轴对称超声悬浮装置，对交叉的声束形成的声场声压分布进行了计算和仿真，并实现聚苯乙烯小球的正弦型和椭圆型轨迹传输，发现调相的方法传输范围更大，传输过程更平稳。

另一项工作中研制的二维轴线交叉装置，实现了悬浮物水平方向直线传输12 mm，且矩阵法计算声场的数值计算结果与实验相符。

可见，采用调节2个换能器的激励相位差和幅值的方法，可以实现小物体的连续超声驻波悬浮传输。

基于换能器阵声场调制的

物体悬浮传输

为实现长距离和大范围的悬浮传输，可以将多个单轴式的装置组合起来，形成换能器阵列。

有研究团队搭建了由24个压电换能器组成的环形压电换能器阵，该装置通过切换电极片间的输入信号，旋转激励平面与反射面间的驻波声场，在直径为30 mm的激励平面上实现了7.5°的移动精度，完成了聚苯乙烯小球圆形悬浮运动。

环形压电换能器阵/环形悬浮传输实物照片

在此基础上，研究团队将此装置与直线传输装置结合，进行被传输物体的弹出与捕获，实现了曲线与直线传输轨迹的转换。

环形压电换能器阵/环形悬浮传输原理示意

另一种由多个15 mm×15 mm换能器组成的阵列（LPT），通过控制相邻换能器的振幅，使直径1.5 mm的悬浮液滴在阵元之间平滑地移动与融合。

团队同时研究了液滴间悬浮混合、固液间悬浮混合、细胞DNA转染等技术，证实该装置也能实现细长型物体的传输。

LPT阵液滴悬浮传输

在此基础上，研究团队换用弹性反射面，利用声压引起的反射面变形增强声场强度，实现了直径5 mm，重5 g的钢球悬浮传输。

钢球悬浮传输

Dong等使用类似的技术，实现了聚苯乙烯小球的多层悬浮传输。

换能器阵列也能够实现三维传输，Hoshi和Ochia等利用相控阵聚焦技术，使用三维换能器阵式悬浮装置，可在空间任意位置产生驻波，实现直径为0.6 mm的多个聚苯乙烯的三维位置改变。

该装置可以悬浮起最大密度为5 g/cm3的物体组成图形，并应用于毫米级物体的模拟。

综上所述，利用多个换能器组成的换能器阵，调节相邻阵元间的激励相位差和幅值，可以实现小物体的连续超声驻波悬浮传输。

基于行波驱动的物体悬浮传输

驻波悬浮传输时，被捕获在节点的物体随节点位置的移动而移动，只能传输球形且尺寸小于波长的物体，且限制了传输速度与传输距离。

行波悬浮传输依靠行波在振动弹性体内的传播，推动被悬浮物移动，可以突破驻波悬浮传输对被悬浮物体尺寸、移动范围和移动速度的限制。

Hashimoto采用行波传输，实现了基于行波驱动的大物体、快速、长距离超声悬浮传输。

该长距离超声悬浮传输采用2个换能器“激振-吸振”模式，其中一个换能器吸振，在振动平面上形成行波。当吸振换能器接入的匹配电路参数调制合适时，可获得纯行波。

他们还改进了振动弹性体的横截面形态，从而增强了传输的横向稳定性。

在实际应用中需要引入额外的测量和控制方法，对匹配电路的参数进行实时调整，导致这种方法的实用化成本较高、控制难度大。

在“激振-吸振”模式的研究中，也采用硅橡胶等减振材料用于物理“吸振”。这种减振材料的选择难度大、体积计算复杂、安装困难。

而无论采用何种方式，“激振-吸振”模式的行波悬浮传输都无法实现传输的启停、传输方向和传输速度的自动控制。

此外，机械波在传递过程中产生消耗，行波在振动弹性体上的振幅一端高、一端低，导致了悬浮力分布不均匀。

Ide和Koyama等搭建了2种超声传输装置，改善了“激振-吸振”方法中存在的悬浮力不均匀问题，提出了两侧换能器同时激励振动的方式，发现存在特定的两换能器激励相位差Δθ，能够在直线导轨上形成行波，以138 mm/s的速度传输90 g的滑块。

基于行波-驻波混合驱动的

物体悬浮传输

行波传输可以长距离、高速度地传输较大的平板物体，然而对行波声场的计算和仿真有一定难度，对行波传输的研究尚停留在对振动分布、声辐射力和悬浮距离的探讨层面。

近年来，对行波-驻波混合驱动传输物体时，激励相位差和悬浮高度、传输速度、传输方向的关联性的研究广泛开展。

目前，基于控制激励相位差的方法已被应用于超声长距离悬浮传输。

有研究人员使用平行对置式换能器装置，通过连续调节两换能器的驱动相位差，移动沿振动平板方向的驻波，带动聚苯乙烯小球、乙醇液滴等小物体的直线悬浮传输。

Mu等在类似的装置上实现了长度为265 mm的行波声场。

另一项研究在此基础上对结构进行拓展，在四角布置换能器的170 mm×170 mm声辐射面内进行悬浮传输，通过连续调节相位720°实现了小球28 mm的位移。

也有研究人员对平板形物体对驻波声场声压分布的影响进行了仿真计算，并随后采用控制激励相位差的方法，进行了25 mm×25 mm×1 mm聚苯乙烯平板的悬浮传输实验，观察到特定相位时行波成分较高，物体位移显著增强。

结论

超声悬浮传输技术具有微重力、无容器的环境特点，能够实现对悬浮物的非接触操控，可以很好地模拟空间实验条件。

超声悬浮传输技术对被悬浮物体没有特定属性要求，横向稳定性较好，有良好的生物相容性，可以为研究提供一个稳定、均匀、无污染的理想环境，可广泛应用于材料科学、生物化学、液滴动力学等科学领域。

在材料科学领域，超声传输技术可用于新型材料的制备与检测，通过控制被悬浮物体的位置及高度等，不仅确保了被分析的小液滴远离容器壁以避免污染，还实现了监测，避免容器壁对检测的影响。

在制造业和生物技术领域，超声传输技术可以实现晶圆和微机电系统（MEMS）零件的稳定翻转、定速运动等操作，在非接触的情况下完成晶圆的精密定位和MEMS的准确装配。

在液滴动力学的研究中，超声传输技术可以保障液滴准确并稳定地撞击，从而高效完成动力学性能的分析实验。

随着中国在先进电子制造领域和微机电系统技术领域的进步，对精密器件的转运提出了更高的要求。

超声悬浮传输具备巨大的发展潜力和广泛的应用前景，但还需要进一步改进系统集成度，完善动态声场下物体传输的机理，并解决被传输物体的位置、方向、速度的控制问题，推进中国在先进电子制造领域和MEMS技术领域的发展。

超声悬浮传输及驻波-行波混合驱动技术