基于超声波阵列的声悬浮系统及其控制方法_CN109669485A

( 54 )发明 名称 基于超声波阵 列的 声悬浮 系统 及其 控 制方
法 ( 57 )摘要
本发明 公 开了一 种基于超声波阵 列的 声悬 浮系统及其控制方法 ，其包括上位机、控制器、 F PG A模块 、驱 动电 路 和单面超声传感器阵 列。通 过计算超声阵列的相位，在单面超声传感器阵列 上方产生特定的声场将物体悬浮起来，与传统超 声驻波悬浮相比 ，克服了目前超声驻波悬浮的缺 点 ，无需反射元件 ，不仅大大简化了声悬浮的 硬 件设备 ，还使得悬浮物体不需要被声学元件包 围 ，悬浮物体可以在开放空间下进行，在可操控 性方面也得到了极大的改善，阵列式悬浮形成的 声场可以轻易的完成特定轨迹的移动，从而摆脱 了驻波节点的束缚，扩展了声悬浮技术的应用场 景，另外整体结构简单，易于实现，利于广泛推广 使用，特别适用于非接触式材料加工与运输、生 物实验等。
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说 明 书
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基于超声波阵列的声悬浮系统及其控制方法
技术领域 [0001] 本发明涉及基于超声波阵列的声悬浮技术领域，特别涉及一种基于超声波阵列的 声悬浮系统及其控制方法。
背景技术 [0002] 在微电子机械系统、生物医学工程、制药、液滴动力学、凝聚态物理学和无容器材 料处理和制备等领域，人们始终在寻找一种能够实现微量液体材料或微小器件的非接触操 作的措施。声悬浮技术被证明是可以满足上述要求的方案。在材料制备领域，声悬浮可以提 供无容器环境 ，如晶体生长方面 ，可以 很容易的形成 质量较高的单晶 ；基于深过冷特性 ，可 以 制备出组织细化 ，均匀 ，高超导性能的 材料。在精密电 子 制造与装配领域 ，加工 和运输零 件的 要求更高 ，如在半导体器件制造过程中对与晶圆的 传输等精密操作 ，声悬浮技术可以 较好的 满足 加工运输需求。目 前较为成熟的 技术是超声驻波悬浮技术 ，这 种超声悬浮是由 驻波的声压节点造成的 ，通过改变对立发射的超声波的 相位 ，控制超声驻波节点的位置 ，可 以实现被操控物体在非接触条件下稳定和准确的移动。现在，超声驻波悬浮技术已经在各 领域广泛采用，人们可以通过声悬浮的方法，实现各种金属材料、无机非金属和有机材料的 无容器处理，开展液滴动力学、材料科学、分析化学和生物化学等方面的研究。 [0003] 但超声驻波悬浮技术也存在不足，悬浮目标的上下均有声发射元件，超声驻波悬 浮目标时需要使悬浮目标处于被声学元件包围形成的声场中，当需要对需要悬浮目标进行 移动等操作时 ，需要同时移动声学元件。在一些要求较高的 场合中 ，繁杂的悬浮装置不能够 满足实验或生产的要求，因此超声驻波悬浮技术的应用范围受到限制。
权利要求书2页 说明书4页 附图3页
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权 利 要 求 书
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1 .一种基于超声波阵列的声悬浮系统，其特征在于，其包括 上位机 ，用于根 据预设的 悬浮目 标的 大小 和位置 ，计算出单面超声传感器阵 列所需的 相位信息，并将相位信息发给控制器； 控制器，用于接收相位信息，并将该相位信息分发给各个FPGA模块； FPGA模块，用于根据收到的相位信息，从各个引脚发出相位不同的方波信号； 驱 动电 路 ，用于将FPGA模块 引脚发出的 方波信号进行功率放大 ，并输出到单面超声传 感器阵列； 单面超声传感器阵 列 ，用于发出 相位不同的 超声波 ，在单面超声传感器阵 列上方形成 特定的声场，悬浮目标在悬浮点受到的声辐射力最小，实现悬浮在特定的位置。 2 .根据权利要求1所述的基于超声波阵列的声悬浮系统，其特征在于，所述驱动电路中 的功率放大芯片型号为TC4427。 3 .根据权利要求1所述的基于超声波阵列的声悬浮系统，其特征在于，所述单面超声传 感器阵列由若干直径为1cm的超声波探头组成。 4 .根据权利要求1所述的基于超声波阵列的声悬浮系统，其特征在于，所述单面超声传 感器阵列的超声波探头行数为12行，列数为12列。 5 .根据权利要求1所述的基于超声波阵列的声悬浮系统 ，其特征在于，所述控制器和 FPGA模块相连接形成相位发生器。 6 .根据权利要求1所述的基于超声波阵列的声悬浮系统，其特征在于，所述方波信号的 频率为40KHz。 7 .一种基于超声波阵列的声悬浮控制方法，其特征在于，其包括以下步骤： (1) 启动上位机 ，根据预设的悬浮目标的大小和位置 ，通过上位机计算出单面超声传感 器阵列所需的相位信息，并将相位信息发给控制器； (2)控制器将相位信息分发给各个FPGA模块；； (3)FPGA模块根据收到的相位信息，从各个引脚发出相位不同的方波信号； (4) 驱 动电 路将从FPGA模块 引脚发出的 方波信号进行功率放大 ，并输出到单面超声传 感器阵列； (5) 单面超声传感器阵 列发出 相位不同的 超声波 ，在单面超声传感器阵 列上方形成特 定的声场，悬浮目标在悬浮点受到的声辐射力最小，从而将悬浮目标悬浮在特定的位置； (6)通过改变上位机发送的悬浮位置的相位，实时改变悬浮目标的位置，实现悬浮目标 的移动、旋转及相应动作控制。 8 .根据权利要求7所述的基于超声波阵列的声悬浮控制方法，其特征在于：所述步骤 (1)具体包括以下步骤： 计算悬浮点的Gorkov势能:
其中，c表示声传播速度，ρ表示密度，下标0表示介质，p表示悬浮物体； 悬浮物体在声场中所受的声辐射力可以由Gorkov势能计算得到:
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权 利 要 求 书
Baidu Nhomakorabea
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描述一个稳定的 悬浮点 ，对Gorkov势求拉普拉斯算子 ，表示声 辐射 力从各方向收 敛与 悬浮点，由此建立目标方程：
(74)专利代理机构 深圳市千纳专利代理有限公 司 44218
代理人 刘晓敏
(51)Int .Cl . G05D 3/12(2006 .01) G05B 19/042(2006 .01) G10K 11/34(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109669485 A (43)申请公布日 2019.04.23
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910052528 .6
(22)申请日 2019 .01 .21
(71)申请人 哈尔滨工业大学（深圳） 地址 518000 广东省深圳市南山区桃源街 道深圳大学城哈尔滨工业大学校区
(72)发明人 隆志力 姜兆田 袁宇阳 李祚华
其中|p|为悬浮点的声压有效值， 为U的拉普拉斯算子； (1 .2)建立目标方程后，使用BFGS优化方法对目标方程求极小值最优解，得到悬浮所需 的相位 (1 .3)计算得到的相位信息，通过串口通讯方式发送给控制器。 9 .根据权利要求7所述的基于超声波阵列的声悬浮控制方法，其特征在于：各个FPGA模 块使用相同的时钟信号。 10 .根据权利要求7所述的基于超声波阵列的声悬浮控制方法，其特征在于：所述驱动 电路使用TC4427功率放大芯片。