近场超声非接触支撑与传输系统的理论与实验研究

摘要

近场超声悬浮（Near Field Acoustic Levitation简称 NFAL)是近年来应用于半导体制造与微机电系统（MEMS）技术领域中非接触式支撑与传输系统的新技术。在半导体制造与微机电系统技术领域，对晶圆的输送与精密定位、微小MEMS零件的装配与操作等精密作业单元提出更高的要求。在传统的晶圆传输与定位过程中，由于机械接触会损坏晶圆表面，并且产生微小颗粒破坏工作空间洁净度，制约了制造技术的发展。鉴于接触式晶圆传输过程中所遇到的问题，本文采用近场超声悬浮实现对非接触传输系统的精确理论建模与设计优化，并通过实验平台的搭建和测试，分析了非接触支撑与输送过程中系统的各项动态性能指标。实验数据与理论计算的吻合也证实了模型的精确度和可靠性。主要研究内容如下：
　　基于粘性流体运动微分方程，深入研究了近场超声悬浮机理。通过对气体的动态弯曲边界、气体惯性力以及气膜边缘效应建模分析，建立了处于近场超声场的气体挤压膜理论模型。并针对模型的非线性偏微分方程，提出了具有高阶差分格式的数值求解方法和等效近似解析求解方法。模型中加入了对辐射面的弯曲振型的表达项，扩大了模型的适用范围；对于惯性力和边缘效应的建模，更是提高了模型的精度；量化求解实现了模型对悬浮的定量描述，提供了悬浮过程中气膜的压力、流速分布以及悬浮力、推进力等。
　　建立了非接触传输系统中导轨—气膜—被悬浮物体的动力学耦合模型，分析了竖直的支撑力和水平推进力与行波驱动的基本关系。运用有限差分求解该系统的稳态解和瞬态解。利用模型对气膜表面气压和流速分布的定量描述，分析了平板物体在微小偏移和倾斜的情况下，挤压膜对其产生的回复力和回复力矩，从而讨论具有不同横截面的振子产生的挤压膜的抗干扰能力，为驱动部件的尺寸优化提供理论依据和优化方法。
　　针对压电驱动部件的机电耦合特点，本文提出换能器与大面积振动头耦合的有限元模型，用于系统驱动部件的分析与设计。通过模型仿真计算，讨论了部件沿轴线方向和横向的振型分布，阻抗特性等。实验结果验证了大面积振动头对整个系统的耦合效应。另外，通过仿真分析了尺寸对器件的机电特性的敏感性，形成了一套对用于近场声悬浮振子的开放式的优化方法。
　　最后，设计并搭建了非接触悬浮和传输的实验系统和测试平台。针对不同大小的晶圆设计了两种直径的悬浮装置，用于与实验数据的对比分析和验证模型的可靠性。在设计传输系统时，讨论了机械阻抗和电学阻抗匹配问题，并在实验中得出最佳匹配方案。针对支撑与悬浮过程中的各项动态性能指标，设计了动态测试方案，为本文提供有力的数据以便对各理论模型进行全方位评估。实验结果表明，本文提出的理论模型具有较高的精确度，实验误差仅在5％左右，可以用于描述近场超声支撑与悬浮机理，具有定量描述挤压膜内部各参数动态响应的能力，并且能够有效地指导非接触驱动系统的设计与优化。另外，通过大量实验，分析了非接触系统传输过程中的动力学响应特点，总结了实际应用中系统设计与制造的关键技术点，尤其是行波发生和传输对系统尺寸的精确要求，为此项技术工程的实际应用奠定了良好的理论基础。

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第一章 绪论

1.1课题来源

1.2课题背景

1.3非接触支撑与传输技术概述

1.4近场超声支撑与传输技术国内外研究现状

1.5课题研究的意义与特点

1.6本文主要研究内容与结构

第二章 近场超声悬浮的挤压膜理论建模

2.1挤压气膜模型及粘性流体运动微分方程

2.2 N-S方程推导低阶挤压膜方程

2.3考虑弯曲边界的对流扩散方程

2.4考虑气体惯性的挤压膜方程

2.5气体的边界效应

2.6本章小结

第三章 行波传输理论建模及稳定性分析

3.1行波传输机理概述

3.2行波挤压气膜本构方程

3.3导轨中行波的形成与传输

3.4固—气—固耦合动力学分析

3.5 NFAL悬浮稳定性分析

3.6本章小结

第四章 支撑与悬浮系统驱动部件的设计与优化

4.1压电陶瓷及压电换能器

4.2换能器耦合场动力学分析

4.3有限元分析

4.4尺寸优化结果分析

4.5电学模型分析及阻抗匹配

4.6本章小结

第五章 近场超声悬浮系统实验研究

5.1系统实验搭建及测试方案

5.2近场超声悬浮实验测试

5.3实验结果及误差分析

5.4本章小结

第六章 非接触式行波传输系统设计及实验分析

6.1行波传输实验体系原理及选型

6.2实验台设计

6.3实验结果及误差分析

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1工作总结

7.2论文创新点

7.3展望

参考文献

攻读博士学位期间的科研成果

致谢