CN110050218A

CN110050218A - 声学镊子

Info

Publication number: CN110050218A
Application number: CN201680085222.5A
Authority: CN
Inventors: M·A·C·鲍多因; O·K·N·鲍马塔尔-拉卡兹; A·J-P·R·里奥德; J-L·P·托马斯
Original assignee: Lille University; FRENCH NATIONAL CENTRE FOR SCIENTIFIC RESEARCH; Ecole Centrale de Lille; Sorbonne Universite
Current assignee: Lille University; FRENCH NATIONAL CENTRE FOR SCIENTIFIC RESEARCH; Ecole Centrale de Lille; Sorbonne Universite
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2019-07-23
Also published as: US20190091683A1; EP3430463A1; US20230330667A1; JP6784770B2; EP3430463B1; JP2019519193A; CA3017617A1; US11731127B2; ES2841528T3; WO2017157426A1

Abstract

一种包括换能器的电声装置，所述电声装置包括压电基板、相反极性的第一和第二电极，所述第一和第二电极包括设置在所述基板上的相应的第一和第二轨道，所述第一和第二轨道围绕同一中心(C)成螺旋形，所述换能器被配置用于在基板中产生旋涡超声表面波。

Description

声学镊子

技术领域

本发明涉及特别是用于操纵尺寸小于10^-2m的物体，浸入液体介质中，并且特别是比液体介质更致密和/或更硬的电声装置。

背景技术

纳米尺寸和微米尺寸物体的选择性操作是各种技术领域中的复杂操作，例如细胞生物学、微流体、纳米和微米尺寸系统组装。可以使用工具(例如，镊子或微量移液管)进行操作。然后通过移动工具来操纵物体。这种通常称为“直接接触”方法的操纵方法是不希望的，特别是当物体柔软、发粘或甚至易碎时。此外，它可能会改变被操纵的物体。最后，在物体所在的系统中引入该工具可能修改系统的属性。例如，在物体受到电磁场作用的情况下，引入工具可能产生对所述场的干扰。它还会引入一些污染。在系统是包含细胞的生物培养基的情况下，细胞行为可能通过引入工具而被修改。

已经开发了替代的非接触式方法，例如介电泳、磁泳或光泳，也称为“光学镊子”方法。然而，所有这些技术都有很大的缺点。例如，介电泳取决于物体的极化率，并且需要在待操纵物体附近安装电极。磁泳需要将标记移植到物体上。光泳可以在有或没有移植的情况下使用，但是由于该方法固有的显著加热和光毒性而限于非常小的力。

已经开发了另一种方法，称为“驻波声泳”，其包括实现在基板中产生的表面声波(SAW)，用于操纵位于或重叠基板的物体。

US 7,878,063 B1描述了一种电声装置，其包括基板和在基板上的三对交叉换能器。每对换能器限定用于传播由换能器产生的表面声波的声学路径。三条声学路径相交，从而形成用于检测生物物种的中心区域；

WO2013/116311A1公开了一种用于操纵粒子的设备，该设备包括一对可变频率交叉换能器和在基板上限定的通道，该通道不对称地设置在换能器之间。

WO 2015/134831描述了一种声学设备，其包括用于产生第一声波的第一交叉换能器布置和用于在相对于第一声波的非平行方向上产生第二声波的第二交叉换能器布置，以及至少部分地由第一声波和第二声波之间的相互作用形成的干涉图案至少部分地限定的操纵区域。

S.B.Q.Tran、P.Marmottant和P.Thibault在美国物理学会的应用物理学快报的2012,101,pp.114103文献“Fast acoustic tweezer for the two-dimensionalmanipulation of individual particles in microfluidic channels(用于微流体通道中单个颗粒的二维操纵的快速声学镊子)”中描述了一种装置，该装置包括在基板上在中心区域周围以规则间隔设置的四个交叉换能器。每个换能器产生表面声学驻波。该装置的实施提供了中心区域中颗粒的位移。

US 2013/0047728A1教导了一种设备，该设备包括用于在感兴趣区域内提供可变超声信号的超声源，以及连接到该超声源的控制器，使得其向超声源提供控制信号。可变超声信号在感兴趣区域内产生压力场，压力场的形状和/或位置可通过改变输入到超声源的控制信号而改变，使得感兴趣区域内的粒子将响应于在压力场中的变化而移动。然而，US2013/0047728A1的设备被配置用于产生体声波。因此，它需要大尺寸的组件，以防止在芯片实验室上的任何使用。另外，它不适于产生任何表面声波。

所有已知的驻波声泳方法都包括产生用于操纵物体的声学驻波。然而，这些方法的选择性是有限的。特别是，所有物体都会向波的节点或反节点移动。因此，声学驻波方法不允许独立于其邻近物体选择性地操纵物体。

因此，需要一种电声装置和一种用于操纵至少一个物体的方法，其克服现有技术的至少一些缺点。

发明内容

本发明的示例性实施例涉及一种包括换能器的电声装置，该电声装置包括压电基板、相反极性的第一和第二电极，所述第一和第二电极包括设置在所述基板上的相应的第一和第二轨道，所述第一和第二轨道围绕同一中心成螺旋形，所述换能器被配置用于在基板中产生旋涡超声表面波。

旋涡表面声波(SAW)是围绕相位奇点传播旋转的波，其中相消干涉导致波幅的消除。旋涡SAW可以在各向同性基板和/或各向异性基板中传播。

图1示出了沿基板方向X和Y的各向同性基板表面处的旋涡SAW的幅度5。旋涡SAW包括低振幅区域10，通常称为“暗点”，由通常称为“亮环”的高振幅的同心环15环绕，如图1中的虚线所示。暗点是低辐射压力区域，而亮圆是高辐射压力的区域。因此，在基板表面上传播的旋涡SAW使得位于例如基板上并位于亮圆上的物体就被旋涡SAW的暗点吸引，如图1中的箭头20所示，一旦其尺寸基本上等于或小于旋涡SAW的基波波长。物体就陷入暗点。

与进行驻波声泳的现有技术装置相比，本发明提供了若干优点。首先，根据本发明的电声装置实施起来更简单，因为它可以仅用单个换能器来提供物体的操纵。它也可以用单个低成本供电系统供电。另外，与现有技术相比，它不需要换能器的任何特定设置，其中必须精确地设置换能器组中的每个换能器，使得由换能器产生的SAW的干扰导致能够进行物体操纵的辐射压力场。而且，本发明不受关于SAW传播的任何基板特性的限制。特别地，基底可以优选是各向异性的。此外，电声装置可以被调谐到比现有技术的装置更宽范围的物体尺寸。特别地，该装置可以在相同尺寸的物体上施加比光电潜能装置更大的力而不会破坏它。

在本说明书中，SAW被认为具有范围在1MHz和10000MHz之间的频率。

根据本发明第一方面的电声装置还可以呈现以下可选特征中的一个或多个：

-包括第一和第二电极的组完全围绕中心，并且限定中心区域；

-第一轨道和/或第二轨道围绕中心延伸超过90°，优选超过180°，甚至优选超过270°；

-第一和第二轨道中的每一个都沿着由等式定义的线成螺旋形：

其中：

·R(θ)是线的极坐标与方位角θ的关系，

·是一个自由参数、

·l是脉动ω的旋涡SAW的涡流阶数，l是使得|l|≥1的整数.

·μ₀(θ)由下式给出：

其中z_i–z_i-1是将堆叠在基板上的材料分隔开的两个连续界面之间的距离，z₀是基板和接触基板的层之间的界面的高度，在没有堆叠层的情况下μ₀(θ)＝0

·在下估计是

其中取决于Θ如下：

·s_r(ψ)是在传播方向ψ上基板的表面平面上的波慢度，并且s_z(ψ)是在平面方向外的波慢度，在为r或z的i方向上的波慢度根据波数ki计算为s_r(ψ)＝k_r(ψ)/ω：和是s_r(ψ)关于传播方向的导数，

·α(ψ)是相对于相关联电场在方向ψ上传播的波的垂直运动的相位；

-相邻的第一和第二轨道之间的径向梯距在0.48λ和0.52λ之间，优选地等于λ/2，λ是旋涡超声表面波的基波波长；

-第一和第二轨道中的每一个延伸至少一圈；

-第一和第二电极包括相应的第一和第二电源端子，第一和第二轨道电连接到第一和第二电源端子；

-第一和第二电极包括多个相应的第一和第二轨道；

-换能器是相互交叉的；

-电声装置包括第一和第二换能器，所述第一和第二换能器被配置用于在基板中产生不同基波波长的第一和第二旋涡超声表面波，第一和第二换能器中的每一个的第一和第二轨道围绕同一中心成螺旋形；

-用于在第一和第二换能器中产生最小基波波长的换能器围绕另一个换能器；

-两个连续的第一和第二轨道沿至少一个半径各自被至少两个连续的第二或第一轨道分开；

根据第二方面，本发明的示例性实施例涉及一种电声装置，该电声装置包括：

-压电基板，

-一组至少四个交叉换能器的交叉部分，所述交叉换能器围绕中心区布置在所述基板上，所述换能器被配置用于在所述基板中产生表面声波，

-控制器，该控制器电连接到每个换能器并且向每个换能器提供电能，并且被配置成使得由该组换能器发射的表面声波相互干涉，以至少在中心区域中产生旋涡超声波。

根据本发明第二方面的电声装置特别适合于在各向异性基板中产生旋涡SAW。

值得注意的是，根据本发明第二方面的电声装置实现了产生具有明确限定的暗点的旋涡SAW。因此，它比现有技术的声泳装置更具选择性。

此外，根据该第二方面的电声装置是通用的，因为控制器可以被配置用于产生其他种类的SAW，例如l＝0阶的广义贝塞尔波，或者甚至是驻波。

根据本发明的该第二方面的电声装置还可以呈现以下可选特征中的一个或多个：

-电声装置包括至少八个，优选至少十六个，或甚至至少三十二个交叉换能器；

-交叉部分基本规则地布置在中心区域周围；

-交叉部分围绕圆形布置或优选围绕与波形表面位似的线布置；

-换能器的轨道限定中心区域的周界的50％以上，优选地70％以上；

-至少一个、优选所有换能器的交叉轨道是弯曲的；

-弯曲的轨道向中心区域凸出；

-弯曲的轨道向中心区域凹入。

根据第一和第二方面中的任何一个，电声装置还可包括以下可选特征中的一个或多个：

-换能器被保护涂层覆盖，保护涂层优选包含二氧化硅；

-电声装置还包括与换能器和基板重叠的支撑部，支撑部和基板在声学上耦合，使得在基板中产生的旋涡超声表面波被传输到支撑部并且作为声学涡流或变性的声学涡流在支撑部的体积中传播；

-支撑部至少部分地由透光的且优选透明的材料制成；

-支撑部由非压电材料制成；

-支撑部由关于超声波的传播的各向同性材料制成；

-支撑部包括选自玻璃和聚合物的材料，特别是热塑性塑料，最优选聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

-支撑部包括玻璃；

-电声装置包括由夹在基板和支撑部之间的耦合流体制成的层；

-换能器夹在基板和支撑部之间；

-基板的至少一部分夹在换能器和支撑部之间；

-换能器被配置用于产生旋涡表面声波，使得旋涡表面声波的暗点影响区域的半径的范围在0.1λ和0.7λ之间，优选地在0.2λ和0.55λ之间，λ是旋涡表面声波的波长；“暗点影响区的半径”由暗点中最小振幅的位置与第一亮环的振幅最大位置之间的距离定义；

-基板是厚度大于或等于500μm的板；

-电声装置包括基底，基底优选地由非压电材料制成，基板设置在基底上；-基底至少部分地由透光的、优选透明的材料制成，特别是由玻璃制成；

-基板是沉积在基底上的层的形式，层厚度小于λ/10，λ是旋涡超声表面波的基波波长；

-基底是显微镜物镜的一部分，或者是被配置为固定在显微镜物镜上的装置的一部分；

-基板由各向异性材料制成，优选地选自铌酸锂、钛酸锂、石英、氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅及其混合物；

-基板至少部分地由透光的、优选透明的材料制成；

-换能器被配置为产生旋涡表面声波，其基波波长λ的范围在10^-7m和10^-3m之间；

-旋涡表面声波是广义兰姆波或优选为广义瑞利波；

-电声装置包括多个换能器，所述多个换能器被配置用于在基板中产生不同基波波长的旋涡超声表面波；

-电声装置包括位于换能器中心区域的视觉标记，优选地由与第一和第二轨道相同的材料制成；

-电声装置是盘形的；

-基板围绕旋转轴线可旋转地安装在枢轴上，

-电声装置还包括第一和第二换能器，第一换能器的中心在装置的第一布置中的位置对应于第二换能器的中心在装置的第二布置中的位置，该装置优选地被配置成使得从第一布置到第二布置的过渡通过围绕枢轴旋转来操作，

-电声装置包括用于为换能器电极供电的接触刷；

-电声装置包括第一和第二换能器，接触刷接触相应的第一和第二换能器并为相应的第一和第二换能器供电，在装置的相应的第一和第二布置中，该装置优选地配置成使得从第一布置到第二布置的过渡通过围绕枢轴旋转来操作布置。

-电声装置包括机构，该机构被配置用于使支撑部优选地通过沿垂直方向并平行于基板的两条轴线中的任何一条平移而相对于换能器移动。

优选地，通过光刻将第一和第二电极沉积在基板上。特别地，可以在沉积电极之前将包含铬或钛的材料层沉积到基板上，以改善电极在基板上的粘附性。

优选地，第一和第二电极由金属材料制成，所述金属材料优选地选自金、银、铝及其混合物。对于频率高于100MHz的应用，优选铝。当需要良好的导电性时，优选金和/或银。

沿第一和第二电极的轨道的径向测量的宽度可以相等。在一个变型中，宽度可以不同。

基板可以是平面的或弯曲的。

本发明还涉及一种用于配置根据本发明第二方面的电声装置的方法，该方法包括：

a.用电输入信号e_i(t)依次为所述电声装置的一组换能器中的单个换能器i供电，并且如果合适的话，关闭其他有源换能器，并且在位于所述换能器的中心区域上的若干控制点j中的每一个上测量在基板中产生的表面声波s_j(t)的幅度和相位，并且存储所测量的表面声波s_j(t)；

b.计算相应的输入信号e_i(t)和输出信号s_j(t)的已变换信号输入E_i和信号输出S_j，

c.通过关系S_j＝H_jiE_i计算将所有已变换的输出信号S_j与所有已变换的输入信号E_i相关联的算子H_ji

d.确定所述信号E’_i，使得通过关系S’_j＝H_jiE’_i获得在点j处的已变换的旋涡表面声波S’_j

e.为每个换能器i计算将通过信号E’_i的逆变换施加的电输入信号e’_i(t)，使得旋涡表面声波在所述中心区域中打旋。

通过数学变换获得“已变换的信号”，该数学变换将两个函数之间的任何卷积运算变换为这两个函数之间的简单乘积。可以在拉普拉斯变换、Z变换、梅林变换和傅立叶变换中选择数学变换。傅立叶变换是优选的。

优选地，用于配置的方法包括将线性运算子H_ji和/或每个输入信号e’_i(t)的幅度和相位存储在存储单元中，存储单元链接到控制器或位于控制器内部。

本发明的示例性实施例还涉及包括根据本发明的电声装置的光学装置。

根据本发明的光学装置还可以呈现以下可选特征中的一个或多个：

-光学装置是显微镜；

-在光学装置的至少一种配置中，电声装置的换能器位于显微镜的物镜和支撑部之间；

-电声装置被固定在显微镜的物镜上；

-光学装置包括多个物镜，至少两个物镜具有不同的放大率，至少两个、优选地所有物镜各自固定到电声装置；

-固定在多个物镜中的一个物镜上的电声装置不同于固定在多个物镜中的另一物镜上的电声装置。

本发明还涉及一种用于操纵液体介质中的至少一个物体的方法，所述方法包括：

-利用包括换能器的电声装置产生旋涡表面声波，以及

-将由所述表面声波诱导的声学涡流或变性的声学涡流传播到液体介质中，以在其中产生辐射压力，其中所述物体受到所述辐射压力，并且通过换能器相对于介质的位移来操纵物体。

用于操纵液体介质中的至少一个物体的方法还可以呈现以下可选特征中的一个或多个：

-电声装置是根据本发明的电声装置；

-该方法包括在体波到达液体介质之前使体波在整个实体支撑部中传播；

-换能器是装置的在单个压电基板上包括至少两个单独的换能器的轨道一部分，所述换能器优选地交叉，具有不同的电极图案；

-该装置可绕旋转轴旋转，并且该方法包括在使用换能器之前或之后旋转该装置；

-该方法包括使用至少一个电致动器使换能器相对于介质移位；

-该装置包括位于换能器的中心区域中的视觉标记，优选地由与第一和第二轨道相同的材料制成，该方法包括布置电声装置成使得视觉标记偏离物体，随后通过为换能器供电以便在液体介质中产生体积超声波，从而使物体移位以便它与视觉标记重叠；

-该方法包括用根据本发明的光学装置观察物体；

-换能器包括电极轨道阵列，该方法包括用单个AC电源为电极轨道供电；

-该方法包括通过声学涡流或变性的声学涡流在物体附近的流体中诱导流体动力涡流，用于改变物体的取向；

-该方法包括在物体附近的流体中产生声学涡流，以产生用于引起其旋转的扭矩；

-该方法包括将声学涡流或变性的声学涡流会聚到与换能器的中心区域的中心垂直的区域中的液体介质中，以便沿着声学涡流或变性的声学涡流围绕其打旋的方向捕获物体；

-该方法包括在液体介质中诱导流体动力涡流；

-物体是生物材料，优选为细胞，该物体优选是非标记的；

-该方法包括使所述超声表面波的波阵面预扭曲以控制体声学涡流的变性，预扭曲优选地通过等式(1)的公式的逆滤波器方法来计算。

本发明进一步涉及根据第二方面的一种用于操纵液体介质中的至少一个物体或液体介质的方法，液体介质特别是液滴，，所述操纵包括聚结、变形、混合和等分所述至少一个物体和/或所述液体介质中的至少一种，包括：利用电声装置产生旋涡表面声波，该电声装置包括多个交叉换能器，所述多个交叉换能器由相应的AC源供电并且将由所述表面声波感应的声学涡流或变性的声学涡流传播到所述介质中，用于产生所述物体和/或所述液体介质受到的压力陷阱；以及改变AC源以改变陷阱的位置和特征；以及操纵特别是使所述物体移动或旋转。

根据本发明的第二方面的用于操纵液体介质中的至少一个物体的方法还可以呈现以下可选特征中的一个或多个。

-基板使得沿基板最大速度方向的波速除以沿着基板最小速度方向的波速的比率大于1.3；

-电声装置是根据本发明的第二方面的电声装置；

-该方法包括利用声学涡流或变性的声学涡流产生流体动力涡流，特别是用于混合液体介质。

附图说明

通过阅读下面的详细描述，参考本发明的示例性和非限制性实施例，并通过检查附图，可以更好地理解本发明，其中：

图1示出了2D旋涡SAW的相位和幅度，

图2至图4和图9至图11示出了根据本发明第一方面的电声装置的实施例，

图5表示各向异性基板中平面前波的垂直横向位移的幅度，取决于传播方向，

图6表示各向异性基板中平面前波的瑞利速度，取决于在具有不同介质的界面处的传播方向，

图7是的曲线的二维图，

图8是用于定义图9的电声装置的轨道的曲线R(θ)的2D图，

图12和图14表示根据本发明第二方面的电声装置，并且图13和图15分别是图12和图14的换能器的交叉部分的放大视图，

图16是示出配置电声装置的方法的方案，

图17示出了根据本发明的一些实施例的利用电声装置产生的旋涡SAW的测量和相应的理论预测相位和幅度，

图18至图23示出了根据本发明的一些实施例的电声装置的两种变型，

图24至图28是示出不同物体操纵的图片，以及

图29是用于通过电声装置的光刻制造的掩模。

具体实施方式

在附图中，为了清楚起见，并不总是遵守不同元件的相应比例和尺寸。

图2示出了根据本发明第一方面的电声装置25，包括基板30和设置在基板上的换能器43的第一电极35和第二电极40。第一和第二电极包括相应的第一轨道45和第二轨道50，它们都围绕同一中心C成螺旋形。

第一和第二轨道围绕中心在大于270°的角度Ω1和Ω2上延伸，但是在不同的角度扇区上延伸。角度Ω1和Ω2可以相同或不同。

第一和第二电极包括相应的第一端子55和第二端子60，用于连接到电源65。第一和第二轨道连接到所述相应的端子。

这些端子可以由与电极相同的材料并且在相同的沉积工艺期间制成。作为替代方案，它们可以由不同的材料制成。

由第一和第二轨道组成的组完全围绕包括中心C的中心区域70，如图1所示。因此，基本SAW被第一轨道和第二轨道覆盖的几乎每个角度部段发射，干扰以在中心区域产生旋涡SAW。

旋涡SAW的暗点发展的区域包括中心C。

图3示出了一个替代实施例，其与图2所示的实施例的不同之处在于，第一和第二轨道围绕螺旋延伸两圈以上。

增加转数导致旋涡SAW的声功率增加。

旋涡SAW的基波波长λ由两个连续的第一和第二电极之间的距离确定。如图4所示，两个连续的第一和第二轨道之间的径向梯距Δ优选地等于λ/2。

在图2和图3所示的电声装置中，螺旋是阿基米德螺旋，在基板由关于SAW声波的各向同性的材料制成的情况下是优选的。

如下所示，电极轨道的其它形状适于在各向异性基板中传播SAW。

在整个说明书中，除非另有说明，术语“各向同性”和“各向异性”分别指的是SAW在任何材料中的传播的各向同性和各向异性。

在各向异性材料中，旋涡SAW的产生是复杂的，因为必须特别地处理与方向相关的波速、耦合系数和光束搅拌角(stirring angle)。这可以修改SAW在不同方向上干扰传播的方式。

在各向异性基板中，SAW的波长，其速度和振幅可以取决于SAW传播的方向。

此外，在诸如支撑部的材料堆叠到基板上并且与其声学耦合的情况下，旋涡SAW可以在支撑部的体积中传输，但是SAW在基板和支撑部之间的界面处在支撑部的体积中传播的声学涡流或伪声学涡流中变性。SAW的形状，即特别是其在不同基板方向上的相位和振幅，也通过支撑部和基板之间的任何各向同性失配来改变。基板可以由各向异性材料和各向同性材料的支撑部制成。

优选地，第一和第二轨道中的每一个沿着由等式(1)限定的线成螺旋形：

其中：

-R(θ)是线相对于方位角θ的极距离坐标。换句话说，它是螺旋线沿着一个角度θ和螺旋中心的旋转距离；

-是自由选择的参数，用于确定螺旋的中心；

-l是脉动ω的旋涡SAW的涡流阶数，l是整数，使得|l|≥1。

-ω＝2πf是基本角频率，并且f是旋涡SAW的基频；

α(Θ)是由基板构成的压电材料的耦合系数的相位；例如，纯瑞利波的相位为0，纯Gulyaev波的相位为π。

-h(ψ，Θ)＝s_r(ψ)cos(ψ-Θ)，其中s_r(ψ)是旋流波的相位慢度，并且由s_r(ψ)＝k_r(ψ)/ω定义，k_r(ψ)是角度θ处波矢的径向分量的范数；

-符号'表示变量ψ的导数；

-函数由如下等式定义

以及

-当旋涡SAW从基板被传递到所述材料的体积以作为声学涡流或伪声学涡流传播时，校正项μ₀校正在与基板声学耦合的至少一种材料的堆叠的体积中的旋涡变性；为了合成前驱波，它将在所需高度z_n处变性成旋涡SAW：

其中是堆叠的每种材料(i)中波的相位慢度，是堆叠的材料(i)中的相位慢度，c⁽ⁱ⁾(Θ)是角度θ处的材料中的波速，并且

z_i–z_i-1是分离堆叠在基板上的材料的两个连续界面之间的距离，z₀是基板和接触基板的层之间的界面的高度，并且z₀是基板表面的高度，其中生成旋涡SAW。

当没有材料与基板耦合时，则μ₀(Θ)＝0。

通过选择等式(1)中的角度来定义正电极轨道的位置，然后通过相同的等式(1)将替换为来定义负电极轨道的位置。

正如在等式(1)中清楚地看到的那样，尽管轨道成螺旋形状环绕的线的图案可以适应宽范围的基板材料，并且适当情况下适合于堆叠到基板上的任何支撑材料，但是它仍然针对于装置的单组致动频率、材料特性和厚度。

特别地，图案形状依赖于SAW在基板中传播的频率。如果材料堆叠在基板上，使得旋涡SAW传输并且在这些材料的体积中作为声学涡流或伪声学涡流传播，则图案形状也取决于剪切的速度和这(这些)介质中的纵向体声波。

如图5所示，在各向异性基板中，例如在X切割的锂铌基板中的平面前端SAW的幅度80，取决于波在基板中的传播角ψ。因此，基板各向异性影响波传播。

此外，如图6所示，表面基板处的平面前端SAW的瑞利速度也取决于波的传播方向。无论基板表面是否自由并且接触空气(曲线85)或支撑部，例如2mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板(曲线90)或甚至金涂层(曲线95)被设置在所述基板上，都观察到这种依赖性。

图7是表示角度θ的不同值的校正项的曲线图，如沿曲线图的周边所示。需要旋涡SAW在各向异性X切割的锂铌酸盐基板中打旋，并且传输和在2mm厚的PMMA板支撑部中传播，所述PMMA板支撑部在声学上耦合到基板。沿曲线图上的Θ＝70°的方向的值50、100和150表示以弧度表示的校正项

图8示出了以mm表示的线R(θ)的轨迹，对于一阶各向异性涡流(l＝1)并且对于各向异性X切割的铌酸锂基板由等式(1)计算。以度表示的角度在图的周边有规律地表示。线R(θ)的曲线图考虑了校正项μ₀(Θ)的演变、振幅和瑞利速度，如图5至图7所示。在图8中，由于一阶旋涡SAW的相位变化，观察到θ＝45°的陡峭过渡。

图9示出了包括换能器105的电声装置25，换能器105具有设置在基板30上的第一电极35和第二电极40，并且包括多个相应的第一正向轨道45和第二负向轨道50。按照上面描述的等式(1)，在X切割的铌酸锂基板上提供轨道。考虑到等式(1)中的角度获得正轨道，并且通过替换等式(1)中的获得负轨道。

因此，第一和第二轨道包括相同的中心并且沿径向方向D_R远离等于λ/2的径向梯距。

可以观察到，换能器是相互交叉的。第一和第二轨道相互叠加。

电极包括具有直线形状的第一电源端子55和第二电源端子60，它们相应地电连接到第一和第二轨道中的每一个。

例如，遵循等式(1)的图9的装置的轨道的设计适于在基板中产生旋涡声波，并且适于在设置在换能器的顶部并且通过夹在基板和支撑部之间的几微米高的硅油层耦合的由PMMA制成的2mm厚的支撑部中传播波长等于10MHz的声学涡流。硅油层实现了基板和支撑部之间的耦合，同时它基本上不影响声波的传播，因为其厚度远小于声波波长。

根据本发明的装置可以使得包括第一电极的若干轨道(特别是如图9所示的沿着单个第一螺旋绕组延续的两个轨道110a、110b)和/或第二电极的若干轨道(特别是如图9所示的沿着单个第二螺旋绕组延续的两个轨道115a、115b)的组，，，完全围绕中心。

另外，两个相邻的第一轨道110b、120、相应的第二轨道115a、125可以沿着两个连续的第一螺旋、相应的第二螺旋的绕组延续。

此外，图9的装置的第一和/或第二电源端子和多个第一和/或第二轨道被布置成使得当沿着正交于基板的方向观察时，第一电极轨道和第一电极轨道具有叉子的形状。

可以根据以下方法制造如图9所示的换能器。例如用丙酮-异丙醇-乙醇将X-切割的1mm厚的铌酸锂底片抛光并清洁，然后在100℃下干燥1分钟。然后通过在基板面上以4000rpm离心沉积底漆层，然后沉积AZ1512HS树脂层，并在100℃下退火1分钟。在换能器的电极图案的正面上的掩模放置在树脂上。图29示出了用于制备电声装置的掩模126，该电声装置包括多个换能器，如后面将描述的。然后将底漆暴露于UV辐射。然后将基板置于蒸发器中以沉积50nm厚的铬层，然后沉积200nm的金层。

然后将基底浸入丙酮浴中，以80kHz的频率在45℃的温度下受到持续10分钟的超声发射。

图10表示包括第一换能器130和第二换能器140的电声装置，第一换能器130和第二换能器140被配置用于在基板中产生不同波长的第一和第二旋涡超声表面波，第一和第二换能器中的每一个的第一和第二轨道围绕相同的中心C旋转。第一和第二换能器共享相同的基板30。

用于以比第二换能器低的频率操作的第一换能器围绕第二换能器。

换能器的这种特定配置产生了紧凑的电声装置。

基板是相同的并且定向在与图9的实施例的方向相同的方向上。

如上所述，第一和第二换能器的轨道都沿着等式(1)的各行设置在基板上。选择等式(1)的参数，使得第一和第二换能器在基板中在10MHz和30MHz的相应基频处产生旋涡SAW，围绕穿过中心C并且垂直于基板的轴线以各自的第一和第二反向旋转打旋。

通过在等式(1)中选择相应值+1和-1的相应适当旋涡阶数l来获得第一和第二反向旋转。

图10中所示的装置特别适用于必须控制由待操纵物体中的旋涡SAW引起的扭矩的任何应用。

特别地，电极的轨道图案被配置用于将由基板传输的声学涡流或伪声学涡流，并且传播到与基板声学耦合的150μm厚的硼硅酸盐玻璃片中。

图11示出了包括换能器的电声装置25，该换能器包括两组第一和第二电极145、150。基板30与图8和图9的示例中的相同。

第一组145包括标记为146和148的第一和第二电极，并且第二组150包括标记为152和154的第一和第二电极。第一和第二电极中的每一个都包括沿着一般方程1的线的第一和第二多个轨道。该电声装置利用旋涡的阶数与电输入信号的频率成比例的优点。第一，相应地第二多个轨道沿着一条线成螺旋形，其方程是在考虑等于1、相应地等于3的旋涡阶数l的情况下计算的。

因此，图11中所示的电声装置的换能器适于产生分别在10MHz和30MHz的两个基本频率下操作的信号。

特别地，电声装置使得沿径向方向的两个连续的第一轨道在径向方向上与第二电极的两个连续的第二轨道交替。

图11中所示的装置特别适合于在换能器中心周围产生稳恒电流，这使得可以混合流体或操纵非常小的颗粒，这些颗粒不会被仅具有单一基频的旋涡SAW捕获。

图12表示根据本发明第二方面的电声装置160。

它包括基板170，优选为各向异性X切割的锂铌酸锂晶体，具有中心区域175，其周边区域由圆圈180界定(在图12中以虚线示出)。三十二个单向换能器185₁和185₂(仅标记它们中的两个)，优选SPUDT交叉换能器的交叉部分被提供到围绕中心区域175的基板上。交叉部分187₁、187₂沿着中心区域的圆形周边规则地间隔开。换能器的数量不限于32个。然而，优选至少为四个。最高数量是优选的，因为它提供了中心区域的更均匀的空间覆盖并且能够更好地合成目标波场。大量的表面波干扰改善了旋涡SAW的产生。

如图13所示，每个交叉部分187由相反极性的相应第一电极190和第二电极195的相互交叉的第一和第二轨道组成。每个交叉部分的至少一个轨道与圆形周边相切。此外，如图13所示，第一和第二轨道相互平行。第一和第二轨道的宽度可以不同或相等。

每个换能器还包括第一电极200和第二电极205，该第一电极和第二电极包括如上所述的轨道或交叉部分，该第一电极和第二电极分别连接到第一电源端子210和第二电源端子220。每个换能器的第一和第二电极通过电源端子电连接到控制器225。在图中，为了清楚起见，仅示出了两组电极连接，但实际上，所有三十二个换能器都被连接。

在图12的实施例中，中心区域被金层230覆盖，金层230旨在用作镜子，以用于利用迈克尔逊干涉仪测量中心区域中的旋涡SAW的幅度和相位。

在图12的电气装置中，每个换能器都被配置用于产生以12MHz的频率传播通过基板的SAW驻波。由32个换能器发射的SAW干扰中心区域。如下文中将更加明显的，控制器被配置为控制每个换能器，使得SAW的干扰产生在中心区域中打旋的SAW旋涡。

图14表示图12的电声装置170的变体。它与图12的电声装置170的显著不同之处在于，中心区域175的周边180不是圆形，而是沿着与在基板中传播的平面前端的SAW的波面相似的线。

图14的实施例与图12的实施例的不同之处还在于第一和第二轨道是弯曲的，如图15所示。轨道的弯曲促进了波衍射，特别是在各向异性基板中。这通过基板中心区域的每个换能器改善了照明，该换能器具有例如5mm的半径。这种改进允许实现各种声波场的合成，例如聚焦SAW，平面传播SAW，尤其是旋涡SAW。

轨道的特定弯曲是在文章“由环形交叉换能器产生的表面声波的亚波长聚焦”，Laude等人，应用物理学快报92，094104(2008)的教导下进行的。

根据本发明的一些实施例的装置的控制器225被配置为控制每个换能器，使得发射的SAW干扰中心区域以在其中产生旋涡SAW。

特别地，控制器通过向每个换能器发送电输入信号来为每个换能器供电。优选地，控制器包括存储单元，其中存储要发送到每个换能器的输入信号的参数。优选地，输入信号是AC电信号，并且参数是输入信号的最大强度和相位。

优选地，用于配置的方法在第一次使用电声装置之前实现，例如如图12和图14所示。

这种配置方法，也称为“逆滤波方法”，如图16所示。

电信号230e_i(t)，优选为脉冲信号，由控制器发送到围绕中心区域的一组换能器中的单个换能器235i。换能器将该电输入信号转换成SAW，该SAW传播到中心区域175。控制器被配置成使得依赖于其他换能器到控制器的电路被打开。因此，没有输入信号从控制器被发送到其他换能器。

在位于中心区域的每个控制点j处测量由基板sj(t)中的换能器i发射的SAW。优选地，控制点240₁、240₂的数量为至少2个，甚至优选至少4个，甚至优选至少10个，甚至优选至少100个，甚至优选至少200个。作为说明，可以在1x1cm²的表面上分配400个控制点。优选地，两个控制点之间的距离小于λ/2，λ是换能器i发射的SAW驻波的波长。优选地，控制点规则地分布在中心区域中。

在所有点j处的SAWs_j(t)的幅度和相位优选地用迈克尔逊干涉仪245测量，其一个臂可以在任何控制点j上聚焦。在基板由铌酸锂制成的情况下，优选用金层覆盖中心区域，该金层用作镜子以反射光束并且改善测量的质量。

在已经发出输入信号之后，控制器关闭换能器i并且将输入信号e_k(t)发送到换能器250k。然后在控制点j处测量SAW s_j(t)。

所有连续供电的换能器i和SAWsj(t)的输入信号ei(t)都可以存储在存储单元255中。

输入信号ei(t)和SAWs sj(t)的测量幅度和相位可以通过如下关系相关联

s_j＝∑_ih_ij*e_j，

其中*是指卷积乘积，h_ij是控制点j对换能器i发出的输入信号e_i的时间响应。

在谱域中，是换能器i的控制点j处的传递函数的傅立叶变换。

使用矩阵形式，其中E和S是包括信号ei(t)和sj(t)的相应傅立叶变换E_i和S_j的矢量，并且H是算子H_ij的矩阵形式，得到线性跟随关系：

S＝H.E

然后，使用众所周知的经典伪矩阵求逆技术，可以计算260矢量E'，以获得对应于所有控制点j处的傅里叶旋涡SAW的傅立叶变换的矢量S'。

最后，矢量E'的每个分量，其对应于由每个换能器i发射以产生旋转锯的输入信号e’_i(t)的傅里叶变换，可以通过逆傅里叶变换265获得。

一旦完成配置的方法，控制器就被配置为联合地为几个、优选为所有换能器供电，并且用于向每个换能器发送输出信号e’(t)270。每个输入信号优选地具有其自己的在至少两个发射换能器之间不同的特征，例如特定相位和/或幅度。因此，由每个换能器发射的SAW的中心区域中的干扰在基板的中心区域中产生旋涡SAW。

图17示出了利用图12的电声装置产生的一阶贝塞尔波旋涡SAW的幅度275₁和相位280₁，其已经由根据本发明的配置方法设定。已经用迈克尔逊干涉仪测量振幅和相位。

在旋涡的中心可以看到50μm大小的暗点285并且该暗点与相位奇点匹配。暗点与明亮的同心环形成鲜明对比。理论振幅275₂和相位280₂也表示用于比较。在幅度和相位上实现理论和实验旋涡之间的正确匹配。

图18示出了根据本发明一些实施例的电气装置300，其包括与基板310重叠的支撑部305。支撑部可以与电极315重叠，或者它可以仅与中心区域320重叠。

此外，可以从电声装置中移除支撑部。

换能器的轨道可以位于基板与支撑部之间。

支撑部优选选自玻璃和聚合物，优选热塑性塑料，最优选聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。优选地，支撑部由包含玻璃的材料制成。

优选地，支撑部的材料是各向同性的。优选地，它不是压电的。

为了保护轨道免受支撑部的摩擦并且防止损坏，换能器至少部分地，优选完全被保护涂层325覆盖，保护涂层325优选地包括二氧化硅。优选地，保护涂层厚度小于λ/20，λ是旋涡SAW的基波波长。因此，旋涡SAW的传输不受保护涂层的影响。

优选地，为了最佳地传播声波，优选地由硅油制成的耦合流体层330夹在支撑部和基板之间。优选地，耦合流体层的厚度小于λ/20，λ是旋涡SAW的基波波长。因此，旋涡SAW的传输不受耦合流体层的影响。硅油是优选的，因为它具有低介电常数并且因为它不能模塑。此外，耦合流体允许支撑部相对于基板易于移位。

电刷335与电极接触，用于向换能器供电。

如图所示，电声装置还可以包括覆盖物340，该覆盖物设置在支撑部上，并且包括限定腔室的凹槽345，优选地由PDMS制成，例如具有微通道的形状，该微通道被配置用于容纳包括待操纵的物体350的液体介质。

优选地，在图18的实施例中，旋涡SAW是广义瑞利波。优选地，基板的厚度大于10λ，λ是旋涡SAW的基波波长。

如前所述，电极的轨道的图案可以设计成使得在基板表面处产生的旋涡SAW在支撑部中作为声学涡流或伪声学涡流传输并且打旋360直至到达液体介质和物体。

优选地，在支撑部由各向同性材料制成的情况下，电极的图案使得由换能器在基板和支撑部之间的界面处产生的旋涡SAW的变性实现具有相关联的辐射压力的声学涡流或伪声学涡流，该相关联的辐射压力集中在一个体积中，该体积被表示为垂直于基板定位并且重叠在换能器的中心区域的中心上的正方形365。位于所述体积附近并且具有与旋涡SAW的波长相当的尺寸的物体，也称为“3D陷阱”，受到旨在将所述物体截留在体积中的吸引力。值得注意的是，在所有三个空间维度中，陷阱中的任何位移都是有限的。

在图19所示的变型中，电极的轨道可以设置在基板的与面向支撑部的面375相对的面370上。优选地，在图19的实施例中，旋涡波是兰姆波或体波。

在旋涡波是兰姆波的情况下，基板的厚度低于λ/2，则λ是旋涡SAW的基波波长。随着频率的增加，该解决方案需要更薄的基板。

值得注意的是，当兰姆频率将产生太薄的基板，例如厚度小于200μm时，可以在较厚的基板中直接产生伪声学涡流。它可以是体纵向波伪声学涡流或以固定角度辐射在基板厚度中的体剪切波声学涡流。可以选择第一和第二轨道之间的梯距以匹配波长的投影。

有利地，在图19的实施例中，保护换能器免受支撑部的任何损坏，不受由耦合流体引起的任何污染。此外，当从基板移除支撑部时，可以容易地清洁与支撑部接触的基板的面，而没有任何损坏电极的风险。如图19所示，在与支撑部相对的面上设置的具有轨道的装置可以包括高介电常数耦合流体的高导电耦合流体，例如水基凝胶，而耦合流体不会对旋涡SAW的产生和传播产生负面影响。

此外，诸如接触刷的电连接可以设置在与轨道相同的一侧上，这简化了装置的制造，并且使其对于用户来说更符合人体工程学。

图20描述了根据本发明第一方面的电声装置380的变体，该电声装置380包括基板385，基板385是具有中心C_D的盘形。基板包括设置在基板上的多个电极图案390₁、390₂，其限定多个换能器395₁、395₂。优选地，如图所示，换能器围绕盘的中心规则地设置。

电声装置还包括支撑部400，支撑部400优选地是透光的，并且更优选地是透明的。支撑部与基板部分地重叠。支撑部和换能器被设置成使得在装置的至少一个位置中，换能器中的至少一个与支撑部完全重叠。优选地，如图18所示，轨道设置在基板的旨在面向支撑部的面上。

覆盖物403设置在支撑部上。

基板设置成可绕穿过盘的中心C_D的轴线X_D旋转。特别地，电声装置被配置成使得通过使基板围绕轴线X_D旋转，多个换能器中的每个换能器都可以被定位成使得与支撑部并且特别是与设置在支撑部上的待操纵物体重叠。

此外，如图所示，电声装置可以包括连接到支撑部的微操纵器405，该微操纵器405允许通过支撑部相对于换能器优选地沿着优选地平行于基板的两条垂直轴线的平移来精确定位。微操纵器可以固定到诸如显微镜的光学装置上。

此外，电声装置包括外部接触刷410和内部接触刷415，用于为电极供电。它还可以包括电源装置420，接触电刷可以电连接到该电源装置420。优选地，用于接触电极的接触刷的端部425、430可相对于基板固定。特别地，它们可以以相对于基板中心的恒定的极坐标被提供。

多个电极中的每个电极都包括第一电源端子435₁、435₂和第二电源端子440₁、440₂。优选地，相同极性的电极的所有电源端子径向地设置在每个换能器的同一侧。如图20所示，换能器的相应第一和第二电极的电源端子分别在电极轨道的径向外侧和内侧。另外，第一电极的所有电源端子都电连接到公共电源轨道450，该公共电源轨道450优选地围绕圆形在基板的周边延伸。

外接触刷优选地与外部轨道接触。顺便提及，当装置的使用者旋转基板以将特定换能器放置成诸如它面向支撑部时，在没有外部接触刷移动的情况下，实现所述换能器的第一电极和外部接触刷之间的电接触。

优选地，提供一个换能器的每个第二电源端子，使得当基板围绕轴线X_D旋转以使换能器面向支撑部时，第二电源端子与内接触电刷电接触。

有利地，图20中所示的电声装置需要单个电源装置和单个接触电刷对以连续地为每个换能器供电。它不需要具有昂贵电子设备的任何复杂控制系统，因此比现有技术的电声装置更便宜。另外，如上所述，包括若干换能器的电气装置的制造可以通过光刻法进行，该光刻法基本上是便宜的，例如使用如图29所示的掩模126。

此外，该装置易于使用，因为用户可以通过简单的旋转操作来选择装置的任何换能器。此外，如在图20中可以观察到的，用户可以看到每个换能器，这有助于在操纵物体之前对其进行初始定位。

作为说明，图21示出了电声装置460，其与图20中的电声装置不同之处在于电极轨道设置在基板470的与面向支撑部的面相对的面465上，如在图19中已经示出的那样。

图22示出了包括图20的电声装置380的显微镜480的一部分。电声装置固定到显微镜平台上，使得支撑部的区域(其上设置有待操纵的物体)与显微镜的物镜485重叠。

光学装置允许在被电声装置操纵的同时观察被困在中心区域495中的物体490。

在图23的变型中，本发明的电气装置的换能器500设置在光学装置的物镜505上。由于物镜放大率与要操纵的物体的尺寸直接相关，所以设置在物镜上的换能器优选地适于操纵可以用物镜完全观察的物体。优选地，单个换能器设置在物镜上。

换能器可以设置在外透镜上，特别是物镜的保护透镜上。它也可以设置在物镜的内透镜中。优选地，电子器件的基板是由沉积在物镜上的压电材料(例如AlN、ZnO)制成的涂层的形式，该涂层优选地具有与电气装置用于优化发电效率的频率相关的厚度，在其上设置电极，优选通过光刻法沉积。该物镜可包括用于为换能器供电的装置。

在一个变型中，基板可以设置在基底上，该基底被配置成固定到透镜。基底可以包括由透光的优选透明的材料制成的部分，基板作为层沉积在该部分上。

优选地，耦合流体夹在物镜和支撑部之间。

在图23的实施例中，由换能器产生的旋涡SAW可以传播，并且例如通过浸油作为声学涡流或伪声学涡流传输，其中物镜的透镜被嵌入。

在优选实施例中，光学装置包括根据本发明第一方面的电声装置。

如图23所示的实施例使光学装置更紧凑，并且使对物体的操作更容易。此外，它减少了与在厚度大于1mm的基板中可能遇到的光传播有关的问题。

此外，光学装置可包括多个物镜，每个物镜都包括根据本发明的电声装置，电声装置相互不同。优选地，每个换能器具有电极图案，所述电极图案与所述多个换能器中的至少、优选所有换能器的电极图案不同。例如，因此可以连续地改变多个物镜，例如将物体分别捕获在越来越小的陷阱中。

电声装置，例如被包括在诸如图22所示的显微镜之类的光学装置中，可以例如被使用如下：

用户可以将包括物体的液体介质布置在支撑部的顶部上。然后，他可以首先将液体介质定位成与物镜的视场重叠，例如通过用微操纵器平移支撑部。

然后，他可以选择适合于预期物体操纵的换能器，例如在位移、混合、聚结和等分中选择。如前所述，旋涡SAW的基频由换能器的电极图案限定。本领域技术人员知道如何根据要操纵的物体的尺寸选择合适的频率。

然后，用户可以旋转基板，使得物体和支撑部与所选择的换能器重叠。利用微操纵器，用户然后可以相对于支撑部和物体对视觉标记515进行定位，该视觉标记515指示换能器中心的位置，例如图9中所示。该视觉标记还优选地对应于旋涡SAW的暗点的位置，物体将被捕获在该位置顶部。

然后，通过给换能器供电，并且产生作为支撑部中的声学涡流或伪声学涡流传输并且传播到液体介质中的旋涡SAW，物体被操纵、移位并且被捕获在暗点的顶部。

示例1至4：移位、融合、雾化和分割

初始体积为2μl的水滴设置在图14所示的电声装置的中心区域上。具有11.9MHz的频率和几kHz的可变重复率的持续时间为25μs的突发用于液滴致动。相应的脉冲序列呈现在图24至图27的底部上。

对于图24至图27上所示的每种类型的脉冲序列520，已经进行了以下操作：液滴位移525(图24)，两个液滴的融合530(图25)，液滴雾化535(图26)，它们被获得分别具有二阶和零阶的旋涡SAW。图27示出了液滴分割540，其通过合成具有两个不同焦点的聚焦波段而获得。

示例5：细胞操作

如图22所示，用显微镜进行细胞和液滴的操作，诸如以产生由具有相似物理性质的干细胞制成的均质或异质细胞网络，例如干细胞壁龛。

液滴是基于液滴的微流体的基础，用于单细胞生物学领域。本发明的电声装置允许通过在大量实验中对它们进行取样来深入研究罕见事件，目前是癌症和抗药性研究的主要问题。

在该视图中，换能器的中心区域放置在一组粒子下面，以通过微操纵器提供的位移来操纵。当粒子位于换能器中心区域的中心时，接通电源以产生旋涡SAW，以使粒子受到SAW暗点的吸引效应。使用频率为30MHz且电压幅度为5V_pp的旋涡SAW进行操作，这足以捕获10μm大小的颗粒。

然后通过微操纵器提供的平移移动支撑部，同时陷阱，即颗粒相对于换能器中心的位置，保持固定在空间中，而远离陷阱的其他颗粒跟随支撑部平移。

一旦移动所选物体，就关闭电源。

然后重复该过程以移动另一个颗粒，例如以预定图案聚集颗粒。

捕获力与声功率成正比并且与波长成反比。对于密度和/或弹性偏离流体介质的物体，捕获力也更强。

示例6：细胞变形

电声装置还被实施为对生物细胞和颗粒施加力。

现在可以理解，细胞上的力和压力可以决定它们的结局。体细胞适应于压力并且可能僵化，干细胞分化可能受外部机械应力的影响。然而，方法仅限于对细胞施加压力。

将包含抗体包被的微球和细胞膜的液体介质置于将由通过微操纵器提供的位移操纵的物体下方。合适的换能器是电动的，以便将抗体包被的微球捕获在换能器中心的顶部。在施加电能的同时，支持部被移位，使得细胞膜与抗体包被的微球体接触并且通过所述微球体变形。

示例7：稳定电流和涡度

产生涡流SAW以在微通道中产生稳定的旋流，这对于非接触式混合，或用于施加流体动力应力或用于移动尺寸小于λ/10的颗粒是有用的。

流速与介质中的声功率成比例，并且随着波频率的平方、旋涡阶数和通道高度的平方中的任何一个而增加。

具有限定微通道的凹槽的腔室放置在支撑部上，凹槽与换能器中心垂直定位。将具有一组颗粒的液体介质置于微通道中。

凹槽的深度优选大于λ，λ是旋涡SAW的波长。给换能器供电导致在微通道中观察到的流，其形式为在液体介质中形成的气旋，其旋眼位于辐射旋涡SAW的中心。为了促进流，可以增加频率，例如使用另一个换能器。

示例8：颗粒位移

如图20所示，将包含直径为30μm的荧光聚苯乙烯珠粒550的悬浮液的液滴沉积在电声装置的支撑部上。在液滴的顶部提供由PDMS制成的3mm厚的覆盖物，并且该覆盖物限定吸声器以及粘合液滴的切片。选择珠粒并且将其置于顶部并靠近视觉标记，并且对换能器供电。然后，通过操纵器移动支撑部，并且关闭换能器，将选定的珠粒留在限定的位置。在悬浮液的其他珠粒上重复该操作，获得限定单词“LIFE”的对齐珠粒的图案，如图28所示。

不用说，本发明不限于作为示例提供的实施例。

本发明还特别用于显微镜、生物学、微流体、用于芯片实验室、用于操纵纳米和微系统的领域中的应用。在生物物理学中，它可以用于研究例如在阿尔茨海默病中所隐含的单细胞(例如，癌细胞或干细胞)和细胞网络的行为。

Claims

1.一种包括换能器(43)的电声装置(25)，所述电声装置(25)包括压电基板(30)、相反极性的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极包括在所述基板上设置的相应的第一轨道和第二轨道，所述第一轨道(45)和第二轨道(50)围绕同一中心(C)成螺旋形，所述换能器被配置用于在所述基板中产生旋涡超声表面波。

2.根据权利要求1所述的电声装置，其中，包括所述第一电极和所述第二电极的组完全包围所述中心，并且限定中心区域(70)。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的电声装置，其中所述第一轨道和/或所述第二轨道围绕所述中心延伸超过90°。

4.根据权利要求3所述的电声装置，其中所述第一轨道和/或所述第二轨道围绕所述中心延伸超过180°。

5.根据权利要求4所述的电声装置，其中所述第一轨道和/或所述第二轨道围绕所述中心延伸超过270°。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电声装置，其中所述第一轨道和所述第二轨道中的每一个沿着由下列等式限定的线成螺旋形：

其中：

·R(θ)是与方位角θ相关的线的极坐标，

·是自由参数,

·l是脉动ω的旋涡SAW的涡流阶数，l是使得|l|≥1的整数，

·μ₀(θ)由下式给出：

其中z_i–z_i-1是将堆叠在基板上的材料分隔开的两个连续界面之间的距离，z₀是基板和接触基板的层之间的界面的高度，在没有堆叠层的情况下，μ₀(θ)＝0，

·在下估计是

其中取决于Θ如下：

·s_r(ψ)是在传播方向ψ上基板表面平面上的波慢度，并且s_z(ψ)是在平面方向外的波慢度，在为r或z的方向i上的波慢度是根据波数k_i计算为s_r(ψ)＝k_r(ψ)/ω：和s_z(ψ)＝k_z(ψ)/ω，

·s_r′(ψ)是s_r(ψ)关于传播方向的的导数，

·α(ψ)是相对于相关联电场在方向ψ上传播的波的垂直运动的相位。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电声装置，其中相邻的第一轨道和第二轨道之间的径向梯距(Δ)被包括在0.48λ和0.52λ之间，优选地等于λ/2，λ是旋涡超声表面波的基波波长。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电声装置，其中所述第一轨道和所述第二轨道中的每一个延伸至少一圈。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电声装置，其中所述第一电极和所述第二电极包括相应的第一电源端子(55)和第二电源端子(60)，所述第一轨道和所述第二轨道电连接到所述电源端子。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的电声装置，其中所述第一电极和所述第二电极包括多个相应的第一轨道(110、120)和第二轨道(115、125)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的电声装置，其中所述换能器是相互交叉的。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的电声装置，包括第一换能器(130)和第二换能器(140)，所述第一换能器(130)和第二换能器(140)被配置用于在所述基板中产生不同基波波长的第一旋涡超声表面波和第二旋涡超声表面波，所述第一换能器和所述第二换能器中的每一个的第一轨道和第二轨道围绕同一中心(C)成螺旋形。

13.根据权利要求12所述的电声装置，其中，用于在所述第一换能器和所述第二换能器中产生最小基波波长的换能器围绕另一换能器。

14.根据权利要求12和13中任一项所述的电声装置，其中，两个连续的第一轨道和第二轨道沿着至少一个半径各自被至少两个连续的第二轨道和第一轨道分开。

15.一种电声装置(160)，包括：

-压电基板(170)，

-一组至少四个交叉换能器(185)的交叉部分(187₁、187₂)，所述交叉换能器(185)围绕中心区域(175)布置在所述基板上，所述换能器被配置用于在所述基板中产生表面声波，

-控制器(225)，所述控制器(225)电连接到每个换能器并且向每个换能器提供电能，并且被配置成使得由所述组的换能器发射的表面声波相互干扰，以至少在中心区域中产生旋涡超声波。

16.根据权利要求15所述的电声装置，包括至少八个、优选至少十六个、或甚至至少三十二个交叉换能器。

17.根据权利要求15和16中任一项所述的电声装置，其中所述交叉部分基本规则地布置在中心区域周围。

18.根据权利要求17所述的电声装置，其中所述交叉部分围绕圆形布置或优选地围绕与所述波形表面位似的线布置。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的电声装置，其中所述换能器的轨道限定所述中心区域的周界的50％以上、优选为70％以上。

20.根据权利要求15至19中任一项所述的电声装置，其中，至少一个、优选所有换能器的交叉轨道(190、195)是弯曲的。

21.根据权利要求20所述的电声装置，其中所述弯曲轨道朝向所述中心区域凸出。

22.根据权利要求20所述的电声装置，其中所述弯曲轨道朝向所述中心区域凹入。

23.根据权利要求1至22中任一项所述的电声装置，其中所述换能器被保护涂层(325)覆盖，所述保护涂层优选地包括二氧化硅。

24.根据权利要求1至23中任一项所述的电声装置，还包括与所述换能器和所述基板重叠的支撑部(305)，所述支撑部和所述基板在声学上耦合，使得在所述基板中产生的旋涡超声表面波被传输到所述支撑部并且作为声学涡流或变性声学涡流在所述支撑部的体积中传播。

25.根据权利要求24所述的电声装置，其中所述支撑部至少部分地由透光且优选透明的材料制成。

26.根据权利要求24和25中任一项所述的电声装置，其中所述支撑部由非压电材料制成。

27.根据权利要求24至26中任一项所述的电声装置，其中所述支撑部由关于超声波的传播的各向同性材料制成。

28.根据权利要求24至27中任一项所述的电声装置，其中所述支撑部包括选自玻璃和聚合物的材料，特别是热塑性塑料，最优选为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

29.根据权利要求28所述的电声装置，其中所述支撑部包括玻璃。

30.根据权利要求24至29中任一项所述的电声装置，包括由夹在所述基板和所述支撑部之间的耦合流体制成的层(330)。

31.根据权利要求24至30中任一项所述的电声装置，其中所述换能器夹在所述基板和所述支撑部之间。

32.根据权利要求24至31中任一项所述的电声装置，其中所述基板的至少一部分夹在所述换能器和所述支撑部之间。

33.根据权利要求1至32中任一项所述的电声装置，其中所述换能器被配置用于产生旋涡表面声波，使得所述旋涡表面声波的暗点影响区域的半径的范围在0.1λ和0.7λ之间，优选地在0.2λ和0.55λ之间，λ是旋涡表面声波的波长。

34.根据权利要求1至33中任一项所述的电声装置，其中所述基板是厚度大于或等于500μm的板。

35.根据权利要求1至34中任一项所述的电声装置，包括基底，所述基底优选地由非压电材料制成，所述基板设置在所述基底上。

36.根据权利要求35所述的电声装置，其中所述基底至少部分地由透光的、优选透明的材料制成，特别是由玻璃制成。

37.根据权利要求36所述的电声装置，其中所述基板是沉积在所述基底上的层的形式，所述层厚度小于λ/10，λ是所述旋涡超声表面波的基波波长。

38.根据权利要求35至37中任一项所述的电声装置，其中所述基底是显微镜的物镜(505)的一部分，或者是被配置为固定到显微镜的物镜的装置的一部分。

39.根据权利要求1至38中任一项所述的电声装置，其中所述基板由各向异性材料制成，优选地选自铌酸锂、钛酸锂、石英、氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅及其混合物。

40.根据权利要求1至39中任一项所述的电声装置，其中所述基板至少部分地由透光的、优选透明的材料制成。

41.根据权利要求1至40中任一项所述的电声装置，其中所述换能器被配置为产生旋涡表面声波，其基波波长λ的范围在10^-7m和10^-3m之间。

42.根据权利要求1至41中任一项所述的电声装置，其中所述旋涡表面声波是广义兰姆波或优选为广义瑞利波。

43.根据权利要求1至42中任一项所述的电声装置(380、460)，包括多个换能器，所述多个换能器被配置用于在所述基板中产生不同基波波长的旋涡超声表面波。

44.根据权利要求1至43中任一项所述的电声装置，包括位于所述换能器的中心区域中的视觉标记(515)，优选地由与所述第一和第二轨道相同的材料制成。

45.根据权利要求1至44所述的电声装置，其为盘形。

46.根据权利要求1至45中任一项所述的电声装置，所述基板可绕旋转轴线(X_D)可旋转地安装在枢轴上。

47.根据权利要求1至46中任一项所述的电声装置，还包括第一换能器和第二换能器，所述第一换能器的中心在所述装置的第一布置中的位置对应于所述第二换能器的中心在所述装置的第二布置中的位置，所述装置优选地被配置成使得从所述第一布置到所述第二布置的过渡通过围绕枢轴旋转来操作。

48.根据权利要求1至47中任一项所述的电声装置，包括用于为所述换能器电极供电的接触电刷(410、415)。

49.根据权利要求48所述的电声装置，还包括第一换能器和第二换能器，所述接触刷与相应的所述第一换能器和所述第二换能器接触并且为相应的所述第一换能器和所述第二换能器供电，在所述装置的相应的所述第一布置和第二布置中，所述装置优选地被配置成使得从所述第一布置到所述第二布置的过渡通过围绕枢轴旋转来操作。

50.根据权利要求24至49中任一项所述的电声装置，包括机构(405)，所述机构(405)被配置用于使所述支撑部优选地通过沿着垂直并且平行于所述基板的两条轴线中的任一条平移而相对于所述换能器移位。

51.一种用于配置根据权利要求15至50中任一项所述的电声装置的方法，所述方法包括：

a.用电输入信号e_i(t)依次为所述电声装置的一组换能器中的单个换能器i供电，并且如果合适的话，关闭其他有源换能器，并且在位于所述换能器的中心区域上的若干控制点j中的每一个上测量在所述基板中产生的表面声波s_j(t)的幅度和相位，并且存储所测量的表面声波s_j(t)；

b.计算相应的输入信号e_i(t)和输出信号s_j(t)的已变换的信号输入E_i和信号输出S_j，

d.确定所述信号E’_i，使得通过关系S’_j＝H_ji E’_i获得在点j处的已变换的旋涡表面声波S’_j

52.根据权利要求51所述的方法，其中，通过从拉普拉斯变换、Z变换、梅林变换和傅里叶变换中选择的变换来获得已变换的信号。

53.根据权利要求52所述的方法，其中，通过傅立叶变换获得已变换的信号。

54.根据权利要求51至53中任一项所述的方法，包括将线性算子H_ij和/或每个输入信号e’_i(t)的幅度和相位存储在存储单元中，所述存储单元链接到所述控制器或位于所述控制器内部。

55.一种光学装置(480)，包括根据权利要求1至50中任一项所述的电声装置。

56.根据权利要求55的光学装置，其是显微镜。

57.根据权利要求56所述的光学装置，其中，在所述光学装置的至少一个配置中，所述电声装置的所述换能器位于所述显微镜的物镜和所述支撑部之间。

58.根据权利要求56和57中任一项所述的光学装置，其中所述电声装置(500)固定到所述显微镜的物镜(505)。

59.根据权利要求56至58中任一项所述的光学装置，包括多个物镜，至少两个物镜具有不同的放大率，至少两个、优选地所有物镜各自固定到电声装置。

60.根据权利要求59所述的光学装置，固定在所述多个物镜中的一个物镜上的电声装置不同于固定在所述多个物镜中的另一个物镜上的电声装置。

61.一种用于操纵液体介质中的至少一个物体的方法，包括：

-利用包括换能器的电声装置产生旋涡表面声波，以及

-将由所述表面声波诱导的声学涡流或变性的声学涡流传播到所述液体介质中，以在其中产生辐射压力，其中所述物体受到所述辐射压力，并且通过所述换能器相对于所述介质的位移来操纵所述物体。

62.根据权利要求61所述的方法，其中所述电声装置是根据权利要求1至50中任一项所述的电声装置。

63.根据权利要求61和62中任一项所述的方法，包括在体波到达所述液体介质之前使所述体波在整个实体支撑部的体积中传播。

64.根据权利要求61至63中任一项所述的方法，所述换能器是装置的在单个压电基板轨道上包括至少两个单独的换能器的一部分，所述换能器优选地相互交叉，具有不同的电极图案。

65.根据权利要求61至64中任一项所述的方法，所述装置可绕旋转轴线旋转，并且所述方法包括在使用所述换能器之前或之后旋转所述装置。

66.根据权利要求61至65中任一项所述的方法，包括使用至少一个电致动器使所述换能器相对于所述介质移位。

67.根据权利要求61至66中任一项所述的方法，根据权利要求44所述的装置包括将所述电声装置布置成使得所述视觉标记偏离所述物体，随后通过为所述换能器供电以在所述液体介质中产生体积超声波，从而使所述物体移位，以便所述物体与所述视觉标记重叠。

68.根据权利要求61至67中任一项所述的方法，包括利用根据权利要求55所述的光学装置观察所述物体。

69.根据权利要求61至68中任一项所述的方法，所述换能器包括电极轨道阵列，所述方法包括用单个AC电源为所述电极轨道供电。

70.根据权利要求61至69中任一项所述的方法，包括利用声学涡流或变性的声学涡流在所述物体附近的流体中诱导流体动力涡流，以改变所述物体的取向。

71.根据权利要求61至70中任一项所述的方法，包括在所述物体附近的所述流体中产生声学涡流，以便产生用于引发其旋转的扭矩。

72.根据权利要求61至71中任一项所述的方法，包括将所述声学涡流或所述变性声学涡流会聚在与所述换能器的中心区域的中心垂直的区域中的液体介质中，从而沿着所述声学旋涡或所述变性的声学旋涡围绕其打旋的方向捕获所述物体。

73.根据权利要求61至72中任一项所述的方法，包括在所述液体介质中诱导流体动力涡流。

74.根据权利要求61至73中任一项所述的方法，所述物体是生物材料，优选为细胞，所述物体优选地是非标记的。

75.根据权利要求61至74中任一项所述的方法，包括使所述超声表面波的波阵面预扭曲，以便控制体声学涡流的变性，所述预扭曲优选地通过权利要求6中给出的公式的逆滤波方法来计算。

76.一种用于操纵液体介质中的至少一个物体或液体介质的方法，所述液体介质特别是液滴，所述操纵包括聚结、变形、混合和等分所述至少一个物体和/或所述液体介质中的至少一种，包括：利用电声装置产生旋涡表面声波，所述电声装置包括多个交叉换能器，所述多个交叉换能器由相应的AC源供电并且将由所述表面声波感应的声学涡流或变性的声学涡流传播到所述介质中，用于产生所述物体和/或所述液体介质所受到的压力陷阱；以及改变所述AC源以改变所述陷阱的位置和特征；以及操纵特别是使所述物体移动或旋转。

77.根据权利要求76所述的方法，其特征在于，所述基板使得沿着所述基板的最大速度方向的波速除以沿着所述基板的最小速度方向的波速的比率大于1.3。

78.根据权利要求76和77中任一项所述的方法，其中所述电声装置是根据权利要求15至50中任一项所述的电声装置。

79.根据权利要求76至78中任一项所述的用于操纵液体介质的方法，包括利用所述声学涡流或所述变性的声学涡流产生流体动力涡流，特别是用于混合所述液体介质。