CN112019185A - 全覆盖式声表面波叉指换能器 - Google Patents

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杨欣
武方达
孙超
王瀚霖
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Abstract

本发明涉及换能器技术领域，尤其涉及全覆盖式声表面波叉指换能器，包括两个全覆盖式换能器和一个微流道，两个换能器同时启动时，在同频信号控制下，在微流道内形成增强的驻波声场，用于控制通道内的生物颗粒；当启动其中一个换能器时，换能器在微流道内形成增强的行波声场，用于控制通道内的生物颗粒(biomicroparticles和bionanoparticles)。本发明在不改变原有加工工艺、材料及控制系统的前提下，通过优化叉指换能器结构设计，极大程度提高在声表面波叉指换能器与微流道呈一定夹角时通道内声场的强度及可控性，并在不同形状微流道内达到增强声场覆盖及最有效的声场控制。相同输入功率条件下，本发明能极大提升对生物颗粒的图案化排布、分离及纯化等的操控效率。

Description

全覆盖式声表面波叉指换能器
技术领域
本发明涉及换能器技术领域，尤其涉及全覆盖式声表面波叉指换能器。
背景技术
当前，表面波叉指换能器在配合微流道进行生物颗粒操控时存在功耗大、通量与效率低等缺点。特别是当传统等长叉指换能器与流体方向呈一定夹角时，换能器与包含样本的流体间存在一个较大范围的无换能器覆盖区，现有器件没有充分利用换能器材料进行有效设计，并直接导致声表面波能量损失，样本操控能力降低。因此，我们提出全覆盖式声表面波叉指换能器。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了全覆盖式声表面波叉指换能器，具有可对生物颗粒产生更大声辐射力，极大提升对生物颗粒图案化排布、分离及纯化等操控效率的特点，解决了现有声表面波叉指换能器在配合微流道进行生物颗粒操控时出现操控能力低的问题。
本发明提供如下技术方案：全覆盖式声表面波叉指换能器，包括两个全覆盖式换能器和一个微流道，两个换能器同时启动时，在同频信号控制下，在微流道内形成增强的驻波声场，控制通道内的生物颗粒；当启动其中一个换能器时，换能器在微流道内形成行波声场，控制通道内的生物颗粒。
优选的，所述微流道为直线形通道时，所述换能器为非对称结构，两个换能器呈中心对称分布在直线形通道的两侧，且两个非对称结构的换能器在直线形通道内形成增强声场。
优选的，所述微流道为环形通道时，所述换能器为环形结构，一个换能器位于环形通道的内侧，另一个换能器位于环形通道的外侧，且两个环形结构的换能器在环形通道内形成增强声场。
优选的，所述微流道为圆形通道时，所述换能器为半月形结构，两个半月形的换能器对称设置在圆形通道的两侧，且两个半月形结构的换能器在圆形通道内形成增强声场，从而驱动通道内液体样本进行有效的混合与运动。
优选的，所述微流道为曲线形通道时，所述换能器为相同曲率的曲线换能器，两个换能器分别位于曲线形通道的两侧，且两个曲线形的换能器在曲线形通道内形成增强声场。
优选的，所述生物颗粒的粒径范围为纳米级至微米级(10-9m～10-6m)。
本发明提供了全覆盖式声表面波叉指换能器，在不改变原有加工工艺、材料及控制系统的前提下，通过优化叉指换能器结构设计，极大程度提高在声表面波叉指换能器与微流道呈一定夹角时通道内声场的强度及可控性，并且在不同形状微流道内达到最大声场覆盖及最有效的声场控制；相同输入功率条件下，利用本发明原理制成的器件将可对生物颗粒产生更大的声辐射力，极大提升对生物颗粒的图案化排布、分离及纯化等操控效率。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例二的结构示意图；
图3为本发明实施例三的结构示意图；
图4为本发明实施例四的结构示意图。
图中：1、微流道；2、换能器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：全覆盖式声表面波叉指换能器，包括一个微流道1和两个全覆盖式换能器2，两个换能器2同时启动时，在同频信号控制下，在微流道1内形成增强的驻波声场，控制通道内的生物颗粒(biomicroparticles和bionanoparticles，即生物微粒和生物纳米颗粒)；当启动其中一个换能器2时，换能器2在微流道1内形成行增强的行波声场，控制通道内的生物颗粒。生物颗粒的粒径范围为纳米级至微米级(10-9m～10-6m)。
实施例一：
微流道1为直线形通道时的全覆盖式声表面波叉指换能器(驻波与行波)。
如图1所示，一对呈中心对称分布的声表面波叉指换能器分布在微流道1的两侧，换能器2整体设计为一个非对称结构，通过延伸声表面波叉指换能器的右侧叉指，使得常规等长叉指换能器右侧与微流道1夹角范围内的空白区域布满换能器2，高效利用换能器2与压电材料，形成的声表面波声场对通道实现最大程度的覆盖。该结构可使声表面波在整个声表面波叉指换能器的有效范围内向微流道1传播，从而实现对通道内生物颗粒进行高效操控。两个换能器2在同频信号控制下，能在整个微流道1内形成增强的驻波声场，从而实现对生物颗粒的高效操控；当仅开启其中一个换能器2时，在整个直线形通道区域内形成增强的声表面波行波，控制通道内的生物颗粒。
实施例二：
微流道1为环形通道时的全覆盖式声表面波叉指换能器(驻波与行波)。
如图2所示，为全覆盖式环形声表面波叉指换能器，在微流道1的周围设置有两个换能器2，一个位于环形微流道1的内侧，一个位于环形微流道1的外侧，从而在整个环形通道区域内形成增强的声表面波驻波；当仅开启其中一个换能器2时，在整个环形通道区域内形成增强的声表面波行波，控制通道内的生物颗粒。
实施例三：
微流道1为圆形通道时的全覆盖式声表面波叉指换能器(驻波与行波)。
如图3所示，通过一对半月形的声表面波叉指换能器实现对微流道1内声场的全覆盖，可在圆形微流道1内形成驻波场，从而有效地驱动通道内液体样本进行有效的混合与运动；当仅开启其中一个换能器2时，在整个环形通道区域内形成增强的声表面波行波，控制通道内的生物颗粒。
实施例四：
微流道1为曲线形通道时的全覆盖式声表面波叉指换能器(驻波与行波)。
如图4所示，在曲线形微流道1的两侧设置相同曲率的声表面波叉指换能器，在曲线形微流道1内可形成驻波场，从而有效利用样本在曲线形通道内的流体特性，与声场配合进行有效操控；当开启其中一个换能器2时，在整个环形通道区域内形成增强的声表面波行波，控制通道内的生物颗粒。
本发明中，
1.对传统声表面波叉指换能器进行了结构改进，通过在空白区域填充附加叉指换能器，实现增强控制区域的声场。相同电信号控制下，在换能器2孔径对应声表面波产生的所有区域能形成较传统换能器更强的声场。
2.通过全覆盖式声表面波叉指换能器与微流道1的结合，在通道内部形成声压场。如此条件下，流场内生物颗粒受声辐射力作用更强，操控效率更高。
3.微流道1为直线形通道时的声表面波叉指换能器，相向分布的一组声表面波叉指换能器形成的驻波声场与换能器2方向平行，且波节处声压较周围势场更强，这样令生物颗粒在低输入功率条件下即可被精确操控。
4.在相同操控效果下，全覆盖式声表面波叉指换能器能有效利用空间，节约压电材料基底的消耗，降低器件能耗与热效应，减少对生物样本的潜在损害。在输入信号功率不变的情况下，较同尺寸传统换能器2能提高声表面波对微流道1内生物颗粒的操控效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.全覆盖式声表面波叉指换能器，其特征在于：包括两个全覆盖式换能器和一个微流道，两个换能器同时启动时，在同频信号控制下，在微流道内形成增强的驻波声场，控制通道内的生物颗粒；当启动其中一个换能器时，换能器在微流道内形成增强的行波声场，控制通道内的生物颗粒。
2.根据权利要求1所述的全覆盖式声表面波叉指换能器，其特征在于：所述微流道为直线形通道时，所述换能器为非对称结构，两个换能器呈中心对称分布在直线形通道的两侧，且两个非对称结构的换能器在直线形通道内形成全覆盖声场。
3.根据权利要求1所述的全覆盖式声表面波叉指换能器，其特征在于：所述微流道为环形通道时，所述换能器为环形结构，一个换能器位于环形通道的内侧，另一个换能器位于环形通道的外侧，且两个环形结构的换能器在环形通道内形成增强声场。
4.根据权利要求1所述的全覆盖式声表面波叉指换能器，其特征在于：所述微流道为圆形通道时，所述换能器为半月形结构，两个半月形的换能器对称设置在圆形通道的两侧，且两个半月形结构的换能器在圆形通道内形成增强声场。
5.根据权利要求1所述的全覆盖式声表面波叉指换能器，其特征在于：所述微流道为曲线形通道时，所述换能器为相同曲率的曲线换能器，两个换能器分别位于曲线形通道的两侧，且两个曲线形的换能器在曲线形通道内形成增强声场。
6.根据权利要求1所述的全覆盖式声表面波叉指换能器，其特征在于：所述生物颗粒的粒径范围为纳米级至微米级，即10-9m～10-6m。
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