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Research and Development

超声键合

用于IGBT模块粗铝线超声焊接的超声板结构图所示，其中采用了Ti公司的DSP芯片TMS320F28377D（主频200MHz）和Altera公司的FPGA芯片EP4CE10F17C8（逻辑资源10K）来实现基于矢量法的频率追踪和恒振幅控制。正弦波通过ADI公司的DDS芯片AD9833产生，并且FPGA通过SPI与DDS芯片AD9833通讯从而实时的改变AD9833输出的正弦波的频率，从而实现频率追踪。AD633是ADI公司的一款4象限模拟乘法器，DSP芯片的DA输出通过乘法器AD633和DDS芯片AD9833输出的正弦波相乘，从而改变正弦波的幅值。然后，AD633输出的幅值和频率可控的正弦波信号通过模拟功率放大器PAM08（功率100W，功率带宽300kHz）进行功率放大，然后通过变压器驱动粗铝焊接的超声换能器。模拟功放PAM08通过正负48V的开关电源进行供电。超声换能器的工作频率为60kHz，并且在超声板上，电压和电流信号分别经过高精度采样电阻（精度0.1%）进行采集。电压电流的采集信号经过滤波器后传递到有效值转换芯片AD8436转换为电压和电流的有效值信号Urms和Irms，然后通过DSP的AD转换进行采集。同时，电压电流的采集信号也经过过零比较器转换为方波信号Usq和Isq，FPGA通过检测方波信号上升沿的时间差得到相位差，然后将相位差信号传送给DSP。最后，在DSP中，经过矢量法频率追踪和恒振幅控制器，产生相应的频率和DA输出值，通过DDS芯片AD9833和模拟乘法器AD633改变输出正弦波的频率和幅值，从而实现对超声换能器的频率追踪和恒振幅控制。用于粗铝线超声焊接的超声驱动板如图所示，超声焊接平台如图所示。激光多普勒（型号HSV 700）被用于测量超声换能器劈刀末端的振幅Va，并且通过泰克示波器（MDO3024）显示超声换能器的电压Vo，电流Io和振幅信号Va。超声换能器被安装在旋转绑头上并且绑头上安装有压力传感器用于维持超声焊接过程中压力的恒定。工控机通过8位的并口控制输入控制超声板输出超声振幅的大小。由于超声换能器的工作频率一般在60kHz左右，在进行IGBT模块粗铝线超声焊接之前，超声驱动板首先进行扫频，得到串联谐振频率fs，然后，焊线过程中，工控机通过并口控制超声的输出。

实验平台结构如图所示，主控制器采用TI公司的DSP控制器TMS320F28377S和Altera公司的FPGA型号EP4CE15F17C8N。超声换能器的电压信号和电流信号通过采样率为20MHz的高速ADC芯片AD9238BCPZ20进行采集。ADC将电压v(t)和电流i(t)信号量化为数字电压v(n)和电流i(n)信号。FPGA通过希尔伯特鉴相器和RMS计算模块进行计算，并且通过EMIF并口通信将计算得到的Hsin，Hcos，Urms和Irms信号传输到DSP。DSP通过导纳圆ESC算法计算得到相应的驱动频率并且通过其PWM模块驱动全桥电路改变输出电压的频率。实验测试平台如图6-10(b)所示，其中换能器的频率为19.8kHz，使用激光多普勒测量换能器劈刀末端的振幅。换能器的电压和电流信号通过示波器MDO3024进行采集记录。

实验平台结构如图所示，主控制器采用TI公司的DSP控制器TMS320F28377S和Altera公司的FPGA型号EP4CE15F17C8N。超声换能器的电压信号和电流信号通过采样率为20MHz的高速ADC芯片AD9238BCPZ20进行采集。ADC将电压v(t)和电流i(t)信号量化为数字电压v(n)和电流i(n)信号。FPGA通过希尔伯特鉴相器和RMS计算模块进行计算，并且通过EMIF并口通信将计算得到的Hsin，Hcos，Urms和Irms信号传输到DSP。DSP通过导纳圆ESC算法计算得到相应的驱动频率并且通过其PWM模块驱动全桥电路改变输出电压的频率。实验测试平台如图6-10(b)所示，其中换能器的频率为19.8kHz，使用激光多普勒测量换能器劈刀末端的振幅。换能器的电压和电流信号通过示波器MDO3024进行采集记录。

兆声清洗

兆声波清洗作为半导体加工产业的重要一环，在我国先进制造业发展进程中占据重要地位。兆声波清洗利用1MHz（1000000Hz）以上的高频机械震动，通过在液体中施加高频震动声波的方式，可以在不损伤物体表面的情况下有效清理加工过程中附着在半导体蚀刻沟槽内的杂质、碎屑和污渍。相比传统低频超声波清洗系统，兆声波清洗具有更高的清洗精度、更高的能量密度、更低的清洗损耗，具有低损伤高精度以及高能量集中度的优势，更适合于半导体硅基的表面清洗。此外兆声波清洗具有喷头、水槽等多种换能器结构，可以满足不同清洗系统需求。本课题组与深圳市清洗领头企业鑫承诺环保科技股份有限公司合作共同研制开发了可应用于半导体清洗的兆声波喷淋清洗系统，该兆声波清洗系统内部搭载多功能兆声波喷头，可在喷淋液柱中引入兆声波，实现在液柱喷淋过程中实现兆声波冲洗效果。针对不同种类的清洗对象，可选配不同频率和功率的喷头，从而满足多种清洗需求。此外兆声波清洗系统还配套有热氮气喷淋机构和机械旋转装置，可以实现夹持半导体硅片、旋转硅片等机械动作，以及热氮气风干硅片能力。清洗设备主要采用超纯水结合兆声波喷淋方法针对晶圆表面进行清洗，工艺过程为：兆声波喷淋清洗、兆声波喷淋漂洗、离心甩干干燥等。对晶圆表面颗粒及金属离子进行清洗；兼容6~8寸标准晶圆片的清洗。管路部分由喷淋管路和排水管路部分构成，为了保证工作介质的洁净度，避免杂质析出，上下水管材质均为高纯度PP超洁净材料；并采用高纯度氮气（99.9999%）作为压力源，利用压差把EDI水稳定持续的从储液桶中挤压到喷淋管路中；再通过兆声波喷头作用在晶圆片表面上。在进行兆声波喷淋的过程中旋转装置带动晶圆片以适当的速度旋转，利用水的张力和旋转产生的离心力保持在晶圆片表面覆盖2mm厚的水膜，以保证兆声波的能量可以作用到晶圆片表面。

兆声波发生器用于驱动兆声喷头或兆声水槽以产生高超频率的机械振动，将半导体硅片表面的杂质高效率的去除。该系统由控制模块、功放模块、反馈模块、电源模块、以及触摸屏模块等组成。兆声波发生器基本功能包含：（a）可产生兆赫兹级电压驱动信号，具有多种频率输出能力；（b）具备多路输出能力，可驱动兆声波槽式换能器或兆声波喷头式换能器；（c）具有扫频功能，在驱动过程中可往复调节驱动频率，实现换能器负载均匀工作；（d）具有追频功能，可在工作过程中自动追踪最小阻抗点，提高换能器工作稳定性；（e）具备换能器监测功能，在换能器阻抗过大时进行工作状态异常报警并停止工作；

超声检测

课题组超声无损检测方向主要是超声绝对应力检测和缺陷检测两个方向。钢材料的绝对应力检测是评估以钢构件为基础的建筑安全状况的重要指标。与盲孔法、环芯法不同，超声应力检测对被检测物体没有损伤。相比于X光检测法、中子衍射法、涡流法而言，超声应力检测对被检测物体没有材料要求，设备便于携带，性价比高。钢材料应力检测的理论基础是声弹性理论，其中超声纵波声速对应力敏感系数最高。临界折射纵波具备衰减慢、受材料组织干扰小的优势，是研究超声应力检测的首选。为了便于钢材料中应力速度的测量，固定声程法通过研究临界折射纵波在固定传播路径中传播时间的变化来获取钢构件中的绝对应力。目前超声绝对应力检测的主要内容是超声信号处理和超声绝对应力检测仪器研制。

目前业内没有钢构件内部节点三维绝对应力检测的仪器，本课题组与土木学院滕老师课题组合作共同研制钢构件三维绝对应力检测仪器。整个仪器的设计方案包括系统的控制器、超声信号发生器、接收器和检测软件。系统的控制器是上位机，上位机控制信号发生器、信号接收器以及检测软件的工作。超声信号发生器负责信号的产生。信号接收器功能是将接收钢构件中的信号。检测软件根据接收到的信号求解钢构件中的绝对应力。目前已完成上位机软件的制作，超声发射和接收板卡处于研制和优化中。

超声发射板卡是检测系统驱动端的核心，其功能目标是生成一定的超声驱动信号驱动压电式超声探头产生超声纵波信号。目前常用高压尖脉冲的方式来实现探头的驱动，需要设计相应的变压、驱动、控制、功放等电路，使得输出尖脉冲的幅值、脉宽、重复频率稳定可调。

整个发射板卡如图所示，由高压电源和信号发射模块组成。发射板卡可以产生双通道高压脉冲信号，为此MCU产生两路独立的PWM信号和DAC信号。具备双发射通道；对应的超声传感器组的中心频率0.5-5 MHz; 发射脉冲的重复频率125-1000Hz;

超声接收板卡负责接收接收探头检测到的电信号，主要架构如下图所示，主要包括FPGA控制模块、PCI控制器、时钟电路、ADC数模转换模块、电源模块、模拟调理电路、存储模块等组成。

超声无损缺陷检测技术是一种新型的检测技术，其优势在于可以在不破坏待测物件的前提下，实现对待测物件内部缺陷的检测和分析。无损检测的基本原理是，超声波信号在介质中传播时，若待测物件中存在缺陷，则其传播方向或声波介质特征会发生改变，通过对回波信号的特征进行抽取和分析来获得待测物体内部结构信息。目前的无损检测研究多以阵列式超声探头为主，配合相应的控制算法，如合成声束控制、全矩阵超声检测技术等实现原始信号的获取。在此基础上借助一定的信号处理算法进行原始信号的预处理与特征提取，最后与图像处理、人工智能等算法相结合实现检测图像重构、缺陷识别、缺陷分类等。

精密加工

原理：搅拌摩擦焊是利用旋转焊具与工件摩擦产热，使焊接材料局部塑化，当焊具沿焊接界面向前移动时，在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。超声搅拌摩擦焊接是通过超声振动系统，将声能传递到焊接区域，利用超声对金属塑性变形的影响，提高焊接质量。技术：(1) 新型超声搅拌摩擦焊接设备；(2) 超声搅拌摩擦焊机械臂振动控制抑制技术、机械臂动力学特性控制、轨迹控制以及柔性系统集成技术；(3) 超声搅拌摩擦焊工艺系统开发与数据挖掘优化，包括焊接机理研究、焊接力学特性和显微组织的表征。应用领域：应用于航天航空、轨道车辆、新能源汽车、船舶等领域的搅拌摩擦焊接技术。

原理：在传统主轴高速转动基础上，通过超声振动模块产生的超声振动，通过变幅杆将高频振动传递到刀具上，利用振动冲击效应辅助进行工件超高精密加工制造。技术:高频超声换能器设计，结构优化测试；超声学理论的应用研究；有限元分析方法；材料本构方程；超精密加工制造材料去除机理。应用领域：针对碳化硅，蓝宝石，氧化锆，硬质合金，光学玻璃，碳纤维复合材料的超声钻孔加工。玻璃加工：效率提高30%，粗糙度提高1倍，刀具寿命提高3倍，整个CNC制程良率提高8%。蓝宝石加工：效率提高50%，粗糙度提高1倍，刀具寿命提高3倍。陶瓷加工：效率提高30-60%，刀具寿命提高2-5倍。进展：已经研发出：HSK32,ISO25,BT30,BT40系列超声换能器刀柄，超声电主轴。可实现传统刀柄达不到的质量和工艺：粗糙度可在传统刀柄最佳基础上提高1倍，可实现传统刀柄难以实现的加工工艺

纳米平台

三自由度纳米定位平台是由4组独立驱动的压电陶瓷堆驱动，通过桥式放大机构实现大于100μm的运动行程，实现Z轴垂直方向、Rx,Ry两个角度的三自由度定位平台。由于具有多方向运动输出、长行程、高灵敏度、误差无积累、无间隙无耦合等优势，这种三自由度平台很方便组合成为更多维度的运动平台，因此被广泛应用于高精密运动平台与装备。针对当前精密定位平台的需求，本项目选择这类典型的三自由度纳米平台为研究对象，如图所示。以压电叠堆和柔性铰链相结合的桥式放大机构为基础，采用轴对称形式与杠杆位移放大原理，研究微位移放大机构的设计方法，对微位移放大器及微纳压电定位平台进行性能仿真，旨在获得大行程、大推力、强负载能力的压电叠堆微位移放大器和压电定位平台；研究大功率、高分辨率、低纹波高压电源，旨在获得稳定可靠的驱动电源支持平台实现快速且稳定的纳米级运动；研究压电陶瓷迟滞、蠕变等非线性的逆模型构建，模糊自适应控制、模型预测控制、超螺旋高阶滑模控制等闭环控制算法，旨在设计快速响应的高精度复合位移控制器以补偿压电陶瓷的迟滞和蠕变特性带来的压电定位平台重复定位精度降低的问题；开展三自由度纳米压电平台纳米定位实验，对响应速度、位移线性度、重复定位误差、推力及负载能力等关键计数指标进行验证及优化。综合以上研究，以期形成完整可靠的三自由度纳米压电平台控制系统，针对光刻、光纤对接、细胞检测等领域的纳米定位需求形成完备的技术解决方案及理论体系。

定向超声

应用：普通扬声器所发出的声波是向四周全方位地传播，不具有指向性，会不可避免地造成能量损失和噪音干扰。而声定向系统是一种新型音源，其生成的可听声具有高指向性，能够仅在特定区域内传播，可广泛应用于数字娱乐、广告传媒、餐饮、艺术创作等领域。例如，在展馆内形成一个个互相独立、互不干扰的音区，让每一副作品拥有独立的语音导览；在餐馆中根据客人喜好打造私人的音乐空间，同时不影响到其他顾客；将广场舞音乐聚焦至跳舞区域，切断广场舞声音对周边居民的干扰。

基本原理：声定向系统以声参量阵为理论基础，涉及到非线性声学、信号处理、超声阵列设计等多项技术。在声定向系统中，首先通过信号处理将音频信号调制到超声频段，后利用超声换能器阵列将调制的超声载波信号发射至空气中，并通过空气的非线性自解调作用还原出原始音频。还原的音频信号由于超声信号本身的强指向性而同样具有了定向传播的特点。
研究内容：目前，本课题组对声定向系统的研究主要集中在信号调制算法、声音指向性优化、超声换能器阵列设计等方面，已成功实现了基于DSB调制算法的小型声定向系统，能够生成具有一定指向性和保真度的定向音频。此外，还有针对性地建立了声定向系统测试方法，开展了指向性规律测试、三维超声阵列实验等研究，对声定向系统的各环节进行了较为深入的研究和分析。

项目

序号	时间	项目类型	项目名称	参与方式
17	2022年1月-2025年12月	国家自然科学基金委面上项目	面向3D芯片封装的双向复合超声键合机理及其换能系统设计与控制	主持
16	2020年1月-2023年12月	国家自然科学基金委联合基金	多自由度大行程微纳操控机器人关键技术研究	主持
15	2019年12月-2022年1月	国家重点研发计划重大项目	批量化制造产线数控装备精度退化机理及稳健自愈方法	主要参与人员
14	2020年2月-2023年2月	其他省级省属厅局项目	高精度环面涡轮蜗杆减速器的研发与产业化	主持
13	2018年1月-2021年12月	国家自然科学基金-深圳联合基金重点项目子项目	仿生两栖作业机器人关键技术研究	子项目负责人
12	2019年1月-2020年12月	深圳市协同创新计划国际合作研究项目	多频率旋转超声加工系统研发与工艺机理研究	主持
11	2018年1月-2020年12月	深圳市发改委学科建设	智能机器人学科建设	子项目负责人
10	2017年9月-2020年9月	深圳学科布局项目	面向电子装备精密操作的压电智能系统优化设计与控制研究	主持
9	2015年1月-2018年12月	国家自然基金面上项目	基于超声调制静电驱动的微细电火花加工新方法研究	主要参与人员
8	2016年8月-2018年8月	深圳市战略性新兴产业和未来产业发展专项资金	深圳医用智能无线超声成像技术工程实验室	主要参与人员
7	2015年10月-2017年10月	深圳基础研究计划	面向硬脆材料的多模态超声辅助加工工艺与关键技术	主持
6	2015年8月-2017年8月	南山区自主创新产业发展专项	无损检测物联网应用技术中心	主要参与人员
5	2012年1月-2015年12月	国家自然科学基金委——广东联合基金项目	面向微电子制造的高速高精度运动平台的设计及控制科学问题与关键技术研究	主要参与人员
4	2013年1月-2014年12月	广东省产学研	LED焊线机的新型超声换能器设计与产业化	主持
3	2016年8月-2018年8月	深圳市战略性新兴产业和未来产业发展专项资金	深圳医用智能无线超声成像技术工程实验室	主要参与人员
2	2012年11月-2014年11月	深圳基础研究计划	面向大功率LED封装的倒装键合新工艺技术研究	主持
1	2011年10月-2014年10月	广东省重大专项	大功率LED芯片的超声倒装新工艺与高效散热研究	主持