CN111969975B - 平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及声表面波微粒操控领域，更具体的说是平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊与方法，包括斜叉指换能器阵列、微流腔体和压电基底，所述斜叉指换能器阵列上连接有声表面波发生器，斜叉指换能器阵列连接在压电基底的上表面，微流腔体连接在压电基底的上表面，微流腔体位于斜叉指换能器阵列中部，斜叉指换能器阵列产生叠加的声表面驻波场，可以对工作区内多位置自由分布的大量微粒，实现任意位置微粒的单独捕获与操控。
Description
技术领域
本发明涉及声表面波微粒操控领域，更具体的说是平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊与方法。
背景技术
基于声表面波的声镊技术在微流控领域广泛应用，向压电基底上的叉指换能器施加激励电信号，引起基底表面的振动，并在传播过程中耦合进入基底上的流体中，形成声压力梯度。两束或多束不同叉指换能器激励的声表面波相互叠加，可以形成声表面驻波场，同时或分别调节激励电信号的频率、相位，可以调节驻波节点的几何位置。微粒在压力梯度引起的声流作用下向节点或腹点聚集，微粒被聚集到驻波声场的节点或腹点，取决于它们的弹性特征。由于相对于流体介质的密度和压缩性差异，大多数微粒和细胞被推向声场中的节点。改变驻波节点位置，可以实现微粒的几何位置的改变，从而操控微粒。声表面波声镊能够实现非接触式、无创性的操控。
传统表面波声镊大多使用两对相互垂直或者多对交叉排列的叉指换能器产生驻波场，通过叠加形成矩形或多边形驻波节点的声场，从而实现微粒的排列。但是，这样的声镊只能同时调节工作区所有驻波节点，无法做到操控单个驻波节点。这样的声镊对单微粒操控时，要求工作区内只有单个微粒，这样即使同时控制所有驻波节点，也能实现单个微粒操控。但是对于工作区内多位置自由分布的大量微粒，无法实现平面任意位置微粒的单独捕获与操控。
发明内容
本发明的目的是提供平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊与方法，可以对工作区内多位置自由分布的大量微粒，实现任意位置微粒的单独捕获与操控。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，包括斜叉指换能器阵列、微流腔体和压电基底，所述斜叉指换能器阵列上连接有声表面波发生器，斜叉指换能器阵列连接在压电基底的上表面，微流腔体连接在压电基底的上表面，微流腔体位于斜叉指换能器阵列中部，斜叉指换能器阵列产生叠加的声表面驻波场。
作为本技术方案的进一步优化，本发明平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，所述斜叉指换能器阵列包括斜叉指换能器Ⅰ、斜叉指换能器Ⅱ、斜叉指换能器Ⅲ和斜叉指换能器Ⅳ，斜叉指换能器Ⅰ、斜叉指换能器Ⅱ、斜叉指换能器Ⅲ和斜叉指换能器Ⅳ分别设置在微流腔体的四周，斜叉指换能器Ⅰ、斜叉指换能器Ⅱ、斜叉指换能器Ⅲ和斜叉指换能器Ⅳ的两级均与声表面波发生器相连，斜叉指换能器Ⅰ和斜叉指换能器Ⅲ沿Y方向对置设置，斜叉指换能器Ⅱ和斜叉指换能器Ⅳ沿X方向对置设置。
作为本技术方案的进一步优化，本发明平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，所述斜叉指换能器Ⅰ、斜叉指换能器Ⅱ、斜叉指换能器Ⅲ和斜叉指换能器Ⅳ的声孔径p＝5mm，叉指对数至少为7对。
作为本技术方案的进一步优化，本发明平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，所述斜叉指换能器Ⅰ和斜叉指换能器Ⅲ的激励信号频率相同，为频率f1，二者之间可以调节相位差，斜叉指换能器Ⅱ和斜叉指换能器Ⅳ的激励信号频率相同，为频率f2，二者之间可以调节相位差/>
作为本技术方案的进一步优化，本发明平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，所述向斜叉指换能器Ⅰ和斜叉指换能器Ⅲ施加频率信号f1和相位差斜叉指换能器Ⅰ和斜叉指换能器Ⅲ的相应部分激励出驻波声场形成驻波节点，驻波节点与频率f1对应的斜叉指换能器Ⅰ和斜叉指换能器Ⅲ可以激发相应波长声波的部分相交所得的交点即为频率f1、相位差/>信号激励出的Y方向单方向形成的声压节点；向斜叉指换能器Ⅱ和斜叉指换能器Ⅳ施加频率信号f2和相位差/>斜叉指换能器Ⅱ和斜叉指换能器Ⅳ的相应部分激励出驻波声场形成驻波节点，驻波节点与频率f2对应的斜叉指换能器Ⅱ和斜叉指换能器Ⅳ可以激发相应波长声波的部分相交所得的交点即为频率f2、相位差/>信号激励出的X方向单方向形成的声压节点。
作为本技术方案的进一步优化，本发明平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，所述Y方向单方向形成的声压节点和X方向单方向形成的声压节点叠加形成两方向叠加形成的声压节点。
作为本技术方案的进一步优化，本发明平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，所述声表面波发生器由信号发生器和与之相连的功率放大器组成，信号发生器产生四路RF信号，分别经过功率放大器放大，施加到斜叉指换能器Ⅰ、斜叉指换能器Ⅱ、斜叉指换能器Ⅲ和斜叉指换能器Ⅳ上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，所述微流腔体包括微流腔体入口、微流腔体出口和工作区，微流腔体的下部设置有工作区，微流腔体上设置有微流腔体入口和微流腔体出口，微流腔体入口和微流腔体出口均与工作区连通。
作为本技术方案的进一步优化，本发明平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，所述压电基底采用128°YX铌酸锂材料制成，压电基底厚度0.5mm，压电基底的双面抛光加工。
可实现平面任意位置微粒单独捕获与操控的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：将含有需要操控微粒的流体或细胞溶液从微流腔体入口注射进入微流腔体，分布在工作区内；
步骤二：确定要捕获目标区域的横纵坐标“x.y”，确定斜叉指换能器Ⅰ和斜叉指换能器Ⅲ的激励频率f1，斜叉指换能器Ⅱ和斜叉指换能器Ⅳ的激励频率f2；
步骤三：确定斜叉指换能器Ⅰ和斜叉指换能器Ⅲ的激励信号相位差斜叉指换能器Ⅱ和斜叉指换能器Ⅳ的激励信号相位差/>
步骤四：向斜叉指换能器Ⅰ和斜叉指换能器Ⅲ施加步骤二确定的激励频率f1，向斜叉指换能器Ⅰ和斜叉指换能器Ⅲ施加步骤三确定的相位差向斜叉指换能器Ⅱ和斜叉指换能器Ⅳ施加步骤二确定的激励频率f2，向斜叉指换能器Ⅱ和斜叉指换能器Ⅲ施加步骤三确定的相位差/>形成表面驻波声场，保持信号10s，两方向叠加形成的声压节点位置的微粒被捕获到其所在几何位置的两方向叠加形成的声压节点处；
步骤五：改变激励信号的频率f1、频率f2、相位差和相位差/>操控被捕获微粒移动。
本发明平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊与方法的有益效果为：
本发明平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，可以
对斜叉指换能器Ⅰ、斜叉指换能器Ⅱ、斜叉指换能器Ⅲ和斜叉指换能器Ⅳ施加特定的输入频率和功率的信号，斜叉指换能器Ⅰ、斜叉指换能器Ⅱ、斜叉指换能器Ⅲ和斜叉指换能器Ⅳ在有效声孔径范围内形成驻波声场，工作区中无声场部分和单方向形成的声压节点均强度较弱无法捕获微粒，两方向叠加形成的声压节点强度较大可以捕获微粒；调整斜叉指换能器Ⅰ、斜叉指换能器Ⅱ、斜叉指换能器Ⅲ和斜叉指换能器Ⅳ的设计结构参数，使有效声孔径叠加声场内只有一个声压节点，也就是只有一个声压节点能够捕获微粒；通过移动该声压节点的物理位置，可以操控该节点捕获的微粒。
本发明平面任意位置微粒单独捕获与操控的方法，实现了对斜叉指换能器Ⅰ、斜叉指换能器Ⅱ、斜叉指换能器Ⅲ和斜叉指换能器Ⅳ整体孔径覆盖的声场区域内的单个声压节点进行控制，进而对工作区内多位置自由分布的大量微粒，实现对任意位置微粒的单独捕获，在此过程中不会捕获其它位置的微粒，最后可以实现对被捕获微粒的单独操控；本发明提出了根据目标位置的坐标确定声表面波激励信号频率和相位差的公式，进而提出了在控制微粒移动过程中调节信号频率和相位差的调节公式。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊整体结构示意图；
图2是本发明的相位差不变时，X方向带宽内所有谐振频率激励出的声压节点未简化成声压节线示意图；
图3是本发明的相位差不变时，X方向带宽内所有谐振频率激励出的声压节点简化成声压节线示意图；
图4是本发明的相位差不变时，Y方向带宽内所有谐振频率激励出的声压节线示意图；
图5是本发明的相位差不变时，工作区内XY方向叠加的声压节线与节点图；
图6是本发明的X方向上，信号频率f2和相位差激励出的声压节点，及调节频率和相位差的声压节点变化图；
图7是本发明的Y方向上，信号频率f1和相位差激励出的声压节点，及调节频率和相位差的声压节点变化图；
图8是本发明的XY方向上某确定频率f1、f2和相位差激励出的声场叠加形成的声压节点示意图；
图9是本发明的调节频率时声压节点形成情况示意图；
图10是本发明的调节相位差时声压节点形成情况示意图；
图11是本发明的同时调节频率和相位差时声压节点形成情况示意图；
图12是本发明的单声压节点及微粒的捕获及移动的控制方法示意图。
图中：斜叉指换能器Ⅰ1；斜叉指换能器Ⅱ2；斜叉指换能器Ⅲ3；斜叉指换能器Ⅳ4；微流腔体5；微流腔体入口5-1；微流腔体出口5-2；工作区5-3；压电基底6；单方向形成的声压节点7；两方向叠加形成的声压节点8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一：
下面结合图1-12说明本实施方式，平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，包括斜叉指换能器阵列、微流腔体5和压电基底6，所述斜叉指换能器阵列上连接有声表面波发生器，声表面波发生器提供频率和相位可调的正弦激励电信号，斜叉指换能器阵列连接在压电基底6的上表面，微流腔体5连接在压电基底6的上表面，微流腔体5位于斜叉指换能器阵列中部，斜叉指换能器阵列产生叠加的声表面驻波场；对斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4施加特定的输入频率和功率的信号，斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4在有效声孔径范围内形成驻波声场，工作区5-3中无声场部分和单方向形成的声压节点7均强度较弱无法捕获微粒，两方向叠加形成的声压节点8强度较大可以捕获微粒；调整斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4的设计结构参数，使有效声孔径叠加声场内只有一个声压节点，也就是只有一个声压节点能够捕获微粒；通过移动该声压节点的物理位置，可以操控该节点捕获的微粒。
具体实施方式二：
下面结合图1-12说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述斜叉指换能器阵列包括斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4，斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4分别设置在微流腔体5的四周，斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4的两级均与声表面波发生器相连，斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3沿Y方向对置设置，斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4沿X方向对置设置；斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4的结构相同，分别设置在微流腔体5的四周；斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4采用金属材料铬和金，通过紫外光刻技术制成，首先将光刻胶均匀覆盖在压电基底6上，然后通过紫外光刻得到设计的斜叉指换能器图案，经过显影，设计电极的区域光刻胶被洗掉；再蒸镀5nm铬和80nm金到压电基底6上，经过丙酮清洗，基底上只有电极的图案区域覆盖金属材料，其它有光刻胶的区域的镀层被洗掉。
具体实施方式三：
下面结合图1-12说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4的声孔径p＝5mm，叉指对数至少为7对；指间间距等于电极宽度d＝λ/4，其中λ为产生的声表面波波长，即与叉指周期相等，在沿声孔径方向上，叉指周期为200μm至333μm连续分布，根据谐振频率计算公式f＝V/λ，斜叉指换能器的谐振频率f约为20MHz至12MHz；向斜叉指换能器施加这一范围内某一频率的激励电信号时，对应的叉指周期处的有效声孔径处的部分叉指换能器可以激发出振幅较大的对应频率的声表面波，其它非对应部分的叉指换能器只能激发振幅很小的声表面波甚至不能激发声表面波。
具体实施方式四：
下面结合图1-12说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3的激励信号频率相同，为频率f1，二者之间可以调节相位差斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4的激励信号频率相同，为频率f2，二者之间可以调节相位差/>声表面波发生器的四路信号也可以独立调节频率；向对置的斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4施加某一频率的信号，斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4的相应部分激励出横向驻波声场，形成驻波节点，相邻驻波节点间距离等于对应频率激励的声波波长的一半，即λ/2。保持相位差不变，使用扫频法向斜叉指换能器施加谐振频率带宽范围内全部频率信号(fmax～fmin)，斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4的相应部分激励出横向驻波声场，形成相邻距离不同的声压节点阵列。激励频率连续变化，所以这些声压节点阵列可以简化为声压节线，由于斜叉指换能器叉指周期连续变化，所以对应位置激励的驻波声场周期不同，相邻声压节点距离也不同，导致整体声压节线是倾斜的。如附图2和3所示，每条水平点划线代表各不相同的激励频率，斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4的中间形成相邻距离不同的声压节点阵列，激励频率从fmax至fmin连续变化时，将声压节点阵列简化为X方向声压节线。如附图4所示，斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3形成的Y方向声压节线同理；虚线范围内是工作区5-3。附图5是保持相位差不变时，同时使用扫频法向斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4施加激励信号，工作区5-3内激励出的全部声压节线和两节线相交所得的叠加声压节点。
具体实施方式五：
下面结合图1-12说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述向斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3施加频率信号f1和相位差斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3的相应部分激励出驻波声场形成驻波节点，驻波节点与频率f1对应的斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3可以激发相应波长声波的部分相交所得的交点即为频率f1、相位差/>信号激励出的Y方向单方向形成的声压节点7；向斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4施加频率信号f2和相位差/>斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4的相应部分激励出驻波声场形成驻波节点，驻波节点与频率f2对应的斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4可以激发相应波长声波的部分相交所得的交点即为频率f2、相位差/>信号激励出的X方向单方向形成的声压节点7；
区别于扫频法激励出声压节线，向对置的斜叉指换能器施加某一确定频率的信号，斜叉指换能器的相应部分激励出驻波声场，形成驻波节点；如附图6所示，向斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4施加确定频率f2的信号，形成单方向驻波节点，图中水平点划线表示频率f2对应的斜叉指换能器可以激发相应波长声波的部分，与声压节线相交所得的交点即为频率f2、相位差信号激励出的X方向驻波节点，此时图中画出的灰色声压节线是方便模拟时确定节点位置，实际没有激励出声压节线。调节信号频率为f2+Δf2，保持相位差不变，相当于沿Y方向移动水平点划线，与声压节线交点即为调节后相邻距离变化的X方向驻波节点。
保持频率f2不变，调节信号相位差为相当于声压节线沿X方向移动，根据本装置施加相位差信号的情况，/>时，声压节线向靠近斜叉指换能器Ⅳ4的方向移动。相位差每调节2π，声压节线移动一个周期，对于每个不同的叉指周期部分，声压节点移动个半波长的距离。所以相位差调节时，声压节线的移动不是平行移动，而是不同波长的部分等比例移动。/>的声压节线与/>的声压节线相比，只是调节过程中右移一个周期，位置上是重合的。此时X方向驻波节点也沿X方向移动。
如附图7所示，向斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3施加确定频率f1的信号，形成驻波节点，图中竖直点划线表示频率f1对应的斜叉指换能器可以激发相应波长声波的部分，与声压节线相交所得的交点即为频率f1、相位差信号激励出的Y方向驻波节点。调节信号频率为f1+Δf1，保持相位差/>不变，相当于沿X方向移动竖直点划线，与声压节线交点即为调节后相邻距离变化的Y方向驻波节点。保持频率f1不变，调节信号相位差为/>相当于声压节线按不同波长等比例沿Y方向移动，根据本装置施加相位差信号的情况，时，声压节线向靠近斜叉指换能器1的方向移动，移动原理与上述调节/>相同。此时Y方向驻波节点也沿Y方向移动。
具体实施方式六：
下面结合图1-12说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述Y方向单方向形成的声压节点7和X方向单方向形成的声压节点7叠加形成两方向叠加形成的声压节点8；向斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3施加确定频率f1、相位差的信号，同时向斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4施加确定频率f2、相位差/>的信号，工作区中竖直点划线与Y方向声压节线的交点、水平点划线与X方向声压节线的交点是单方向形成的声压节点7，图中用空心圆示意。两点划线与两组声压节线的交点处是两方向叠加形成的声压节点8，图中用实心圆点示意。其他声压节线处没有激励出声场。适当调节输入功率，使正交设置的两对斜叉指换能器均产生较弱的驻波声束，使得单方向形成的声压节点7强度不能抵消微粒所受粘滞阻力，从而不能捕获微粒。但两方向叠加形成的声压节点8被加强，强度足够捕获微粒。工作区5-3中无声场部和单方向形成的声压节点均强度较弱无法捕获微粒，两方向叠加形成的声压节点强度较大可以捕获微粒；
根据声表面波叠加形成驻波的理论，得到斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4在频率f1、f2、相位差的信号激励下形成的声压节点具体几何位置的公式。根据声表面驻波理论，将对向斜叉指换能器距离设置为所有带宽内谐振频率都可以在中心位置激励出声压节点。以中心位置水平和竖直的声压节线作为坐标系的XY坐标轴，得到以f1、f2、/>表示的声压节点坐标：
以f1、表示时，声压节点坐标为：
其中，p为斜叉指换能器的声孔径长度，即正方形工作区边长；fmin为最小设计频率，fmax为最大设计频率；c为压电材料的表面波声速；n1为Y方向声压节线的阶数，n1为整数，中心水平声压节线为n1＝0阶，向Y轴正向逐渐增大，向Y轴负向逐渐减小。
以f2、表示时，声压节点坐标为：
其中，p、fmin、fmax、c定义同上；n2为X方向声压节线的阶数，n2为整数，中心竖直声压节线为n2＝0阶，向X轴正向逐渐增大，向X轴负向逐渐减小。
根据f1、和n1可以确定斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3激励出单方向的声压节点7坐标。根据f2、/>和n2可以确定斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4激励出的单方向的声压节点7坐标。
如附图9所示，在本发明中，对斜叉指换能器施加确定频率f1、f2的信号而不使用扫频法激励，能够只得到其中一个叠加声压节点，如实心圆点所示。在控制该声压节点的过程中，如果保持相位差不变，只调节频率，相当于声压节线不动，点划线移动。但是声压节点是相应点划线与声压节线的交点，所以这会导致产生两个单方向声场的声压节点，如图中空心圆所示，但二者没有相交，不能形成叠加后的强度足够的声压节点即实心圆点。如附图10所示，如果保持频率不变，只调节相位差，相当于点划线不动，声压节线移动。这样也会导致产生两个单方向声场的声压节点，二者没有相交，不能形成叠加后的强度足够的声压节点。如附图11所示，只有同时分别调节两对斜叉指换能器的频率和相位差，使声压节线交点与点划线交点始终保持相交于同一点，才是叠加的强度足够捕获微粒的声压节点。
具体实施方式七：
下面结合图1-12说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，所述声表面波发生器由信号发生器和与之相连的功率放大器组成，信号发生器产生四路RF信号，分别经过功率放大器放大，施加到斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4上。
具体实施方式八：
下面结合图1-12说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，所述微流腔体5包括微流腔体入口5-1、微流腔体出口5-2和工作区5-3，微流腔体5的下部设置有工作区5-3，微流腔体5上设置有微流腔体入口5-1和微流腔体出口5-2，微流腔体入口5-1和微流腔体出口5-2均与工作区5-3连通；微流腔体5整体是长宽8mm、高2mm的长方体，从下部向内凹一个长宽4mm、高100μm的内腔，是工作区5-3；通过注射器及针头从微流腔体入口5-1向微流腔体5注射微粒，在工作区5-3进行操控，通过微流腔体出口5-2收集废液；所述微流腔体5使用有机材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)，通过紫外光刻技术制成。首先根据设计的内部腔体形状制作掩模板，然后使用光刻技术得到硅材料的微流腔体模具，在模具上浇注液态PDMS，80摄氏度热烘1小时得到凝固的微流腔体毛坯，按设计结构经过切割与钻孔得到微流腔体，通过等离子结合技术连接固定到压电基底6的上表面。
具体实施方式九：
下面结合图1-12说明本实施方式，本实施方式对实施方式八作进一步说明，所述压电基底6采用128°YX铌酸锂材料制成，压电基底6厚度0.5mm，压电基底6的双面抛光加工；该铌酸锂材料上声表面波声速V＝3980m/s。
可实现平面任意位置微粒单独捕获与操控的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：将含有需要操控微粒的流体或细胞溶液从微流腔体入口5-1注射进入微流腔体5，分布在工作区5-3内；如果需要操控单微粒，要使得溶液浓度尽量低；
步骤二：确定要捕获目标区域的横纵坐标“x.y”，确定斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3的激励频率f1，斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4的激励频率f2；
以图12为例，灰色实心圆点为需要操控的微粒的几何位置，根据该位置确定要捕获目标区域的横纵坐标(x,y)。根据式(1)(2)确定斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4的激励频率f1、f2，由图中灰色点划线表示：
步骤三：确定斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3的激励信号相位差斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4的激励信号相位差/>
已知要捕获目标区域的横纵坐标(x,y)、激励频率f1、f2，根据式(1)(2)确定斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4的激励信号相位差由图12中灰色声压节线表示：
确定相位差时，同时需要根据目标位置确定最近的声压节线阶数n1、n2。n1是同时确定的，确定n1的原则是使/>尽可能小。/>n2同理。
步骤四：向斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3施加步骤二确定的激励频率f1，向斜叉指换能器Ⅰ1和斜叉指换能器Ⅲ3施加步骤三确定的相位差向斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅳ4施加步骤二确定的激励频率f2，向斜叉指换能器Ⅱ2和斜叉指换能器Ⅲ3施加步骤三确定的相位差/>形成表面驻波声场，保持信号10s，两方向叠加形成的声压节点8位置的微粒被捕获到其所在几何位置的两方向叠加形成的声压节点8处；分别向斜叉指换能器Ⅰ1、斜叉指换能器Ⅱ2、斜叉指换能器Ⅲ3和斜叉指换能器Ⅳ4施加频率为步骤2、3确定频率f1、f2和相位差/>的激励电信号，形成表面驻波声场，保持信号10s，叠加交点位置的微粒被捕获到其所在几何位置的单独声压节点处，其他位置的微粒未被捕获，可以考虑向微流腔体中注射水使其缓速流出工作区；
步骤五：改变激励信号的频率f1、频率f2、相位差和相位差/>操控被捕获微粒移动；
以图9、10和11为例，操控被捕获微粒从起点(x,y)向终点(x’,y’)移动，终点位置在图中以黑色实心圆点表示。移动过程必须同时改变激励信号的频率和相位差，为了声表面波发生信号的参数控制简便，考虑激励频率由f1、f2变为f1’、f2’，相位差的变化量分别为由图中黑色点划线和声压节线表示，具体调节公式为：
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，包括斜叉指换能器阵列、微流腔体（5）和压电基底（6），其特征在于：所述斜叉指换能器阵列上连接有声表面波发生器，斜叉指换能器阵列连接在压电基底（6）的上表面，微流腔体（5）连接在压电基底（6）的上表面，微流腔体（5）位于斜叉指换能器阵列中部，斜叉指换能器阵列产生叠加的声表面驻波场；
所述斜叉指换能器阵列包括斜叉指换能器Ⅰ（1）、斜叉指换能器Ⅱ（2）、斜叉指换能器Ⅲ（3）和斜叉指换能器Ⅳ（4），斜叉指换能器Ⅰ（1）、斜叉指换能器Ⅱ（2）、斜叉指换能器Ⅲ（3）和斜叉指换能器Ⅳ（4）分别设置在微流腔体（5）的四周，斜叉指换能器Ⅰ（1）、斜叉指换能器Ⅱ（2）、斜叉指换能器Ⅲ（3）和斜叉指换能器Ⅳ（4）的两级均与声表面波发生器相连，斜叉指换能器Ⅰ（1）和斜叉指换能器Ⅲ（3）沿Y方向对置设置，斜叉指换能器Ⅱ（2）和斜叉指换能器Ⅳ（4）沿X方向对置设置；
所述斜叉指换能器Ⅰ（1）和斜叉指换能器Ⅲ（3）的激励信号频率相同，为频率f 1，二者之间调节相位差φ1，斜叉指换能器Ⅱ（2）和斜叉指换能器Ⅳ（4）的激励信号频率相同，为频率f 2，二者之间调节相位差φ2；
向所述斜叉指换能器Ⅰ（1）和斜叉指换能器Ⅲ（3）施加频率信号f 1和相位差φ1，斜叉指换能器Ⅰ（1）和斜叉指换能器Ⅲ（3）的相应部分激励出驻波声场形成驻波节点，驻波节点与频率f 1对应的斜叉指换能器Ⅰ（1）和斜叉指换能器Ⅲ（3）激发相应波长声波的部分相交所得的交点即为频率f 1、相位差φ1信号激励出的Y方向单方向形成的声压节点（7）；向斜叉指换能器Ⅱ（2）和斜叉指换能器Ⅳ（4）施加频率信号f 2和相位差φ2，斜叉指换能器Ⅱ（2）和斜叉指换能器Ⅳ（4）的相应部分激励出驻波声场形成驻波节点，驻波节点与频率f 2对应的斜叉指换能器Ⅱ（2）和斜叉指换能器Ⅳ（4）激发相应波长声波的部分相交所得的交点即为频率f 2、相位差φ2信号激励出的X方向单方向形成的声压节点（7）；
所述Y方向单方向形成的声压节点（7）和X方向单方向形成的声压节点（7）叠加形成两方向叠加形成的声压节点（8）。
2.根据权利要求1所述的平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，其特征在于：所述斜叉指换能器Ⅰ（1）、斜叉指换能器Ⅱ（2）、斜叉指换能器Ⅲ（3）和斜叉指换能器Ⅳ（4）的声孔径p=5mm，叉指对数至少为7对。
3.根据权利要求1所述的平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，其特征在于：所述声表面波发生器由信号发生器和与之相连的功率放大器组成，信号发生器产生四路RF信号，分别经过功率放大器放大，施加到斜叉指换能器Ⅰ（1）、斜叉指换能器Ⅱ（2）、斜叉指换能器Ⅲ（3）和斜叉指换能器Ⅳ（4）上。
4.根据权利要求1至3任一项所述的平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，其特征在于：所述微流腔体（5）包括微流腔体入口（5-1）、微流腔体出口（5-2）和工作区（5-3），微流腔体（5）的下部设置有工作区（5-3），微流腔体（5）上设置有微流腔体入口（5-1）和微流腔体出口（5-2），微流腔体入口（5-1）和微流腔体出口（5-2）均与工作区（5-3）连通。
5.根据权利要求1至3任一项所述的平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，其特征在于：所述压电基底（6）采用128°YX铌酸锂材料制成，压电基底（6）厚度0.5mm，压电基底（6）的双面抛光加工。
6.可实现平面任意位置微粒单独捕获与操控的方法，该方法应用于权利要求1所述的平面任意位置微粒单独捕获与操控的表面波声镊，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：将含有需要操控微粒的流体或细胞溶液从微流腔体入口（5-1）注射进入微流腔体（5），分布在工作区（5-3）内；
步骤二：确定要捕获目标区域的横纵坐标“x .y”，确定斜叉指换能器Ⅰ（1）和斜叉指换能器Ⅲ（3）的激励频率f 1，斜叉指换能器Ⅱ（2）和斜叉指换能器Ⅳ（4）的激励频率f 2；
步骤三：确定斜叉指换能器Ⅰ（1）和斜叉指换能器Ⅲ（3）的激励信号相位差φ1，斜叉指换能器Ⅱ（2）和斜叉指换能器Ⅳ（4）的激励信号相位差φ2；
步骤四：向斜叉指换能器Ⅰ（1）和斜叉指换能器Ⅲ（3）施加步骤二确定的激励频率f 1，向斜叉指换能器Ⅰ（1）和斜叉指换能器Ⅲ（3）施加步骤三确定的相位差φ1，向斜叉指换能器Ⅱ（2）和斜叉指换能器Ⅳ（4）施加步骤二确定的激励频率f 2，向斜叉指换能器Ⅱ（2）和斜叉指换能器Ⅲ（3）施加步骤三确定的相位差φ2，形成表面驻波声场，保持信号10s，两方向叠加形成的声压节点（8）位置的微粒被捕获到其所在几何位置的两方向叠加形成的声压节点（8）处；
步骤五：改变激励信号的频率f 1、频率f 2、相位差φ1和相位差φ2操控被捕获微粒移动。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104726331A (zh) * | 2015-03-27 | 2015-06-24 | 西安交通大学 | 基于声表面波的微流控血浆分离芯片及方法 |
| CN104870077A (zh) * | 2012-01-31 | 2015-08-26 | 宾夕法尼亚州立大学研究基金会 | 使用可调谐声表面驻波进行微流体操控和颗粒分选 |
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| CN107262172A (zh) * | 2017-08-03 | 2017-10-20 | 江苏大学 | 一种润滑油微粒分离装置的设计及制作方法 |
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Patent Citations (9)
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|---|---|---|---|---|
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| CN104726331A (zh) * | 2015-03-27 | 2015-06-24 | 西安交通大学 | 基于声表面波的微流控血浆分离芯片及方法 |
| CN205269692U (zh) * | 2016-01-06 | 2016-06-01 | 吉林大学 | 基于声表面波的粒子分选芯片 |
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