[科普中国]-辐射力

辐射力是指单位时间内物体单位表面积向半球空间所有方向发射出去的全部波长的辐射能的总量，它的常用单位是W/m2。

概念辐射力从总体上表征物体发射辐射能本领的大小。可将辐射力超声波俘获技术应用到微机电系统中，以达到对微构件进行无损、非接触遥操纵的目的，开展微构件在超声波场中所受辐射力的理论研究。

微构件所受超声辐射力理论研究微机电系统作为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种科技，一直以来对微米级至纳米级尺度下的微构件实施有效操纵有着强烈的需求。特别是随着微机电系统领域从原来注重单元零部件的生产向混和系统的集成方向高速发展，微构件操纵技术更加体现出其重要性和迫切性，探索新理论、新机理并发展这种技术，已成为微机电系统这个新兴技术领域内一个最基础、最关键的热点研究课题之一。1

对于微构件的操纵技术，研究尚处于探索阶段，主要是针对微构件的抓取、传输、释放等基本过程的操纵机理及装置而展开，包括以下几个方面：

(1)利用压电陶瓷将宏观装配操纵技术延伸到微观领域中，以尺寸上的微型化和动作上的精确化进行操纵。这种操纵技术具有较大的进给力和较好的空间灵活性，但因压电陶瓷受激发后的形变量较小，导致操纵体构件的空间行程范围狭小，而增多压电陶瓷以图增大空问行程的做法又引起累积误差。同时由于这种方式是直接接触式操纵，不可避免地受到空间障碍的限制，并伴有静电力的不良影响。

(2)采用力的尺寸效应发展的新型微构件操纵技术。在微观领域内，表面张力、粘附力、静电力等面积力代替了重力、浮力、惯性力等体积力成为主导力，因而可利用上述面积力作为对微构件的操纵力，从而发展了一些新型的微构件俘获技术。但是，该技术还仅停留在相关操纵力可控性的研究上。

(3)应用光辐射力实现对微构件非接触遥操纵。这种技术利用光的力学特性，对微米级以下的微小物体使用激光束产生的光场进行俘获。实践证明该技术可以实现对微生物、染色体和细胞等的移动、旋转及空问悬浮等非接触操纵。但是，由于光的特有属性，该技术不能在非透光环境或非透光物体的俘获中应用。

基于以上背景，结合超声波所具有的良好特性和力学性能，本文开展了不同超声波场中微构件所受超声辐射力的理论研究和分析，以期将超声波力学特性应用到微机电系统中，实现对微构件的无损、非接触遥操纵。

构件的声辐射力理论对于微米至纳米级尺寸的微构件，其空间体积远远小于超声波波长，因此，可以忽略其形状因素而简化为一个球形体。设定微构件的材料特性各向同性，其受力产生形变各向均匀，所处环境是连续的、没有黏性的理想介质，并且整个受力过程绝热，同时，超声波为小振幅波，环境温度为室温。

超声驻波声场与微构件所受辐射力的关系如图1所示。在声波场的波峰、波谷和驻点，微构件所受辐射力均为0。声场中A和B处的辐射力的正负符号不同是因为辐射力的方向是不同的，但都指向就近的声场驻点，即声场中任意位置的微构件都有向就近声场驻点运动的趋势。

超声俘获技术的可行性以上对行波场中微构件所受辐射力的理论推导是在距离波源较远的远场建立的，而远场波的能量较小，不适用于实际俘获过程。为了能更好地实现俘获，需要将波源靠近微构件，使俘获过程发生在近场，而近场为球面场。

在纯水介质中，r=1 μm的钢微构件分别处于f=1.75 MHz，A=1×10-4 m的超声球面场和驻波场中，其所受辐射力如图2。从图2可以看出，超声球面场中的微构件所受辐射力在声轴上随距离增大急剧衰减，很难加以实际应用。驻波场中微构件所受辐射力在声轴方向呈现周期性，有较强的规律性和良好的可控性，因而下面将对利用超声驻波场俘获微构件进行研究。

当微构件体积较大或密度较大时，只要适当调节超声波频率和幅值便可增大辐射力，实现俘获。由于超声波俘获是非接触的遥操纵，可以克服接触式俘获技术中俘获器尺寸的限制，因此，能够适合尺寸在微米级以下的俘获对象的应用。

微构件所受超声辐射力的影响因素各种微构件材料的可压缩性是不同的，并对辐射力产生了不可忽略的影响。微构件所受超声辐射力与很多因素有关。首先，超声辐射力作为一种面积力受到微构件尺寸的影响。聚乙烯微构件所受辐射力与其半径盘的关系如图3所示，这是在纯水环境中不同半径聚乙烯微构件在f=1.75 MHz，A=1×10-4 m的超声场中所受到辐射力曲线。从中可以看出，驻波场中微构件所受辐射力在声轴方向上呈现出周期性，不同尺寸微构件在相同位置受力值的符号是相同的，即相同位置处微构件受力的方向相同。微构件受力除超声驻波场的驻点、波峰和波谷为。其他位置辐射力值随距这些点距离增大而增大，并同构件的体积成正比关系。

其次，超声波的频率对辐射力也产生影响．图4为在纯水环境中a=1 μm的聚乙烯微构件在A=1×10m-4、不同频率的超声场中的受力图。可以看到辐射力在声轴方向呈现周期性，相同空间位置处的辐射力的大小和方向都不同。因为在声轴上的声场驻点位置微构件所受辐射力相等且恒为0，驻点周围辐射力均指向驻点，而微构件就陷落在这种势能最低最稳定的环境中，有人称其为声势井，Matlab仿真结果如图5所示。因为不同的超声波频率产生的驻点排布密度不同，所以可以通过变化超声波频率对驻点位置进行调整，从而达到对声势井内俘获的微构件进行搬运的目的。由于频率越高的超声波在相同的空间距离上驻点的数目越多、排布越密，可以利用和调节较高频率的超声波实现对微构件较高尺寸精度的操纵。

再次，介质环境和微构件的密度有时相差很大，因此这两者的密度比值对微构件辐射力有很大的影响。通过仿真得到辐射力和该比值的关系为图6和图7。图6是在纯水中依次选用a=1 μm的聚乙烯、有机玻璃、石英、铝、钢、铸铁、铜、铅等材料的微构件密度比值和辐射力的关系。图8为a=1 μm的聚乙烯微构件在汽油、乙醇、蓖麻油、纯水中密度比值与辐射力的关系。从图6可以看出随着微构件材料密度的增大，其受到的辐射力也相应增大，但是当密度比值增大到一定条件(当微构件材料与纯水密度比值>7.8)时，微构件所受的辐射力大小相差不大，即此时密度比值对辐射力的影响程度变得很小。从图7也可看到类似的情况，但比值范围发生了变化。2

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