近場(chǎng)超聲非接觸支撐與傳輸系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、近場(chǎng)超聲懸浮（Near Field Acoustic Levitation簡(jiǎn)稱 NFAL)是近年來(lái)應(yīng)用于半導(dǎo)體制造與微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)領(lǐng)域中非接觸式支撐與傳輸系統(tǒng)的新技術(shù)。在半導(dǎo)體制造與微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)晶圓的輸送與精密定位、微小MEMS零件的裝配與操作等精密作業(yè)單元提出更高的要求。在傳統(tǒng)的晶圓傳輸與定位過(guò)程中，由于機(jī)械接觸會(huì)損壞晶圓表面，并且產(chǎn)生微小顆粒破壞工作空間潔凈度，制約了制造技術(shù)的發(fā)展。鑒于接觸式晶圓傳輸過(guò)程中所遇

2、到的問(wèn)題，本文采用近場(chǎng)超聲懸浮實(shí)現(xiàn)對(duì)非接觸傳輸系統(tǒng)的精確理論建模與設(shè)計(jì)優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建和測(cè)試，分析了非接觸支撐與輸送過(guò)程中系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的吻合也證實(shí)了模型的精確度和可靠性。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　基于粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程，深入研究了近場(chǎng)超聲懸浮機(jī)理。通過(guò)對(duì)氣體的動(dòng)態(tài)彎曲邊界、氣體慣性力以及氣膜邊緣效應(yīng)建模分析，建立了處于近場(chǎng)超聲場(chǎng)的氣體擠壓膜理論模型。并針對(duì)模型的非線性偏微分方程，提出了具有高

3、階差分格式的數(shù)值求解方法和等效近似解析求解方法。模型中加入了對(duì)輻射面的彎曲振型的表達(dá)項(xiàng)，擴(kuò)大了模型的適用范圍；對(duì)于慣性力和邊緣效應(yīng)的建模，更是提高了模型的精度；量化求解實(shí)現(xiàn)了模型對(duì)懸浮的定量描述，提供了懸浮過(guò)程中氣膜的壓力、流速分布以及懸浮力、推進(jìn)力等。
　　建立了非接觸傳輸系統(tǒng)中導(dǎo)軌—?dú)饽ぁ粦腋∥矬w的動(dòng)力學(xué)耦合模型，分析了豎直的支撐力和水平推進(jìn)力與行波驅(qū)動(dòng)的基本關(guān)系。運(yùn)用有限差分求解該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解和瞬態(tài)解。利用模型對(duì)氣膜表面氣

4、壓和流速分布的定量描述，分析了平板物體在微小偏移和傾斜的情況下，擠壓膜對(duì)其產(chǎn)生的回復(fù)力和回復(fù)力矩，從而討論具有不同橫截面的振子產(chǎn)生的擠壓膜的抗干擾能力，為驅(qū)動(dòng)部件的尺寸優(yōu)化提供理論依據(jù)和優(yōu)化方法。
　　針對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)部件的機(jī)電耦合特點(diǎn)，本文提出換能器與大面積振動(dòng)頭耦合的有限元模型，用于系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部件的分析與設(shè)計(jì)。通過(guò)模型仿真計(jì)算，討論了部件沿軸線方向和橫向的振型分布，阻抗特性等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了大面積振動(dòng)頭對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的耦合效應(yīng)。另外，通

5、過(guò)仿真分析了尺寸對(duì)器件的機(jī)電特性的敏感性，形成了一套對(duì)用于近場(chǎng)聲懸浮振子的開(kāi)放式的優(yōu)化方法。
　　最后，設(shè)計(jì)并搭建了非接觸懸浮和傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試平臺(tái)。針對(duì)不同大小的晶圓設(shè)計(jì)了兩種直徑的懸浮裝置，用于與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析和驗(yàn)證模型的可靠性。在設(shè)計(jì)傳輸系統(tǒng)時(shí)，討論了機(jī)械阻抗和電學(xué)阻抗匹配問(wèn)題，并在實(shí)驗(yàn)中得出最佳匹配方案。針對(duì)支撐與懸浮過(guò)程中的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)測(cè)試方案，為本文提供有力的數(shù)據(jù)以便對(duì)各理論模型進(jìn)行全方位評(píng)估。