JP2019517220A - 音響ピンセット - Google Patents

Abstract

‐圧電性基板、‐該基板上に配置され、かつ該基板内に、焦束されていない前駆超音波表面波を発生させるように構成された逆極性の第１および第２電極、を含む少なくとも１つの前駆波トランスデューサを備える電気音響機器であって、流体媒質、好ましくは液体媒質、が該電気音響機器と音響的に結合されるとき、該前駆超音波表面波は、該流体媒質のバルク内へ体積音響波として伝搬し、そして該媒質内で集束する、電気音響機器。【選択図】図９

Description

本発明は、特に１０^−２ｍ未満のサイズであり、流体媒質、好ましくは液体媒質、に浸漬され、そして特に流体媒質よりも低い密度を有する及び／又はより柔らかい対象物を操作するための電気音響機器に関する。

ナノサイズおよびマイクロサイズの対象物の選択的操作は、様々な技術分野、例えば、細胞生物学、マイクロ流体、ナノサイズおよびマイクロサイズのシステムアセンブリ、における複雑な操作である。操作は、用具、例えばピンセットまたはマイクロピペットを用いて行われうる。対象物は、次に用具の移動によって操作される。「直接接触」法と一般に呼ばれているこのような操作方法は、特に物体が、柔らかい、粘つく、または脆い場合には望ましくない。さらに、それは操作された対象物を変える場合がある。最後に、対象物が置かれているシステムへの用具の導入は、システムの特性を変更しうる。例えば、対象物が電磁場に置かれる場合、用具を導入することは、上記場の擾乱を生じさせる可能性がある。それはまた、何らかの汚染をもたらすかもしれない。システムが細胞を含む生物学的培地である場合に、細胞の挙動は用具の導入によって改変されうる。

代替の非接触法、例えば、誘電泳動法、磁気泳動法、および光泳動法（「光ピンセット」法とも呼ばれる）が、開発されている。しかし、全てこれらの技術は大きな欠点を有している。例えば、誘電泳動法は、対象物の分極率に依存し、操作される対象物の近傍に電極を設置することを要求する。磁気泳動法は、対象物上にマーカを移植することを要求する。光泳動法は、グラフト化をしてまたはしないで使用されうるが、この方法に固有の顕著な加熱および光毒性によって非常に小さな力に限定されている。

「定在波音響泳動法」と呼ばれる別の方法が開発されており、この方法は、基板上に横たわるかまたは重なる対象物を操作するために、基板内に生成された弾性表面波（ＳＡＷ）を実装することから成る。

米国特許第7,878,063 B1号は、基板と、基板上の３対の交互に噛み合わされたトランスデューサとを含む電気音響デバイスを記載している。トランスデューサの各対は、トランスデューサによって生成された表面弾性波を伝搬させるための音響経路を画定する。３つの音響経路は交差し、このようにして生物学的種を検出するための中央領域を生成する。

国際公開第2013/116311 A1号パンフレットは、１対の可変周波数の交互に噛み合わされたトランスデューサと、基板上に画定され、これらトランスデューサの間に非対称に配置されたチャネルとを含む粒子を操作する装置を記載している。

国際公開第2015/134831号パンフレットは、第１音響波を生成するための第１の交互に噛み合わされたトランスデューサ構成と、第１音響波に対して非平行な方向に第２音響波を生成する第２の交互に噛み合わされたトランスデューサ構成と、第１音響波と第２音響波との間の相互作用によって少なくとも部分的に形成された干渉パターンによって少なくとも部分的に画定された操作領域と、を含んでいる音響機器を記載している。

論文「Fastacoustic tweezer for the two-dimensional manipulation of individual particlesin microfluidic channels（マイクロ流体チャネルにおける個々の粒子の２次元操作のための高速音響ピンセット）」、S.B.Q. Tran, P. MarmottantおよびP.Thibault、Applied Physics Letters、American Institute of Physics、2012,101,pp.114103、は、中央ゾーンの周りに規則的な間隔で基板上に設けられた４つの交互に噛み合わされたトランスデューサを含む装置を記載している。各トランスデューサは、定在表面弾性波を生成する。装置の実装は、中央ゾーン内での粒子の変位を提供する。

米国特許出願公開第2013/0047728 A1号は、関心領域内に可変超音波信号を提供するための超音波源と、制御信号を超音波源に提供するように超音波源に接続された制御器とを含む装置を教示している。可変超音波信号は、関心領域内に圧力場を生成し、その形状及び／又は位置は、関心領域内の粒子が圧力場での変化に応じて移動するように、超音波源に入力される制御信号を変えることによって変更されうる。しかし、米国特許出願公開第2013/0047728 A1号の装置は、バルク音波を発生するように構成されている。結果として、それは「ラボオンチップ」での使用を妨げるところの大規模の構成要素を必要とする。加えて、何らかの弾性表面波を発生させることには適合しない。

全ての既知の定在波音響泳動法は、対象物を操作するための定在音響波を生成することから成る。しかし、これらの方法の選択性は限られる。特に、全ての対象物は、波の節または腹に向かって移動する。結果として、定在波音響泳動法は、対象物をその近傍から独立に選択的に操作することを可能にしない。

さらに、米国特許第4,453,242号明細書、米国特許出願公開第2010/0219910号明細書、米国特許出願公開第2009/01114798号明細書、および論文「Subwavelength focusing of surface acoustic waves generated by an annular interdigital transducer（環状の交互噛み合わせ型トランスデューサによって生成された表面弾性波のサブ波長集束）」、V.Laudeら、Applied Physics Letters、Volume92、094104 (2008)は、電極が配置されているところの基板内に、基板内で焦束される表面弾性波を生成するための装置を教示している。

したがって、従来技術の技術的欠点の少なくとも幾つかを克服する電気音響デバイスおよび少なくとも１つの対象物を操作する方法についての必要性がある。

第１の局面によれば、本発明の例示的な実施態様は、
‐圧電性基板、
‐該基板上に配置され、かつ該基板内に、焦束されていない前駆超音波表面波を発生させるように構成された逆極性の第１および第２電極、
を含む少なくとも１つの前駆波トランスデューサを備える電気音響機器に関しており、
流体媒質、好ましくは液体媒質、が該電気音響機器と音響的に結合されるとき、該前駆超音波表面波は、該流体媒質のバルク内へ体積音響波として伝搬し、そして該媒質内で集束する。

集束した波、いわゆる集束超音波は、干渉が波の最大振幅をもたらす場所である空間点に向かって伝搬する。超音波は、等方性基板及び／又は異方性基板内で集束することができる。

図１は、ＸおよびＹ方向に沿った２次元集束超音波の振幅５を概略的に示す。集束超音波は、図１の破線で示される、一般に「ダークリング」と呼ばれる小振幅の同心リング１５によって取り囲まれた、一般に「ブライトスポット」と呼ばれる大振幅の領域１０を含んでいる。ブライトスポットは高い放射圧の領域であり、一方、暗い円は低い放射圧のゾーンである。したがって、暗い円上に位置された、浸けられているところの流体媒質よりも密度が低く且つより柔らかい対象物は、そのサイズが音響波の基本波長と実質的に等しいかまたはそれより小さいならば、図１の矢印２０によって示されるように、該ブライトスポットによって引き付けられる。該対象物は、次に該ブライトスポットによって捕捉される。

例えば定在波音響泳動を実行する、従来技術による装置と比較して、本発明はいくつかの利点を提供する。第１に、それは、浸かっているところの流体媒質よりも密度が低く及び／又はより柔らかい対象物を容易に操作することを可能にする。例えば気泡または柔らかい細胞の操作は、このようにして実行されることができる。第２に、本発明による電気音響機器は、単一の前駆ＳＡＷトランスデューサのみで対象物の操作を提供することができるので、実装が容易である。また、単一の低コストの電力供給システムを使用して給電されることもできる。さらに、従来技術に比べて、前駆ＳＡＷトランスデューサの特定の設定を必要とせず、従来技術でもトランスデューサの組の各トランスデューサは、トランスデューサによって生成されたＳＡＷの干渉が対象物の操作が可能な放射圧場を生じるように正確に設定されなければならない。さらに、本発明は、ＳＡＷ伝搬に関する何らの基板特性によっても限定されない。特に、基板は、好ましくは異方性である。さらに、電気音響機器は、従来技術の装置よりも広い範囲の対象物サイズに調整されることができる。特に、該機器は、同じサイズの対象物に、光泳動デバイスよりも大きな力を、該対象物を破壊することなく適用することができる。本明細書において、表面弾性波（ＳＡＷ）は、１ＭＨｚ〜１００００ＭＨｚの範囲の周波数を有すると考えられる。表現「表面弾性波」と「表面超音波」とは、本明細書では同等として考えられる。

本発明の第１の局面による該電気音響機器は、以下の任意的な特徴の１以上をさらに提示しうる：
‐該流体媒質は、好ましくは溶媒に浸けられている対象物を含んでいる、液体媒質である；
‐体積音響波が集束する場所である集束面と第１および第２電極が配置されているところの基板表面とを分離している距離と前駆超音波表面波の基本波長との比は１０を超え、上記距離は該基板表面に対して垂直方向に測定される；
‐該電気音響機器は、該基板に重なり、該基板に音響的に結合され、かつ基板材料とは異なる少なくとも１つの材料で作られた支持部を備えて、該流体媒質が該支持部上に設けられるとき、体積音響波は、該流体媒質に到達する前に該支持部内を伝搬する；
‐該支持部は、音響結合層の積層物を含んでいる；
‐該支持部は、前駆超音波表面波の基本波長の１０倍を超える、該基板に対して垂直な方向に沿って測定される厚さを有し；一例として１００μｍを超えて１０００μｍ未満である；
‐該支持部は、ガラスおよびポリマー、特に熱可塑性プラスチック、最も好ましくはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、から選択された材料を含んでおり、好ましくは、該支持部はガラスを含んでいる；
‐該第１および第２電極は、第１および第２トラックをそれぞれ含み、各々式によって定義される線を描いている

ここで、
・Ｒ（θ）は、極座標における方位角θに関する、中心Ｃからの、動径であり、
・φ_０は、自由パラメータであり、
特に、第１および第２電極の隣接するトラックが異なる線に従うために、異なるφ_０が設定されることができ、それらの間の差は、好ましくは３．０〜３．３の範囲にあり、さらに好ましくはπに等しい；
該電気音響機器が第１およびそれぞれの第２電極の複数のトラックを含む場合、φ_０は、好ましくは、各対の隣接するトラックの間で６．０〜６．６の範囲の、好ましくは２πに等しい、増分だけ増加される；
・μ_０（θ）は、

によって与えられ、
ここで、ｚ_０は該基板と該支持部との間の界面の高さであり、ｚ_ｎは流体媒質における焦点面の高さであり、そしてｚｉはｉ≧１であり、該支持部が音響結合層の積層物を含む場合は、ｎ＞１は２つの隣り合う層を分離している界面の高さであり、積層が存在しない場合は、μ_０（θ）＝０である、
・

は

であり、

で評価されており、
ここで、

は次のようにΘに依存している：

・ｓ_ｒ（ψ）は伝搬方向Ψにおける基板の表面平面での波の遅延であり、そしてｓ_ｚ（ψ）は平面の外への方向における波の遅延であり、ｒまたはｚである方向ｉにおける波の遅延は、波数ｋ_iから、ｓ_ｒ（ψ）＝ｋ_ｒ（ψ）／ωおよびｓ_ｚ（ψ）＝ｋ_ｚ（ψ）／ωとして計算される
・ｓ_ｒ’（ψ）は、伝搬方向に対するｓ_ｒ（ψ）の導関数であり、
・α（ψ）は、関連する電場に対する、方向Ψに伝播する波の垂直運動の位相である；
‐隣接する第１および第２トラックの間の半径方向の間隔（Δ）は、０．４８λ〜０．５２λに含まれ、好ましくはλ／２に等しく、λは前駆超音波表面波の基本波長である；
‐該第１および第２電極は、第１および第２トラックをそれぞれ構成しており、各々閉じた線に従っている；
‐該第１および第２トラックは、段によって分離された２つの部分を含んでいる；特に、該基板の圧電結合が消失する方向のときに特に、段は上記方向に沿って位置され、好ましくは、該トラックの該部分は該段と整列される；
‐該第１電極および該第２電極は、該第１および第２トラックが電気的に接続されているところの第１および第２電源端子をそれぞれ備えている；
‐該第１および第２電極は、複数の第１および第２トラックをそれぞれ含んでいる；
‐第１および第２トラックから成る組は、中央ゾーンを少なくとも部分的に、好ましくは実質的に完全に、取り囲んでいる；
‐中央ゾーンから観察されると、該第１および第２トラックは、それらの長さの５０％を超えて、好ましくは８０％を超えて、凹形状を有する。
‐該少なくとも１つの前駆波トランスデューサは、交互に噛み合わされている；
‐該少なくとも１つの前駆波トランスデューサは、好ましくはシリカを含む、保護コーティングによって被覆されている；
‐該支持部は、不透明でない、好ましくは透明な、材料で少なくとも部分的に作られている；
‐該支持部は、非圧電性材料で作られている；
‐該支持部は、超音波の伝播に関して等方性材料で作られている；
‐該支持部は、ガラスおよびポリマー、特に熱可塑性プラスチック、最も好ましくはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、から選択された材料を含んでいる；
‐該支持部は、ガラスを含んでいる；
‐該電気音響機器は、該基板と該支持部との間に挟まれた結合性流体からなる層を含んでいる；
‐該少なくとも１つの前駆波トランスデューサの該電極は、該基板と該支持部との間に挟まれているか、または該基板の少なくとも一部は、該支持部と前駆波の該電極との間に挟まれている；
‐該少なくとも１つの前駆波トランスデューサは、流体媒質内の焦束体積音響波のブライトスポットの影響ゾーンの半径が０．１λ〜０．７λ、好ましくは０．２λ〜０．５５λ、の範囲にあるように、前駆表面弾性波を生成するように構成され、λは該焦束体積音響波の波長であり；該「ブライトスポットの影響ゾーンの半径」は、例えば図１に観察されるように、ブライトスポットにおける最高振幅の位置と第１のダークリングの最小振幅の位置との間の距離によって定義される；
‐該基板は、５００μｍ以上の厚さを有するプレートである；
‐該電気音響機器は、好ましくは非圧電性材料で作られた、基部を備え、該基部上に該基板が配置されている；
‐該基部は、不透明でない、好ましくは透明な、材料で少なくとも部分的に作られ、特にガラスで作られている；
‐該基板は、該基部上に堆積された層の形状であり、該層の厚さはλ／１０未満であり、λは該前駆超音波表面波の基本波長である；
‐該基部は、顕微鏡の対物レンズの一部であるか、または顕微鏡の対物レンズに固定されるように構成された機器の一部である；
‐該基板は、好ましくは、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛およびこれらの混合物から選択された、異方性材料で作られている；好ましくは、該基板が層の形状である場合、該基板は、好ましくは、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛およびこれらの混合物から選択された異方性材料で作られている；
‐該基板は、不透明でない、好ましくは透明な、材料で少なくとも部分的に作られている；
‐該少なくとも１つの前駆波トランスデューサは、基本波長λが１０^−７ｍ〜１０^−３ｍの範囲にある前駆表面弾性波を生成するように構成されている；
‐該前駆表面弾性波は、一般化されたラム波または、好ましくは一般化されたレイリー波、である；
‐該電気音響機器は、それぞれ第１および第２電極が該少なくとも１つの前駆波トランスデューサの該第１および第２電極と同じ基板上に配置されている第２の前駆波トランスデューサを備え、該少なくとも１つおよび第２の前駆波トランスデューサは、該基板内に、異なるそれぞれの基本波長を有する前駆超音波表面波をそれぞれ発生させるように構成されている；
‐該電気音響機器は、該機器の第１および第２の配置それぞれにおいて、該少なくとも１つおよび第２の前駆波トランスデューサにそれぞれ接触して給電する接触ブラシを備え、該機器は、好ましくは、該第１の配置から該第２の配置への遷移が旋回軸の周りの該基板の旋回によって操作されるように構成されている；
‐該接触ブラシは、該少なくとも１つの前駆ＳＡＷトランスデューサ及び／又は該第２の前駆ＳＡＷトランスデューサの該第１トラック及び／又は該第２トラックに重なっている；
‐該少なくとも１つの前駆ＳＡＷトランスデューサ及び／又は該第２の前駆ＳＡＷトランスデューサの該第１及び／又は第２トラックが段を含む場合、該接触ブラシは、該第１トラックの該段及び／又は該第２トラックの該段にそれぞれ重なっている；
‐該少なくとも１つの前駆波トランスデューサは、該第２の前駆波トランスデューサを少なくとも部分的に取り囲み、かつ好ましくは、該少なくとも１つおよび第２の前駆波トランスデューサのうちの最低基本周波数を発生させるように意図されている；
‐該電気音響機器は、好ましくは該第１および第２トラックと同じ材料で作られた、上記少なくとも１つのトランスデューサの該第１および第２電極によって取り囲まれている該少なくとも１つのトランスデューサの中央ゾーンに配置された視覚マーキングを含んでいる；
‐該電気音響機器はディスク形状である；
‐該基板は、回転軸の周りで旋回可能に取り付けられている；
‐該電気音響機器は、好ましくは該基板に垂直および平行な２つの軸のいずれかに沿う平行移動により、該支持部を少なくとも該トランスデューサに相対的に移動させるように構成された構造を備えている。

好ましくは、該第１および第２電極は、フォトリソグラフィによって該基板上に堆積される。該基板への該電極の付着性を向上させるために、特に、クロムまたはチタンを含む材料の層は、該電極を堆積する前に該基板上に堆積させうる。

好ましくは、該第１および第２電極は、金属材料（好ましくは、金、銀、アルミニウムおよびこれらの混合物の中から選択される）で作られる。アルミニウムは１００ＭＨｚ超の周波数での利用に適している。良好な導電性が要求される場合は、金及び／又は銀が好ましい。

該第１および第２電極の該トラックの半径方向に沿って測定された幅は、同一でありうる。変形態様において幅は異なりうる。

該基板は、平面であってもまたは湾曲していてもよい。

本発明による該電気音響機器は、好ましくは該前駆ＳＡＷトランスデューサに重なっている、該流体媒質を含むことができる。特に、該流体媒質は液滴であることができる。

該流体媒質は、粒子が浸けられている溶媒を含むことができる。例えば、該溶媒は水である。例えば、該粒子は細胞またはコロイド粒子である。

一実施態様において、該電気音響機器は、該基板上に設けられた第１および第２トラックをそれぞれ有する、逆極性の第１および第２電極を有する渦巻波トランスデューサをさらに備えることができ、該トラックが同じ中心の周りに螺旋を巻き、かつ該基板内に、渦を巻く超音波表面波を発生させるように構成されている。

特に、該渦巻波トランスデューサ、該少なくとも１つの前駆波トランスデューサ、および、適切ならば、該第２の前駆波トランスデューサから成る群のうち、上記群の１つのトランスデューサ、好ましくは最低基本波長を有する波を発生するように意図されているもの、は上記群のその他のトランスデューサの少なくとも１つを取り囲んでいる。

渦を巻く表面弾性波（ＳＡＷ）は、破壊的干渉が波の振幅の相殺をもたらす場所である位相特異点の周りを回転しながら伝播する波である。渦を巻くＳＡＷは、等方性基板及び／又は異方性基板内を伝搬しうる。

図２は、等方性基板の表面における、該基板のＸおよびＹ方向に沿った渦を巻くＳＡＷの振幅２１を示す。渦を巻くＳＡＷは、図２の破線で示される、一般に「ブライトリング」と呼ばれる大振幅の同心リング２３によって取り囲まれた、一般に「ダークスポット」と呼ばれる小振幅の領域２２を含んでいる。ダークスポットは低い放射圧の領域であり、一方、明るい円は高い放射圧のゾーンである。したがって、基板の表面で伝搬する渦を巻くＳＡＷは、例えば該基板上にあり且つ明るい円上に位置された、液体媒質よりも固く且つ密度が高い対象物が、そのサイズが該渦を巻くＳＡＷの基本波長と実質的に等しいかまたはそれより小さいならば、図２の矢印によって示されるように、該渦を巻くＳＡＷの該ダークスポットによって引き付けられるようなものである。該対象物は該ダークスポットによって捕捉される。

該渦巻ＳＡＷトランスデューサは、好ましくは、該基板上に設けられる第１および第２トラックをそれぞれ構成している逆極性の第１および第２電極を備え、該渦巻ＳＡＷトランスデューサの該第１および第２トラックは同じ中心の周りに螺旋を巻き、該渦巻ＳＡＷトランスデューサは、該基板内に、渦を巻く超音波表面波を発生させるように構成されている。

該渦巻ＳＡＷトランスデューサは、以下の任意的な特徴の１以上をさらに提示しうる：
‐該渦巻ＳＡＷトランスデューサの該第１および第２電極から成る組は、該中心を全体的に取り囲み、そして中央ゾーンを画定している；
‐該渦巻ＳＡＷトランスデューサの該第１トラック及び／又は該第２トラックは、該中心の周りを９０°を超えて、好ましくは１８０°を超えて、さらに好ましくは２７０°を超えて、延在している；
‐該渦巻ＳＡＷトランスデューサの該第１および第２トラックの各々は、式（２）によって定義される線に沿って螺旋を巻いている

ここで、｜ｌ｜＞０は整数であり、そして式（２）の項は、式（１）に対して上記本明細書で定義されたものと同じである。式（２）は、項ｌΘの存在によって特に式（１）とは異なり、ｌは渦の次数である。
‐該渦巻ＳＡＷトランスデューサの隣接する第１および第２トラックの間の半径方向の間隔は、０．４８λ’〜０．５２λ’に含まれ、好ましくはλ’／２に等しく、λ’は該渦を巻く超音波表面波の基本波長である；
‐該渦巻ＳＡＷトランスデューサの該第１および第２トラックの各々は、少なくとも１つの回転に沿って走っている；
‐該渦巻ＳＡＷトランスデューサの該第１電極および該第２電極は、該第１および第２トラックが電気的に接続されているところの第１および第２電源端子をそれぞれ備えている；
‐該渦巻ＳＡＷトランスデューサの該第１および第２電極は、複数の第１および第２トラックをそれぞれ構成している；
‐該渦巻ＳＡＷトランスデューサは、交互に噛み合わされている；
‐該渦巻ＳＡＷトランスデューサの２つの隣り合う第１、または第２トラックは、少なくとも１つの半径に沿って、少なくとも２つの隣り合う第２、または第１トラックによって分離されている；
‐該渦巻ＳＡＷトランスデューサは、好ましくはシリカを含む、保護コーティングによって被覆されている；
‐該渦巻ＳＡＷトランスデューサは、該支持部と音響的に結合されて、該基板内に発生された渦を巻く超音波表面波が該支持部に伝達され、そして、好ましくは、流体媒質に浸けられている対象物が曝されるところの及び／又は上記流体媒質が曝されるところの圧力トラップを生成するために、該支持部のバルク内を音響渦または縮退音響渦として伝搬する；
‐該渦巻ＳＡＷトランスデューサは、渦を巻く表面弾性波のダークスポットの影響ゾーンの半径が０．１λ〜０．７λ、好ましくは０．２λ〜０．５５λ、の範囲にあるように、該渦を巻く表面弾性波を生成するように構成され、λは該渦を巻く表面弾性波の波長であり；該「ダークスポットの影響ゾーンの半径」は、ダークスポットにおける最小振幅の位置と第１のブライトリングの最大振幅の位置との間の距離によって定義される。

本発明の例示的な実施態様はまた、本発明による電気音響機器を備えている光学機器に関する。

本発明による該光学機器は、以下の任意的な特徴のうちの１以上をさらに示しうる：
‐該光学機器は顕微鏡である；
‐該光学機器の少なくとも１つの構成において、該電気音響機器の該トランスデューサは、該顕微鏡の対物レンズと該支持部との間に置かれている；
‐該電気音響機器は、該顕微鏡の対物レンズに固定されている；
‐該光学機器は、複数の対物レンズを有し、少なくとも２つの対物レンズは異なる倍率を有し、少なくとも２つ、好ましくは全ての対物レンズの各々が該電気音響機器に固定されている；
‐複数の内の１の対物レンズに固定された電気音響機器は、複数の対物レンズの内の別の対物レンズに固定された電気音響機器とは異なる。

本発明の例示的な実施態様はまた、流体媒質内で少なくとも１つの対象物を操作する方法に関しており、該方法は：
‐前駆表面弾性波トランスデューサを備える電気音響機器によって前駆表面弾性波を生成すること；および
‐上記対象物が曝される放射圧を該媒質内で生成するために、該前駆表面弾性波によって誘起された体積音響波を該流体媒質内へ伝播させ、そして上記体積音響波を該媒質内で焦束させ、そして該流体媒質に相対的な該電気音響機器の該前駆波トランスデューサの変位によって該対象物を操作すること；を包含している。

流体媒質内の少なくとも１つの対象物を操作する方法は、以下の任意的な特徴のうちの１以上をさらに示しうる：
‐該電気音響機器は、本発明によるものである；
‐該方法は、体積波が該流体媒質に到達する前に、該体積波を固体支持部のバルク全体に伝播させることを包含している；
‐該前駆波トランスデューサは、単一の圧電性基板上に、異なる電極のパターンを有する、好ましくは交互に噛み合わされている、少なくとも２つのそれぞれの前駆ＳＡＷトランスデューサのトラックを含む機器の一部である；
‐該機器は、回転軸の周りに回転可能であり、そして該方法は、該トランスデューサを使用する前または後に該機器を回転させることを包含している；
‐該方法は、少なくとも１つの電気アクチュエータを用いて該前駆ＳＡＷトランスデューサを該媒質に相対的に変位させることを包含している；
‐該機器は、好ましくは該第１および第２トラックと同じ材料で作られた、該前駆ＳＡＷトランスデューサの中央ゾーンに置かれた視覚マーキングを含み、該方法は、該視覚マーキングが該対象物からオフセットされるように該電気音響機器を配置すること、続いて、該対象物を該視覚マーキングに重なるように移動させるように該流体媒質内に体積超音波を発生させるために、該前駆ＳＡＷトランスデューサに給電することを包含している；
‐該方法は、本発明による光学機器を用いて該対象物を観察することを包含している；
‐該前駆ＳＡＷトランスデューサは、電極トラックのアレイを含み、該方法は、単一のＡＣ源で該電極トラックに給電することを包含している；
‐該対象物は、生物学的物質、好ましくは細胞、であり、該対象物は、好ましくはラベルを有していない；

第２の局面によれば、本発明の例示的な実施態様は、
‐圧電性基板、
‐該基板上に配置され、かつ該基板と共に渦巻波トランスデューサを画定する逆極性の少なくとも２つの電極、該少なくとも２つの電極は、同じ中心の周りに螺旋を巻くトラックをそれぞれ有し、かつ渦を巻く超音波表面波を該基板内に発生させるように構成されている、
‐該基板上に配置され、かつ該基板と共に前駆波トランスデューサを画定する逆極性の少なくとも２つのさらなる電極、該少なくとも２つのさらなる電極は、焦束されておらず、かつ渦を巻く超音波表面波とは異なる前駆超音波を該基板内に発生させるように構成されている、
を備える電気音響機器に関する。

本発明の第２の局面による該電気音響機器は、任意的な特徴の少なくとも１つを提示することができる：
‐該渦巻波トランスデューサの該少なくとも２つの電極の該トラックは、該前駆波トランスデューサの該少なくとも２つのさらなる電極の該トラックを取り囲んでいる；
‐該前駆波トランスデューサの該少なくとも２つのさらなる電極の該トラックは、該渦巻波トランスデューサの該少なくとも２つの電極の該トラックを取り囲んでいる；
‐該前駆波トランスデューサの該少なくとも２つのさらなる電極および該渦巻波トランスデューサの該少なくとも２つの電極の該トラックは同心である；

本発明の第２の局面による該電気音響機器は、本発明の第１の局面による該電気音響機器の特徴の少なくとも１つ、さらには全てさえをさらに含むことができる。

以下では、別途明記されない限り、表現「トランスデューサ」は前駆ＳＡＷトランスデューサを指し、表現およびトラック「電極」および「トラック」は前駆ＳＡＷトランスデューサのそれぞれ電極およびトラックを指す。

本発明は、以下の詳細な説明を、その例示的および非限定的な実施態様を参照して、添付の図面を参照して読むことによって、よりよく理解されるであろう。

集束音響波の位相と振幅を示した図である。 渦を巻く表面弾性波の位相および振幅を示した図である。 本発明による電気音響機器の実施態様を示す図である。 本発明による電気音響機器の実施態様を示す図である。 伝播方向に依存する、異方性基板内の平面フロント波の垂直横変位の振幅を示す図である。 異なる媒質との界面での伝搬方向に依存する、異方性基板内の平面フロント波のレイリー速度を示す図である。 ψ_０−ωμ_０の曲線の２次元グラフである。 図７の電気音響機器のトラックを画定するために使用される曲線Ｒ（θ）の２次元グラフである。 本発明による電気音響機器の実施態様を示す図である。 本発明による電気音響機器の実施態様を示す図である。 本発明による電気音響機器の実施態様を示す図である。 本発明による電気音響機器の実施態様を示す図である。 本発明による電気音響機器の実施態様を示す図である。 電気音響機器の変形例を示している。 電気音響機器の変形例を示している。 電気音響機器の変形例を示している。 電気音響機器の変形例を示している。 電気音響機器の変形例を示している。 電気音響機器の変形例を示している。 電気音響機器のフォトリソグラフィによる製造のためのマスクの図である。

図面において、種々の要素のそれぞれの形およびサイズは、明瞭化のために必ずしも順守されているわけではない。

図３は、本発明による電気音響機器２５を示し、該機器は、基板３０と、基板上に配置された前駆トランスデューサ４３の第１電極３５および第２電極４０とを含んでいる。第１および第２電極は、同じ中心Ｃの周りに両者共に湾曲された第１トラック４５および第２トラック５０をそれぞれ構成している。

中心Ｃから観察されると、第１および第２トラックは、実質的に凹状に見える。

第１トラックおよび第２トラックは両者共に、該中心の周りに２７０°よりも大きな角度Ω_１およびΩ_２にわたり、但し異なる角度セクタの上において、延在する。角度Ω_１とΩ_２は同一であっても相違していてもよい。

第１電極および第２電極は、それぞれ電源６５に接続されるための第１端子５５および第２端子６０を備えている。第１トラックおよび第２トラックは、それぞれの端子に接続されている。

両端子は、電極と同一の材料で且つ同一の堆積プロセスの間に作られうる。代わりに、それらは異なる材料で作られうる。

第１および第２トラックからなる組は、図３に示されるように、中心Ｃを含む中央ゾーン７０を完全に取り囲んでいる。このようにして、基本のＳＡＷが、第１および第２トラックによって覆われたほぼ全ての角度区画によって放射され、中央ゾーン内に前駆ＳＡＷを発生させるように干渉し、該ＳＡＷは、基板に重なっている液体媒質に向かって伝達された後に集束することができる。

上記本明細書で説明されたように、支持部が、基板およびトラックと接触して設けられることができる。流体媒質の頂部に流体媒質が配置されることができ、例えば基板は流体媒質と前駆波トランスデューサとの間に位置される。

前駆ＳＡＷから焦束体積音響波のブライトスポットが発生する、基板に重なっている流体媒質における領域は、好ましくは中心Ｃに重なっている。

さらに、前駆ＳＡＷトランスデューサの各電極から構成されるトラック数を増加させることは、前駆ＳＡＷの音響パワーを増加させる結果となる。

前駆ＳＡＷの基本波長λは、２つの隣接する第１および第２電極の間の距離によって決定される。図４に示されるように、２つの隣接する第１および第２トラックの間の半径方向の間隔Δは、好ましくはλ／２に等しく、λは前駆ＳＡＷの基本波長である。

全体の記載を通じて、別途定めのない限り、用語「等方性」および「異方性」は、任意の材料における音響波の伝播に関しての等方性および異方性をそれぞれ指す。

異方性材料で作られた基板において、方向依存性の波動速度、結合係数およびビーム攪拌角を特に考慮しなければならないので、流体媒質内を焦束体積音響波として伝達および伝搬するように適合される前駆ＳＡＷの生成は複雑である。これは、異なる方向に伝播するＳＡＷが干渉する仕方を変更しうる。

異方性基板において、ＳＡＷの波長、その速度および振幅は、ＳＡＷが伝搬する方向に依存しうる。

さらに、支持部が基板上に積み重ねられ且つ該基板と音響的に結合される場合、前駆ＳＡＷは、支持部のバルク内を伝達されうる。しかし、前駆ＳＡＷは、基板と支持部との間の界面で縮退し、これは、伝達される体積音響波が集束するのを妨げうる。ＳＡＷの形状、即ち特に異なる基板方向におけるその位相および振幅は、支持部と基板との間の何らかの等方性の不一致によっても変更される。特に、一実施態様において、基板は、好ましくは、異方性材料で作られ、且つ支持部は等方性材料で作られる。

好ましくは、第１および第２トラックの各々は、式（１）により定義される線に沿って螺旋を巻く：

ここで：
‐Ｒ（θ）は、極座標における方位角θに関する中心Ｃからの動径である；
‐φ_０は、螺旋の中心を決定するために自由に選択されるパラメータである；指部を形成する連続したトラックを構成する電極において、各連続したトラックの線は、好ましくは、φ_０に２πの倍数を加算することによって得られる
‐ω＝２πｆは基本角周波数であり、ｆは前駆ＳＡＷの基本周波数である；
α（Θ）は、基板を構成する圧電材料の結合係数の位相である。
‐ｈ（ψ，Θ）＝ｓ_ｒ（ψ）ｃｏｓ（ψ−Θ）、ここで、ｓ_ｒ（ψ）は前駆波の位相遅延であり、ｓ_ｒ（ψ）＝ｋ_ｒ（ψ）／ωによって定義され、ｋ_ｒ（ψ）は角度Θでの波動ベクトルの半径方向成分のノルムである；
‐記号’は変数ψの微分を表す；
‐関数

は、方程式

によって定義される
‐補正項μ_０は、基板と音響的に結合された支持部の積層物のバルクにおけるＳＡＷの縮退を補正するが、それは、支持部上に所望の高さｚ_ｎで設けられた流体媒質内で焦束体積音響波へ縮退するであろう前駆波を合成するために、前駆ＳＡＷが基板から上記支持部のバルクに伝達されて体積波として伝播する場合においてである：

ここで、

は、積層物の各材料（ｉ）における波の位相遅れであり、

は、積層物の材料（ｉ）における位相遅れであり、ｃ^（ｉ）（Θ）は、材料における角度Θでの波の速さであり、そして
ここで、ｚ_０は基板と支持部との間の界面の高さであり、ｚ_ｎは流体媒質における焦点面の高さであり、そしてｚ_ｉはｉ≧１であり、支持部が音響結合層の積層物を含む場合は、ｎ＞１は２つの隣り合う層を分離している界面の高さであり、積層が存在しない場合は、μ_０（θ）＝０である。材料が基板と結合されていないとき、μ_０（Θ）＝０である。

正電極トラックの位置は、式（１）の角度φ_０を選択することによって規定され、次いで、負電極トラックの位置は、φ_０をφ’_０＝φ_０＋πで置き換えて同じ式（１）によって定義される。

式（１）に明瞭に示されているように、トラックが描く線のパターンは、多様な基板材料に、および適宜、基板上に積層された任意の支持部材料に適合されうるが、にもかかわらず、それは機器の作動周波数、材料特性、および厚さの単一の組に特有である。

特に、パターン形状は、基板内を伝播する前駆ＳＡＷの周波数に依存する。異なる材料で作られたいくつかの層を含む支持部が基板に音響的に結合されて、前駆ＳＡＷが支持部の材料の体積内を体積音響波として伝達されて伝播する場合、パターン形状は、各層の、特に層の材料の、特性に依存することができる。

図５に示されたように、異方性基板、例えばＸカットのニオブ酸リチウム基板内の平面フロントＳＡＷの振幅８０は、基板内の波の伝播角度ψに依存する。したがって、基板の異方性は、波の伝搬に影響を及ぼす。該結合は、以下本明細書で詳述されることになるように、その符号を変えて、Ｒ（θ）曲線上の角度θ＝４５°で段という結果となりうる。

さらに、図６によって示されたように、表面基板における平面フロントＳＡＷのレイリー速度も、波の伝搬方向に依存する。該依存性は、基板表面が空いており且つ空気に接触しているか（曲線８５）、または支持部、例えば２ｍｍ厚のポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）板（曲線９０）もしくはさらに金コーティング（曲線９５）が上記基板に音響的に結合されているかによって観測される。

図７は、グラフの周囲に沿って示されているように、角度Θの種々の値の場合の、符号９８で示される、補正項φ_０−ωμ_０（Θ）を表すグラフである。前駆ＳＡＷが、異方性のＸカットのニオブ酸リチウム基板内を伝搬して、該基板に音響的に結合された２００μｍ厚のホウケイ酸ガラス板支持部（通常カバーガラス＃１と称される）内へ、次に支持部上に設けられた水滴内へ伝達されて集束することが必要とされる。グラフ上のΘ＝７０°の方向に沿った値１０〜５０は、ラジアンで表示された補正項φ_０−ωμ_０（Θ）を示す。

図８は、異方性のＸカットのニオブ酸リチウム基板について、式（１）から計算された、ｍｍで表示され且つ符号１００で示される線Ｒ（θ）の軌跡を示す。度で表される角度が図面の周辺に規則的に示されている。線Ｒ（θ）のグラフは、図５〜図７に示されたような補正項μ_０（Θ）、振幅およびレイリー速度の進展を考慮に入れている。図８において、基板における圧電音響結合の異方性によって引き起こされる前駆ＳＡＷの位相変化による急峻な遷移１０２ａ−ｂがθ＝４５°で見られる。換言すれば、式の線Ｒ（θ）に従う第１または第２トラックは、前駆ＳＡＷの位相特異点に沿って位置される少なくとも１つの段１０２ａ−ｂによって分離された２つの部分１０３および１０４を含み、該位相特異点は圧電性基板のゼロ結合方向に沿って位置されている。該急峻な遷移は、図３の電極の第１および第２トラックのいずれかの上の段２６ａ−２６ｂとしても観察される。

図９は、基板３０上に設けられ且つ複数の第１の正のトラック４５および第２の負のトラック５０をそれぞれ構成している第１電極３５および第２電極４０を有する前駆ＳＡＷトランスデューサ１０５を備える電気音響機器２５を示している。トラックは、上記の式（１）に従ってＸカットのニオブ酸リチウム基板上に設けられている。正のトラックは式（１）の角度φ_０を考慮して得られ、負のトラックは式（１）におけるφ_０をφ’_０＝φ_０＋πで置き換えて得られる。

このようにして、第１および第２トラックは、同じ中心Ｃを含み、λ／２に等しい半径方向の間隔だけ半径方向Ｄ_Ｒに沿って離れており、λは前駆ＳＡＷの基本波長である。

観察されうるように、トランスデューサは、交互に噛み合わされている。第１および第２トラックは、互いに他方と瓦状に重ねられている。

電極は、直線状の形状を有する第１電源端子５５および第２電源端子６０を備え、該電源端子は第１および第２トラックの各々にそれぞれに電気的に接続されている。電源端子は、第１または第２トラックの部分を分離している急峻な遷移１０２ａ−ｂに重なっている。

例えば、式（１）に従う図９の機器のトラックの設計は、基板内に前駆音響波を発生させるように、並びに１０ＭＨｚに等しい周波数の体積音響波を、トランスデューサの頂部に設けられ、且つ基板と支持部との間に挟まれた数ミクロンの厚さのシリコン油層によって結合された、ＰＭＭＡで作られた２ｍｍ厚の支持部内に伝播させるように適合される。シリコン油層は、その厚さが音響波長よりはるかに小さいので、音響波の伝播に実質的に影響を与えないで、基板と支持部との間の結合を達成している。流体媒質が支持部の頂部に設けられる場合、体積音響波は、支持部から流体媒質へ伝達し、そして該媒質内で集束する。

本発明による機器は、第１電極のいくつかのトラック、特に図９に示されたような１つのトラック１１０、及び／又は、単一の第２の巻きに沿って走る、第２電極のいくつかのトラック、特に図９に示されたような１つのトラック１１５から成る組が、全体的に中心を取り囲んでいるものでありうる。

さらに、図９の機器の第１電源端子及び／又は第２電源端子、並びに複数の第１トラック及び／又は第２トラックは、第１、または第２の電極トラックが、基板に垂直な方向に沿って観察されるとき、フォークの形を有しているように配設されている。

図９に示されたトランスデューサは、以下の方法に従って製造されうる。Ｘカットのリチウム１ｍｍ厚のニオブ酸リチウム基板が、例えばアセトンイソプロピルエタノールを用いて研磨および洗浄され、次いで１００℃で１分間乾燥される。プライマーの層、次いでAZ1512HS樹脂の層が、基板面上に４０００ｒｐｍで遠心により堆積され、１００℃で１分間アニールされる。トランスデューサの電極のパターンの正であるマスクが、樹脂上に置かれる。図２０は、後に説明されるように、複数のトランスデューサを含む電気音響機器を製造するためのマスク１２６を示す。次いでプライマーはＵＶ照射に曝される。基板はその後、厚さ５０ｎｍのクロム層を堆積させるために蒸発器内に置かれ、続いて２００ｎｍの金の層を堆積させられる。

次いで、基板は、８０ｋＨｚの超音波放射に付されたアセトン浴内に４５℃の温度で１０分間浸漬される。

前述されたように、電極は、基板表面に垂直に測定される、体積波面が集束するように意図されている場所である局在面の距離を考慮するように基板上に配置されることができる。特に、支持部が基板に重なる場合、上記距離は、支持部によって、特に支持部の高さによって変更されうる。

例示として、図１０および図１１は、３０ＭＨｚの基本周波数を有する前駆ＳＡＷを両者共に発生させる前駆波トランスデューサ１０８ａ−ｂを備える電気音響機器２５を示している。方向Ｚに沿って、基板表面に対して垂直方向に測定される、それぞれ１５０μｍおよび１５００μｍの厚さを有する支持部が、図１０および図１１にそれぞれ示される前駆波トランスデューサに重なり、かつ音響的に結合されている。図１０および図１１の前駆波トランスデューサによって発生させられたそれぞれの前駆波によって伝達される体積音響波は両者共に、支持部と流体媒質とを分離している界面から、流体媒質内でと同じ高さで液体媒質内で集束するように意図されている。

図１０および図１１の前駆波トランスデューサの間の電極形状の差は、図１０と比較して図１１の例では、音響波が集束するためにより長い距離を進行しなければならないという要件に特に関連している。

図１２は、図９に記載されたものとしての前駆ＳＡＷトランスデューサ１４０と、渦巻ＳＡＷトランスデューサ１３０とを備える電気音響機器２５を表している。渦巻ＳＡＷトランスデューサは、基板内に渦を巻くＳＡＷを発生させるように構成されている。

前駆ＳＡＷトランスデューサおよび渦巻ＳＡＷトランスデューサは、同じ基板３０を共有している。

渦巻ＳＡＷトランスデューサは、基板上に設けられた第１電極１６０および第２電極１６５を有し、かつ複数の第１の正のトラック１６６および第２の負のトラック１６７をそれぞれ含んでいる。トラックは、上記の式（２）に従ってＸカットのニオブ酸リチウム基板上に設けられている。正のトラックは式（２）の角度φ_０を考慮して得られ、負のトラックは式（１）におけるφ_０をφ’_０＝φ_０＋πで置き換えて得られる。

このようにして、第１および第２トラックは、同じ中心を含み、λ’／２に等しい半径方向の間隔だけ半径方向Ｄ_Ｒに沿って離れており、λ’は渦を巻くＳＡＷの基本波長である。

観察されうるように、渦巻ＳＡＷトランスデューサは、交互に噛み合わされている。渦巻ＳＡＷトランスデューサの第１および第２トラックは、互いに他方と瓦状に重ねられている。

渦巻ＳＡＷトランスデューサの電極は、直線状の形状を有する第１電源端子１７０および第２電源端子１７５を備え、該電源端子は第１および第２トラックの各々にそれぞれに電気的に接続されている。

観察されうるように、前駆ＳＡＷトランスデューサおよび渦巻ＳＡＷトランスデューサは、同じ基板および同じ電源端子を共有している。

単一の第１の螺旋巻きに沿って走る、渦巻ＳＡＷトランスデューサの第１電極のいくつかのトラック、例えば符号１８０で示されるトラック、及び／又は、単一の第２の螺旋巻きに沿って走る、渦巻ＳＡＷトランスデューサの第２電極のいくつかのトラック、例えば符号１８５で示されるトラックから成る組が、全体的に中心を取り囲んでいる。

さらに、図１２の渦巻ＳＡＷトランスデューサの第１電源端子及び／又は第２電源端子、並びに複数の第１トラック及び／又は第２トラックは、第１、または第２の電極トラックが、基板に垂直な方向に沿って観察されるとき、フォークの形を有しているように配設されている。

前駆ＳＡＷトランスデューサおよび渦巻ＳＡＷトランスデューサのトラックは、上記の式（１）および（２）のそれぞれの線に従って基板上に設けられている。式（１）のパラメータは、前駆ＳＡＷトランスデューサが１０ＭＨｚの基本周波数で基板内に前駆ＳＡＷを発生させ、かつ渦巻ＳＡＷトランスデューサが３０ＭＨｚの基本周波数で基板内に渦を巻くＳＡＷを発生させて、該渦を巻くＳＡＷが、中心Ｃを貫通し且つ基板に垂直な軸の周りに渦を巻くように選択される。

図１２に示された渦巻ＳＡＷトランスデューサは、前駆ＳＡＷトランスデューサの電極を堆積させるための本明細書で上記された方法に従って製造されうる。

渦巻ＳＡＷトランスデューサは、基板内に、渦を巻く表面弾性波を発生させ、該表面弾性波が、上記対象物が曝される放射圧を流体媒質内に生成するために誘起された音響渦または縮退音響渦として、特に支持部全体を進行することによって、該媒質に向かって伝達されて伝搬するように意図されている。

そのうえ、図１２において、前駆ＳＡＷトランスデューサおよび渦巻ＳＡＷトランスデューサの第１および第２トラックは、共通の中心Ｃ’を有している。

対象物は、対象物の剛性および密度に応じて、集束音響波または渦を巻くＳＡＷによって捕えられうる。結果的に、図１２の電気音響機器のユーザは、対象物を捕えるために、２つの波トランスデューサのいずれかに給電して前駆ＳＡＷまたは渦を巻くＳＡＷを発生させることの間で切り替えうる。したがって、図１２の電気音響機器は、単一の前駆ＳＡＷトランスデューサまたは単一の渦巻ＳＡＷトランスデューサを備える電気音響機器よりも多様な機械的特性を有する対象物を操作するように適合されている。

例示されない変形例において、図１２の渦を巻くＳＡＷは、それぞれ第１および第２の前駆ＳＡＷトランスデューサの第１および第２電極が同じ中心Ｃ’を有するように、第２の前駆ＳＡＷトランスデューサで置き換えられることができる。好ましくは、第１および第２前駆ＳＡＷトランスデューサは、異なるそれぞれの電極パターンを有しており、異なるそれぞれの前駆ＳＡＷを発生させるように意図されている。換言すれば、第１の前駆ＳＡＷトランスデューサによって発生されるＳＡＷは、第２の前駆ＳＡＷトランスデューサによって発生されるＳＡＷとは異なる。

図１３は、第１電極と第２電極との２つの組１４５、１５０を含む先駆ＳＡＷトランスデューサを備える電気音響機器２５を示している。基板３０は、図９および図１２の例と同じである。

第１の組１４５は第１電極および第２電極（参照符号は１４６および１４８）を含み、第２の組１５０は第１電極および第２電極（参照符号は１５２および１５４）を含む。第１電極および第２電極の各々は、式（１）の線に従うところの第１および第２の複数のトラックを含む。このようにして、図１３に示された電気音響機器の前駆ＳＡＷトランスデューサは、それぞれ１０ＭＨｚと３０ＭＨｚの２つの基本周波数で動作する前駆ＳＡＷを発生させるように適合されている。焦束体積音響波によって捕えられる対象物のサイズは、表面波振動の波長に、したがって周波数に依存している。図１３のトランスデューサは、２つのそれぞれの作用周波数（１０および３０ＭＨｚ）を有する前駆ＳＡＷを発生させたが、したがって、単に作動周波数を切り替えることによって、異なるサイズの、例えば小または大サイズの、対象物を捕捉するのに適している。それは、流体媒質内で異なる高さに位置される対象物を捕捉および／または操作するのにも適しうる。

特に、電気音響機器は、半径方向に沿った２つの隣り合う第１トラックが、第２電極の２つの隣り合う第２トラックと半径方向において交互にされているようなものである。

図１４は、前駆ＳＡＷトランスデューサと、基板３１０に重なる支持部３０５とを備える本発明による電気機器３００を示している。支持部は、電極３１５と重なることができ、または中央ゾーン３２０とのみ重なりうる。

さらに、支持部は電気音響装機器から取り外し可能である。

前駆ＳＡＷトランスデューサのトラックは、基板と支持部との間に置かれうる。

支持部は、好ましくは、ガラスおよびポリマー、好ましくは熱可塑性プラスチック、最も好ましくはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）から選択される。好ましくは、支持部はガラスを含む材料で作られている。

好ましくは、支持部の材料は等方性である。好ましくは、それは圧電性ではない。

支持部による摩擦からトラックを保護し且つ損傷を防止するために、トランスデューサは、好ましくはシリカを含む、保護コーティング３２５によって少なくとも部分的に、好ましくは全面的に、覆われている。好ましくは、保護コーティングの厚さはλ／２０未満であり、λは前駆ＳＡＷの基本波長である。このようにして、前駆ＳＡＷの伝達は、保護コーティングの影響を受けない。

好ましくは、音響波の最適な伝達のために、好ましくはシリコンオイルからなる、結合用流体層３３０が支持部と基板との間に挟まれている。好ましくは、結合用流体層の厚さはλ／２０未満であり、λは前駆ＳＡＷの基本波長である。これによって、前駆ＳＡＷの伝達は、結合用流体層の影響を受けない。シリコンオイルは、低い誘電率を有し、かつ劣化しないので好ましい。さらに、結合用流体は、基板に対する支持部の容易な変位を可能にする。

電気ブラシ３３５が、トランスデューサに電力を供給するために電極と接触している。

図示されたように、電気音響機器はまた、支持部上に設けられ且つ、例えば操作されるべき対象物３５０を含む流体媒質、特に液体媒質、を収容するように構成されたマイクロチャネルの形状を有する、好ましくはＰＤＭＳで作られた、チャンバを画定する溝３４５を含む被覆部３４０を備えることができる。

好ましくは、図１４の実施態様において、前駆ＳＡＷは一般化されたレイリー波である。好ましくは、基板の厚さは１０λより大きく、λは前駆ＳＡＷの基本波長である。

前述されたように、前駆ＳＡＷの電極のトラックのパターンは、基板の表面で生成された前駆ＳＡＷが流体媒質と対象物とに到達するまで支持部内を体積音響波として伝達されるように設計されうる。

好ましくは、支持部が等方性材料で作られている場合に、電極のパターンは、トランスデューサによって生成された前駆ＳＡＷの、基板と支持部との間の界面での縮退が、流体媒質内に正方形３６５として表示される集束容積部内で集束波として集中するところの、関連する放射圧を有する体積音響波をもたらすようなものである。集束容積部は、好ましくは、基板に対して垂直方向に置かれ、かつ前駆ＳＡＷトランスデューサの中央ゾーンの中心に重なる。前駆ＳＡＷの波長に匹敵するサイズを有する、流体媒質内で上記容積部の近傍に置かれた対象物は、「３Ｄトラップ」とも呼ばれて、上記対象物を容積部内に閉じ込めることを目的とする吸引力に付される。特に、３Ｄトラップ内のいかなる変位も、３つの空間次元全てで制限される。

図１５に示された変形例において、電極のトラックは、支持部に面する基板の面３７５の反対側の面３７０上に配置されうる。好ましくは、図１５の実施態様において、前駆波は、ラム波またはバルク波のいずれかである。

それがラム波である場合には、基板の厚さはλ／２よりも薄く、λは前駆ＳＡＷの基本波長である。この解決策は、周波数が増加するにつれてより薄い基板を必要とする。

特に、ラム周波数が、例えば２００μｍ未満の厚さの、余りにも薄い基板をもたらす場合、体積音響波は、より厚い基板内に直接に発生されうる。これは、基板の異方性に応じて基板の厚さ方向に一定の角度で放射するバルク縦音響波またはバルク横音響波のいずれかでありうる。前駆ＳＡＷトランスデューサの第１および第２トラックの間の間隔は、波長の射影と一致するように選択されうる。

有利には、図１５の実施態様において、トランスデューサは、支持部による損傷から、および結合用流体によって引き起こされる汚染から保護される。さらに、支持部と接触している基板の面は、支持部が基板から除去されるときに、電極を損傷するどのような危険もなく容易に洗浄されうる。図１５のように支持部と反対側の面に設けられたトラックを有する機器は、前駆ＳＡＷの発生および伝搬に負の影響を与える結合用流体なしに、高誘電率を有する結合用流体、例えば水系ゲルを含みうる。

さらに、電気的接続部、例えば接触ブラシは、トラックと同じ側に設けられうる、これは、機器の製造を簡単にし、且つ使用者に対してより人間工学的にする。

図１６は、基板３８５を備える、本発明の第１の局面による電気音響機器の変形例３８０を説明しており、該基板は、中心Ｃ_Ｄが形成されたディスクである。基板は、複数の前駆ＳＡＷトランスデューサ３９５_１、３９５_２および、適宜、渦巻ＳＡＷトランスデューサを画定する、基板上に設けられた複数の電極パターン３９０_１、３９０_２を含んでいる。好ましくは、図示されたように、前駆ＳＡＷ及び／又は渦巻ＳＡＷトランスデューサは、ディスクの中心の周りに規則的に設けられている。

電気音響機器は、好ましくは不透明でない、より好ましくは透明である、支持部４００をさらに含んでいる。支持部は基板と部分的に重なる。支持部並びに前駆ＳＡＷ及び／又は渦巻ＳＡＷトランスデューサは、機器の少なくとも１つの位置において、上記トランスデューサの少なくとも１つが支持部によって全体的に重ねられるように設けられる。好ましくは、図１６に示されたように、トラックは、支持部と対向するように意図された基板の面上に設けられる。

被覆部４０３が支持部上に配置されている。

基板は、ディスクの中心Ｃ_Ｄを通る旋回軸Ｘ_Ｄの周りに回転可能に設けられている。特に、電気音響機器は、基板を軸Ｘ_Ｄの周りに回転させることによって、複数のトランスデューサのうちの各前駆ＳＡＷおよび、適宜、渦巻ＳＡＷトランスデューサが、支持部と、特に支持部上に提供された操作されるべき対象物と、重ねられるように位置決めされうるように構成されている。

さらに図示されたように、電気音響機器は、支持部に接続されたマイクロマニピュレータ４０５を備えることができ、このマイクロマニピュレータ４０５は、トランスデューサに相対的な支持部の移動（好ましくは基板に対して平行な、好ましくは２つの垂直軸に沿う）によって、正確な位置決めを可能にする。マイクロマニピュレータは、光学機器（例えば顕微鏡）に固定されうる。

さらに電気音響機器は、電極に電気的に電力を供給するために、外側接触ブラシ４１０および内側接触ブラシ４１５を備えている。電気音響機器はまた、接触ブラシが電気的に接続されうるところの電力供給装置４２０を備えうる。好ましくは、電極に接触することを意図された接触ブラシの端部４２５、４３０は、基板に対して固定されうる。特にこれらは、基板の中心に対して一定の極座標で設けられうる。

複数の電極の各々は、第１電源端子４３５_１、４３５_２と第２電源端子４４０_１、４４０_２とを含む。同じ極性の電極の全ての電源端子は、好ましくは、各トランスデューサの同じ側に放射状に設けられる。図１６に示されるように、トランスデューサの第１および第２電極のそれぞれの電源端子は、電極のトラックの半径方向の外側および内側にある。さらに、第１電極の全ての電源端子は、基板の周囲に（好ましくは円の周りに）延在する共通の電源トラック４５０に電気的に接続される。

外側接触ブラシは、好ましくは外側トラックと接触している。ところで、機器の使用者が、特定のトランスデューサを支持部に面するように配置するために基板を回転させるとき、上記トランスデューサの第１電極と外側接触ブラシとの間の電気的接触は、外側接触ブラシの移動なしに達成される。

好ましくは、トランスデューサの１つの複数の第２電源端子のそれぞれは、トランスデューサが支持部に面するように、基板が軸Ｘ_Ｄの周りに回転されるとき、第２電源端子が内側接触ブラシと電気的に接触するように設けられている。

有利には、図１６に示された電気音響機器は、各トランスデューサに逐次的に電力を供給するために、単一の電源供給装置と単一の接触ブラシ対を必要とする。それは高価な電子デバイスを備えた複雑な制御システムを必要とせず、したがって従来技術の電気音響機器よりも安価である。さらに上述されたように、いくつかのトランスデューサを含む電気機器の製造は、例えば図２０に示されるようなマスク１２６を用いる実質的に高価ではないフォトリソグラフィによって実行されうる。

さらに、使用者が簡単な回転操作によって機器の任意のトランスデューサを選択することができるので、機器は使用が容易である。さらに、図１６に見られうるように、各トランスデューサは使用者によって視認可能であり、このことは、対象物を操作する前の初期の位置決めを容易にする。

例示として、図１７は、電気音響機器４６０を示しており、この機器４６０は、電極トラックが、既に図１５に示されているように、支持部に対向する面と反対の基板４７０の面４６５上に配置されているという事実によって図１６の電気音響機器とは異なる。

図１８は、図１６の電気音響機器３８０を含む顕微鏡４８０を示す。電気音響機器は顕微鏡のデッキ上に固定され、その結果、操作されるべき対象物が置かれるところの支持部の領域が顕微鏡の対物レンズ４８５に重なる。

光学機器は、中央ゾーン４９５内に捕捉された対象物４９０の、電気音響機器によって操作されながらの観察を可能にする。

図１９の変形例において、本発明の電気機器のトランスデューサ５００は、光機器の対物レンズ５０５上に配置される。対物レンズの倍率は、操作されることを意図された対象物のサイズに直接的に関係するので、対物レンズ上に配置されたトランスデューサは、好ましくは、対物レンズで全体的に観察されうるところの対象物を操作するように適合されている。好ましくは、単一のトランスデューサが対物レンズ上に配置される。

トランスデューサは、外側レンズ（特に対物レンズの保護レンズ）上に設けられうる。それはまた、対物レンズの内側レンズ内に設けられうる。好ましくは、電気機器の基板は、対物レンズ上に堆積された圧電材料（例えば、ＡＩＮ、ＺｎＯ）から作られたコーティング（好ましくは、生成効率を最適化するために電気機器によって用いられる周波数に関連する厚さを有する）の形態であり、その頂部に電極が配置され、好ましくはフォトリソグラフィによって堆積される。対物レンズは、トランスデューサに電力を供給するための手段を含みうる。

１変形態様において、基板は、レンズに固定されるように構成されている基部上に配置されうる。基部は、不透明でないもの（好ましくは透明な材料）からなる部分を含むことができ、その上に基板が層として配置される。

好ましくは、結合用流体は対物レンズと支持部との間に挟まれている。

図１９の実施態様において、トランスデューサによって生成された前駆ＳＡＷは、伝播させられ得、且つ例えば、対物レンズがそこに浸けられた液浸油を通して体積音響波として伝達されうる。

図１９において例示されたような実施態様は、光機器をよりコンパクトにし、そして対象物の操作がより容易になされる。さらに、それは１ｍｍを超える厚さを有する基板において遭遇する可能性のある光の伝搬に関連する問題を低減する。

さらに、光学機器は複数の対物レンズを含むことができ、各対物レンズは本発明による１の電気音響機器を含み、これら電気音響機器は互いに異なっている。好ましくは、各トランスデューサは、複数のトランスデューサの少なくとも１つ（好ましくは全て）の電極のパターンと異なるところの電極のパターンを有している。例えば、このようにして、段々により小さいトラップ内に対象物を捕捉するように、複数の対物レンズを逐次的に変更することが可能である。

例えば光学機器（例えば、図１９に示されたような顕微鏡）に含まれた電気音響機器は、例えば以下のように用いられうる。

使用者は、支持部の頂部に対象物を含む流体媒質を配置しうる。次に、使用者は、先ず、対物レンズの視野と重ねられるように、例えばマイクロマニピュレータを用いて支持部を移動させることによって、流体媒質を位置決めしうる。

次に、使用者は、意図された対象物操作（例えば、変位、混合、合体および分割の中から選択された）に対して適合されているところのトランスデューサを選択しうる。前述されたように、前駆ＳＡＷの基本周波数は、トランスデューサの電極パターンによって規定される。当業者は、操作されるべき対象物のサイズに応じて適切な周波数を選択する仕方を知っている。

次いで、使用者は、対象物および支持部が選択されたトランスデューサと重なるように基板を回転させうる。次に、マイクロマニピュレータを用いて、使用者は、トランスデューサの中心の位置を示している視覚的マーカ５１５を、例えば図１２に示されたように、支持部および対象物に対して配置しうる。視覚的マーカはまた、好ましくは、体積音響ＳＡＷのブライトスポーツの位置に対応し、その上に対象物が捕捉されるはずである。

次に、トランスデューサに電力を供給し、そして前駆ＳＡＷを生成し、該ＳＡＷが体積音響波として支持部内を流体媒質内にまで伝達されて伝播して該媒質内で集束することによって、対象物は操作され、変位され、ブライトスポットの上に捕捉される。
実施例１：細胞の操作

細胞および液滴の操作は、図１９に示されたような顕微鏡で実行され、その結果、同様の物理的性質を有する複数の幹細胞からなる細胞の同種または異種のネットワーク（例えば幹細胞ニッシェ）を創り出す。

液滴は、単一細胞生物学の分野において用いられる液滴ベースのマイクロ流体工学の基礎である。本発明の電気音響機器は、実験の大規模な蓄積内でそれらをサンプリングすることによって稀な事象、即ち癌および薬物耐性研究の現在の主要な問題、の詳細な研究を可能にする。

この観点において、トランスデューサの中央ゾーンは、マイクロマニピュレータによって提供される変位によって操作されるべき粒子の集合の下方に置かれる。１つの粒子がトランスデューサの中央ゾーンの中心にあるとき、焦束体積音響波のブライトスポットの吸引効果に該粒子を付すために、前駆ＳＡＷを生成するように、電源がオンにされる。操作は、３０ＭＨｚの周波数および５Ｖｐｐの電圧振幅を有する前駆ＳＡＷを用いて行われ、これは１０μｍサイズの粒子を捕捉するのに十分である。

次いで、支持部は、マイクロマニピュレータによって提供される変位によって移動されるが、捕捉部、即ちトランスデューサの中心に対する粒子の位置は、空間的に固定されたままであり、一方、捕捉部から離れた他の粒子は、支持部の変位に従う。

選択された対象物が移動させられると、電源はオフにされる。

次に、もう１つの粒子を移動させるために粒子を所定のパターンで集めるように、この手順は繰り返される。

捕捉力は、音響パワーに比例し、波長に反比例する。それはまた、密度及び／又は弾性が流体媒質とは異なっている対象物に対して一層強い。
実施例２：細胞の変形

電気音響機器はまた、生物学的細胞および粒子に力を加えるように実装される。

今日、細胞に対する力とストレスがそれらの運命を決定する可能性があることが理解されている。体細胞はストレスに適応して堅くなり、幹細胞の分化は外部の機械的ストレスの影響を受ける。それにもかかわらず、細胞にストレスをかけるための方法は限られていた。

抗体被覆された微小球と細胞膜とを含む流体媒質は、マイクロマニピュレータによって提供される変位によって、操作されるべき対象物の下方に置かれる。適切なトランスデューサは、トランスデューサの中心の上に抗体被覆された微小球を捕捉するように給電される。電力が印加されている間、支持部は、細胞膜が抗体被覆された微小球と接触しそしてこの微小球によって変形されるように移動される。

言うまでもなく、本発明は例として提供された実施態様に限定されるものではない。

本発明は、顕微鏡、生物学、マイクロ流体工学の分野の用途について、ラボオンチップ（lab-on-chip）について、ナノおよびマイクロシステムの操作について特に意図されている。生物物理学において、本発明は、単一細胞（例えば癌細胞または幹細胞）の挙動および細胞ネットワーク（例えばアルツハイマー病に含まれる）の挙動を研究するために用いられうる。

２５ 電気音響機器
３０ 基板
３５ 第１電極
４０ 第２電極
４３ トランスデューサ
４５ 第１トラック
５０ 第２トラック
５５ 第１（電源）端子
６０ 第２（電源）端子
６５ 電源
７０ 中央ゾーン

Claims (19)

1. ‐圧電性基板、
   ‐該基板上に配置され、かつ該基板内に、焦束されていない前駆超音波表面波を発生させるように構成された逆極性の第１および第２電極、
   を含む少なくとも１つの前駆波トランスデューサを備える電気音響機器であって、
   流体媒質、好ましくは液体媒質、が該電気音響機器と音響的に結合されるとき、該前駆超音波表面波は、該流体媒質のバルク内へ体積音響波として伝搬し、そして該媒質内で集束する、
   電気音響機器。
2. 該体積音響波が集束する場所である集束面と該第１および第２電極が配置されているところの基板表面とを分離している距離と該前駆超音波表面波の基本波長との比は１０を超え、上記距離は該基板表面に対して垂直方向に測定される、請求項１に記載の電気音響機器。
3. 該基板に重なり、該基板に音響的に結合され、かつ基板材料とは異なる少なくとも１つの材料で作られた支持部をさらに備え、該流体媒質が該支持部上に設けられるとき、該体積音響波は、該流体媒質に到達する前に該支持部内を伝搬する、請求項１または２に記載の電気音響機器。
4. 該支持部は、音響結合層の積層物を含んでいる、請求項３に記載の電気音響機器。
5. 該支持部は、ガラスおよびポリマー、特に熱可塑性プラスチック、最も好ましくはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、から選択された材料を含んでおり、好ましくは、該支持部はガラスを含んでいる、請求項３または４に記載の電気音響機器。
6. 該第１および第２電極は、第１および第２トラックをそれぞれ含み、各々次式によって定義される線を描いており、
   

   

   ここで、
   ・Ｒ（θ）は、極座標における方位角θに関する、中心Ｃからの、動径であり、
   ・φ_０は、自由パラメータであり、
   特に、第１および第２電極の隣接するトラックが異なる線に従うために、異なるφ_０が設定され、それらの間の差は、好ましくは３．０〜３．３の範囲にあり、さらに好ましくはπに等しく；
   特に、該電気音響機器が第１およびそれぞれの第２電極の複数のトラックを含む場合、φ_０は、好ましくは、各対の隣接するトラックの間で６．０〜６．６の範囲の、好ましくは２πに等しい、増分だけ増加され；
   ・μ_０（θ）は、
   

   

   によって与えられ、
   ここで、ｚ_０は該基板と該支持部との間の界面の高さであり、ｚ_ｎは該流体媒質における焦点面の高さであり、そしてｚ_ｉはｉ≧１であり、該支持部が音響結合層の積層物を含む場合は、ｎ＞１は２つの隣り合う層を分離している界面の高さであり、積層が存在しない場合は、μ_０（θ）＝０であり、
   ・
   

   

   は
   

   

   であり、
   

   

   で評価されており、
   ここで、
   

   

   は次のようにΘに依存しており：
   

   

   ・ｓ_ｒ（ψ）は伝搬方向Ψにおける該基板の表面平面での波の遅延であり、そしてｓ_ｚ（ψ）は平面の外への方向における波の遅延であり、ｒまたはｚである方向ｉにおける波の遅延は、波数ｋ_iから、ｓ_ｒ（ψ）＝ｋ_ｒ（ψ）／ωおよびｓ_ｚ（ψ）＝ｋ_ｚ（ψ）／ωとして計算され、
   ・ｓ_ｒ’（ψ）は、該伝搬方向に対するｓ_ｒ（ψ）の導関数であり、
   ・α（ψ）は、関連する電場に対する、方向Ψに伝播する波の垂直運動の位相である、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気音響機器。
7. 該第１および第２電極は、複数の第１および第２トラックをそれぞれ含んでいる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気音響機器。
8. 該少なくとも１つの前駆波トランスデューサは、交互に噛み合わされている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気音響機器。
9. 該少なくとも１つの前駆波トランスデューサの該電極は、該基板と該支持部との間に挟まれているか、または該基板の少なくとも一部は、該支持部と該少なくとも１つの前駆波トランスデューサの該電極との間に挟まれている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気音響機器。
10. それぞれ第１および第２電極が該少なくとも１つの前駆波トランスデューサの該第１および第２電極と同じ基板上に配置されている第２の前駆波トランスデューサを備え、該少なくとも１つおよび第２の前駆波トランスデューサは、該基板内に、異なるそれぞれの基本波長を有する前駆超音波表面波をそれぞれ発生させるように構成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電気音響機器。
11. 該機器の第１および第２の配置それぞれにおいて、該少なくとも１つおよび第２の前駆波トランスデューサにそれぞれ接触して給電する接触ブラシを備え、該機器は、好ましくは、該第１の配置から該第２の配置への遷移が旋回軸の周りの該基板の旋回によって操作されるように構成されている、請求項１０に記載の電気音響機器。
12. 該少なくとも１つの前駆波トランスデューサは、該第２の前駆波トランスデューサを少なくとも部分的に取り囲んでいる、請求項１０に記載の電気音響機器。
13. 該基板上に設けられた複数のトラックをそれぞれ含み、逆極性の電極を有する渦巻波トランスデューサをさらに備えている、ここで該複数のトラックが同じ中心の周りに螺旋を巻き、かつ該基板内に、渦を巻く超音波表面波を発生させるように構成されている請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電気音響機器。
14. 該渦巻波トランスデューサ、該少なくとも１つの前駆波トランスデューサ、および、適切ならば、該第２の前駆波トランスデューサから成る群のうち、上記群の１つのトランスデューサは、上記群のその他のトランスデューサの少なくとも１つを取り囲んでいる、請求項１３に記載の電気音響機器。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の該電気音響機器を備えている、好ましくは顕微鏡である、光学機器。
16. 流体媒質内で少なくとも１つの対象物を操作する方法であって、
    ‐請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電気音響機器によって前駆表面弾性波を生成することと、
    ‐上記対象物が曝される放射圧を該媒質内で生成するために、該前駆表面弾性波によって誘起された体積音響波を該流体媒質内へ伝播させ、そして上記体積音響波を該媒質内で焦束させ、そして該流体媒質に相対的な該電気音響機器の該前駆波トランスデューサの変位によって該対象物を操作することと
    を包含している方法。
17. 該対象物および流体媒質の密度および／または剛性が異なり、好ましくは、該対象物の密度および剛性は、該流体媒質の密度および剛性より低い、請求項１６に記載の方法。
18. 該体積音響波が該流体媒質に到達する前に、該体積音響波を固体支持部のバルク全体に伝播させることを包含している、請求項１６または１７に記載の方法。
19. ‐圧電性基板、
    ‐該基板上に配置され、かつ該基板と共に渦巻波トランスデューサを画定する逆極性の少なくとも２つの電極、ここで該少なくとも２つの電極は、同じ中心の周りに螺旋を巻くトラックをそれぞれ有し、かつ渦を巻く超音波表面波を該基板内に発生させるように構成されている、
    ‐該基板上に配置され、かつ該基板と共に前駆波トランスデューサを画定する逆極性の少なくとも２つのさらなる電極、ここで該少なくとも２つのさらなる電極は、焦束されておらず、かつ該渦を巻く超音波表面波とは異なる前駆超音波を該基板内に発生させるように構成されている、
    を備える電気音響機器。

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