近場超聲非接觸支撐與傳輸系統(tǒng)的理論與實驗研究.pdf

1、近場超聲懸浮（Near Field Acoustic Levitation簡稱 NFAL)是近年來應用于半導體制造與微機電系統(tǒng)（MEMS）技術領域中非接觸式支撐與傳輸系統(tǒng)的新技術。在半導體制造與微機電系統(tǒng)技術領域，對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程中，由于機械接觸會損壞晶圓表面，并且產生微小顆粒破壞工作空間潔凈度，制約了制造技術的發(fā)展。鑒于接觸式晶圓傳輸過程中所遇

2、到的問題，本文采用近場超聲懸浮實現(xiàn)對非接觸傳輸系統(tǒng)的精確理論建模與設計優(yōu)化，并通過實驗平臺的搭建和測試，分析了非接觸支撐與輸送過程中系統(tǒng)的各項動態(tài)性能指標。實驗數(shù)據(jù)與理論計算的吻合也證實了模型的精確度和可靠性。主要研究內容如下：
　　基于粘性流體運動微分方程，深入研究了近場超聲懸浮機理。通過對氣體的動態(tài)彎曲邊界、氣體慣性力以及氣膜邊緣效應建模分析，建立了處于近場超聲場的氣體擠壓膜理論模型。并針對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。模型中加入了對輻射面的彎曲振型的表達項，擴大了模型的適用范圍；對于慣性力和邊緣效應的建模，更是提高了模型的精度；量化求解實現(xiàn)了模型對懸浮的定量描述，提供了懸浮過程中氣膜的壓力、流速分布以及懸浮力、推進力等。
　　建立了非接觸傳輸系統(tǒng)中導軌—氣膜—被懸浮物體的動力學耦合模型，分析了豎直的支撐力和水平推進力與行波驅動的基本關系。運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，擠壓膜對其產生的回復力和回復力矩，從而討論具有不同橫截面的振子產生的擠壓膜的抗干擾能力，為驅動部件的尺寸優(yōu)化提供理論依據(jù)和優(yōu)化方法。
　　針對壓電驅動部件的機電耦合特點，本文提出換能器與大面積振動頭耦合的有限元模型，用于系統(tǒng)驅動部件的分析與設計。通過模型仿真計算，討論了部件沿軸線方向和橫向的振型分布，阻抗特性等。實驗結果驗證了大面積振動頭對整個系統(tǒng)的耦合效應。另外，通

5、過仿真分析了尺寸對器件的機電特性的敏感性，形成了一套對用于近場聲懸浮振子的開放式的優(yōu)化方法。
　　最后，設計并搭建了非接觸懸浮和傳輸?shù)膶嶒炏到y(tǒng)和測試平臺。針對不同大小的晶圓設計了兩種直徑的懸浮裝置，用于與實驗數(shù)據(jù)的對比分析和驗證模型的可靠性。在設計傳輸系統(tǒng)時，討論了機械阻抗和電學阻抗匹配問題，并在實驗中得出最佳匹配方案。針對支撐與懸浮過程中的各項動態(tài)性能指標，設計了動態(tài)測試方案，為本文提供有力的數(shù)據(jù)以便對各理論模型進行全方位評估。