在先進制造領域，精(jing)密零件的(de)(de)制造和封(feng)裝等過程不僅(jin)對(dui)環境要求(qiu)高，零件的(de)(de)轉運也是(shi)保證質量的(de)(de)關鍵(jian)環節。針對(dui)大尺寸超(chao)薄玻璃基板，探(tan)索一(yi)種非接觸、無污染、微重力(li)的(de)(de)懸浮傳輸(shu)技術的(de)(de)理論(lun)支撐(cheng)基礎是(shi)目前亟待解決(jue)的(de)(de)問題。

在各種非(fei)接觸傳輸(shu)技術中(zhong)，超(chao)聲懸浮傳輸(shu)的(de)優(you)勢應(ying)運(yun)而(er)生。本(ben)文總結了不同傳輸(shu)方式對被傳輸(shu)物體的(de)體積(ji)、傳輸(shu)的(de)范圍及速度的(de)限制(zhi)，分析了駐波-行波混(hun)合驅動進行超(chao)聲懸浮傳輸(shu)可能存(cun)在的(de)問題，展望了聲懸浮傳輸(shu)的(de)應(ying)用前景。

聲懸浮現象是高聲強聲場中的一種非(fei)線性(xing)現象。

在駐波聲場中，可以通過聲輻射壓力將懸浮目標捕獲在(zai)聲場(chang)平衡(heng)位置。

對被懸浮物傳輸時，可以通過主動調制諧振腔中聲壓分布，實現駐波聲場中勢阱點的位置轉移，從而在聲場作用下實現粒子懸浮傳輸。

聲懸浮技術具有以下優點：良好的生物相容性；水平聲壓梯度產生的水平穩定性；對被懸浮物(wu)體沒有特(te)定屬性(xing)、特(te)定形(xing)狀要求等性(xing)質。

超聲懸浮傳輸技術按聲波傳播方式分為駐波懸浮傳輸和行波懸浮傳輸。

目前，聲懸浮傳輸/操縱的方法按照聲場的種類可以分為(wei)駐波調節(jie)、換能器陣列和行(xing)波驅動等方式(shi)。

基于單軸式裝置駐波節點

調節的小物體懸浮傳輸

駐波懸浮時，聲波在對稱的諧振腔中反復疊加形成駐波聲場，物(wu)體懸浮在聲壓節(jie)點附(fu)近(jin)。

因此，可以控制頻率、諧振腔長度和相位改變聲壓(ya)節點位置，在駐波懸浮的基礎上進行傳輸。

Kozuka等使用線聚焦懸浮裝置，通過調整聲源頻率和對換能器輸出面的分區驅動，實現了氧化鋁小球的二維移動。\

另一工作通過改變諧振腔長度的方式移動聲壓節點，使用單換能器實現了小液滴的超聲駐波傳輸。

此外，若通過調整相位的方式，可以獲得更為連續穩定的一維懸浮(fu)傳輸能力(li)。

Matsui等在1995年即采用對置式換能器裝置，對聲源相(xiang)位差與懸浮位置和聲輻射力的(de)關系(xi)進行了(le)實驗(yan)研究。

為了擴大傳輸范圍，增加聲場的多樣性，除了調制聲場本身的參數，還可以設計不同形式的諧振腔。

有研究人員研制了非軸對稱超聲懸浮裝置，對交叉的聲束形成的聲場聲壓分布進行了計算和仿真，并實現聚苯乙烯小球的正弦型和橢圓型軌跡傳輸，發現調相的方法傳輸范圍更大，傳輸過程更平穩。

另一項工作中研制的二維軸線交叉裝置，實現了懸浮物水平方向直線傳輸12 mm，且矩陣(zhen)法(fa)計算(suan)聲(sheng)場的數值(zhi)計算(suan)結果(guo)與(yu)實驗相符。

可見，采用調節2個換能器的激勵相位差和幅值的方法，可以實現小物體的連續超聲駐波懸浮傳輸。

基于換能器陣聲場調制的

物體懸浮傳輸

為實現長距離和大范圍的懸浮傳輸，可以將多個單軸式的裝置組合起來，形成換能器陣列。

有研究團隊搭建了由24個壓電換能器組成的環形壓電換能器陣，該裝置通過切換電極片間的輸入信號，旋轉激勵平面與反射面間的駐波聲場，在直徑為30 mm的激勵平面上實現了7.5°的移動精度，完成了聚苯乙烯小球圓形懸浮運動。

在此基礎上，研究團隊將此裝置與直線傳輸裝置結合(he)，進行被(bei)傳(chuan)輸物體的(de)彈(dan)出(chu)與(yu)捕(bu)獲，實現了曲(qu)線(xian)與(yu)直線(xian)傳(chuan)輸軌跡的(de)轉換。

另一(yi)種由多個15 mm×15 mm換能器組成的陣列(lie)（LPT），通過控制相鄰換能器的振幅，使直徑1.5 mm的(de)懸浮液滴(di)在陣元之間平滑(hua)地移(yi)動與融(rong)合。

同(tong)時研(yan)究了液滴間懸(xuan)(xuan)浮混合、固液間懸(xuan)(xuan)浮混合、細胞DNA轉染等技(ji)術(shu)，證實該裝置也能實現細長型物體的(de)傳(chuan)輸。

在此基礎上，研(yan)究團隊(dui)換用彈性反射面，利用(yong)聲壓引起的(de)反(fan)射面變形增(zeng)強聲場強度，實現了直徑5 mm，重5 g的(de)鋼球懸浮(fu)傳輸(shu)。

Dong等使用類似(si)的技術，實現了聚苯乙烯小球的多層懸浮傳輸。

換能(neng)器陣列也能(neng)夠實(shi)現(xian)三維傳輸，Hoshi和Ochia等利(li)用相控陣聚焦技術，使用(yong)三維換能器陣式懸浮裝置，可在(zai)空(kong)間任意(yi)位置產生駐(zhu)波，實現直徑為0.6 mm的(de)多個聚苯(ben)乙烯的(de)三(san)維位置改變(bian)。

該(gai)裝(zhuang)置可(ke)以懸(xuan)浮(fu)起最(zui)大密度為5 g/cm3的物(wu)體組成圖(tu)形，并(bing)應用于毫米級物體的模擬(ni)。

綜上所(suo)述(shu)，利用多(duo)個換能器組成的(de)換能器陣，調(diao)節相(xiang)(xiang)鄰陣元間的(de)激勵相(xiang)(xiang)位(wei)差和幅值，可以實現小物體的(de)連續超聲駐波懸浮傳輸。

基于行波驅動的物體懸浮傳輸

駐波(bo)(bo)懸(xuan)浮傳(chuan)輸時，被捕(bu)獲在節(jie)(jie)點的(de)物體(ti)隨節(jie)(jie)點位置的(de)移動(dong)(dong)而移動(dong)(dong)，只能傳(chuan)輸球形且尺寸(cun)小(xiao)于波(bo)(bo)長的(de)物體(ti)，且限制(zhi)了傳(chuan)輸速度與傳(chuan)輸距離。

行波懸浮傳輸依靠行波在振動(dong)彈性體(ti)內的傳播，推動(dong)被懸浮(fu)物(wu)移動(dong)，可(ke)以突(tu)破駐波懸浮(fu)傳輸對被懸浮(fu)物(wu)體(ti)尺寸、移動(dong)范(fan)圍(wei)和移動(dong)速度的限制。

Hashimoto采用行波傳輸，實現了基于行波驅動的大物體、快速、長距離超聲懸浮傳輸。

該長距離超聲懸浮傳輸采用2個換能器“激振-吸振"模(mo)式(shi)，其中一個換能器(qi)(qi)吸振，在振動平面上形成行波。當吸振換能器(qi)(qi)接入的匹(pi)配電路參數調制合適時，可獲得純行波。

他們還改進了振動彈性體的橫截面形態，從而增強了傳輸(shu)的橫向穩(wen)定性(xing)。

在實際應用中(zhong)需要引(yin)入額外的(de)(de)(de)測量(liang)和(he)控制方法，對匹配電路的(de)(de)(de)參數進行實時調整，導(dao)致這種方法的(de)(de)(de)實用化成本較高、控制難度大。

在“激振-吸振"模式的研究中，也采用硅橡膠等減振材料用于(yu)物(wu)理“吸振(zhen)"。這種減(jian)振(zhen)材料的選擇難度大、體積(ji)計算復(fu)雜、安(an)裝困難。

而無論采用何種方式，“激振-吸振"模式的行波懸浮傳輸都無法實現傳輸的啟停、傳輸方向和傳輸速度的自動控制。

利用減振材料(liao)吸振的行波(bo)懸(xuan)浮傳輸(shu)(shu)實例（近場懸(xuan)浮）（a）利用行波(bo)傳輸(shu)(shu)聚苯(ben)乙(yi)(yi)烯(xi)小球；（b）利用行波(bo)傳輸(shu)(shu)乙(yi)(yi)醇液滴

此外，機械波在傳遞過程中產生消耗，行波在振動彈性體上的振幅一端高、一端低，導致了懸浮力分布不均勻。

Ide和Koyama等搭建了2種超聲傳輸裝置，改善了“激振-吸振"方法中存在的懸浮力不均勻問題，提出了兩側換能器同時激勵振動的方式，發現存在特定的兩換能器激勵相位差Δθ，能夠(gou)在直線導軌上形成行波，以138 mm/s的速度(du)傳輸90 g的滑塊。

基于行波-駐波混合驅動的

物體懸浮傳輸

行波傳輸可以長距離、高速度地傳輸較大的平板物體，然而對行波聲場的計算和仿真有一定(ding)難度，對行波傳輸的研究尚(shang)停留在(zai)對振動分(fen)布、聲輻射力和懸浮(fu)距離(li)的探討層面。

近年來，對行波-駐波混合驅動傳輸物體時，激勵相位差和懸浮高度、傳輸速度、傳輸方向的關聯性的研究廣泛開展。

目前，基于控制激(ji)勵相(xiang)位(wei)差(cha)的方(fang)法已被應用于超(chao)聲長距離(li)懸(xuan)浮傳(chuan)輸。

有研究人員使用平行對置式換能器裝置，通過連續調節兩換能器的驅動相位差，移動沿振動平板方向的駐波，帶動聚苯乙烯小球、乙醇液滴等小物體的直線懸浮傳輸。

Mu等在類似的裝置上實現了長度為265 mm的行波聲場。

另一項研究在此基礎上對結構進行拓展，在四角布置換能器的170 mm×170 mm聲輻射面內進行懸浮傳輸，通過連續調節相位720°實現了小球(qiu)28 mm的位(wei)移。

也有研究人員對平板形物體對駐波聲場聲壓分布的影響進行了仿真計算，并隨后采用控制激勵相位差的方法，進行了25 mm×25 mm×1 mm聚苯乙烯平板的懸浮傳輸實驗，觀察到特定相位時行波成分較高，物體位移顯著增強。

結論

超聲懸浮傳輸技術具有微重力、無容器的環境特點，能夠實現對懸浮物的非接觸操控，可以很(hen)好地模擬空(kong)間實驗條件。

超聲懸浮傳輸技術對被懸浮物體沒有特定屬性要求，橫向穩定性較好，有良好的生物相容性，可以為研究提供一個穩定、均勻、無污染的理(li)想環境(jing)，可廣泛應(ying)用于材料(liao)科學、生物化學、液(ye)滴動力學等(deng)科學領域。

在材料科學領(ling)域(yu)，超(chao)聲傳輸(shu)技(ji)術(shu)可(ke)用于新型材(cai)料的(de)制(zhi)備與檢測，通過控制(zhi)被懸浮物體的(de)位置及(ji)高度等，不僅(jin)確(que)保了被分(fen)析(xi)的(de)小液滴遠離容器壁(bi)以(yi)避免污染，還實現了監測，避免容器壁(bi)對檢測的(de)影響。

在制造業和生物技術領(ling)域，超聲傳(chuan)輸技(ji)術可以實現晶(jing)圓(yuan)和微機(ji)電系統（MEMS）零件的(de)穩定翻(fan)轉、定速運動(dong)等操作，在非接觸的(de)情況下完成(cheng)晶(jing)圓(yuan)的(de)精(jing)密定位(wei)和MEMS的(de)準確(que)裝配。

在液滴動力學的(de)研究(jiu)中，超聲傳輸技術(shu)可以(yi)保障(zhang)液滴準(zhun)確并穩(wen)定地(di)撞(zhuang)擊，從而高效完成動力學性能的(de)分析實驗(yan)。

隨(sui)著(zhu)中國在先(xian)進電子制造領域和微機電系統技術(shu)領域的(de)進步(bu)，對精密器件的(de)轉運提出了更高的(de)要求。

超聲懸浮傳輸具備巨大的發展潛力和廣泛的應用前景，但還需要進一步改進系統集成度，完善動態聲場下物體傳輸的機理，并解決被傳輸物體的位置、方向、速度的控制問題，推(tui)進中國在先進電子制造領域和MEMS技術領域的發(fa)展。