JP5453392B2 - 超音波液体操作のための高効率および高均一なフレネルレンズアレイを形成する方法およびシステム - Google Patents

Description

（本文中に技術分野に該当する記載なし。）

＜関連出願＞
本特許出願は、参照によってその全体が本出願に組み込まれる２００８年４月４日に出願された米国仮出願シリアル番号６１／０４２，５６６に対する優先権の利益を米国法１１９条（ｅ）に基づき主張する。

メガヘルツ（ＭＨｚ）単位の周波数の超音波を利用する装置は、試料物質の超音波非破壊評価、超音波画像化、超音波インク印刷、超音波混合、薬学および生物学的用途のための液滴調製、および材料を基板に選択的にコーティングまたはめっきする、といった多くの用途に使用される。

上記した用途の殆ど全てにおいて、システムの中心部は、電気信号の超音波信号への変換およびその逆を行う超音波トランスデューサーから成る。典型的には、超音波トランスデューサーは２枚の金属電極の間に形成された圧電性のプレートである。他の形式の超音波トランスデューサーもこの分野では知られ、超音波エネルギーの様々な用途に使用され得る。

開示に係る技術のいくつかの実施形態が、添付の図面に、限定目的でなく例示目的で説明される。
半波帯源（ｈａｌｆ−ｗａｖｅ−ｂａｎｄ ｓｏｕｒｃｅ）超音波トランスデューサーを使用する従来技術による典型的な超音波装置の横断面を示す図である。 本発明の各種実施形態による、超音波トランスデューサーアレイを使った、例としての装置の横断面を示す図である。 本発明の各種実施形態による、図２の超音波トランスデューサーアレイのパターン付けされた電極の例示的構成を示す図である。 本発明の各種実施形態による、図２の例としての装置の上面図を示す図である。 本発明の各種実施形態による図２の装置の例の横断面を示す図である。 本発明の各種実施形態による、図２の装置の例の横断面を示す図である。 本発明の各種実施形態による、図２の装置の例の横断面を示す図である。 本発明の各種実施形態による、図２の装置の例の横断面を示す図である。 本発明の各種実施形態による、超音波液体操作のための高効率で高均一なフレネルレンズアレイを形成するための例としてのシステムを示す図である。 本発明の各種実施形態による、超音波液体操作のための高効率で高均一なフレネルレンズアレイを形成するための例としての方法を示すフロー図である。

＜詳細な説明＞
超音波液体操作のための高効率で高均一なフレネルレンズアレイを形成するための装置と方法の例が記載される。説明を目的とする以下の記載で、例示を目的とした具体的詳細を含む多くの例が例示的実施形態の理解を提供するために記載される。しかし、これらの例は、このような例示を目的とした詳細を用いずに、および／または、それら詳細の、この書類に開示された組み合わせ以外の組み合わせを用いて、実施され得ることは当業者に明白になる。

本書類に記載されたいくつかの例示的実施形態は、（たとえば圧電性の材料のプレートといった）センサープレートの上面および底面に複数の上部電極および底部電極を形成することによって超音波トランスデューサーアレイを形成することを含み得る。超音波トランスデューサーアレイは一つ以上の試料を操作するための超音波エネルギーを発生させ得る。上部電極および底部電極は高周波（ＲＦ）源に結合され得る。上部電極および底部電極のそれぞれは、（例えば境界内にパターン付けされた構造を有さず一様で連続した形状といった）ベタ塗り（Ｓｏｌｉｄ）な形状またはパターンのうちの一つを形成するように配置され得る。

ＲＦ源は、例えば、トーンバースト形式のＲＦ信号を生成し得る。信号の周波数は、ある周波数レンジ（例えば０．１ＭＨｚから１０００ＭＨｚ）に渡る動作周波数を掃引することで調整され得る。信号は適切に増幅され得、その後、超音波トランスデューサー（以降「トランスデューサー」とも呼ぶ。）の電極間に印加され得る。トランスデューサーはＲＦ信号の電気エネルギーを、一つ以上の試料に向けられる超音波信号の形式の超音波エネルギーに変換し得る。用途と特定の設計によっては、トランスデューサーは、典型的には（例えばマイクロウェルプレートあるいは単に「ウェルプレート」といった）試料オブジェクト（Ｓａｍｐｌｅ ｏｂｊｅｃｔ）に向けて、或る側のバッファ層に取り付けられ得、かつ、その反対側の裏当て材にも取り付けられ得る。やはり用途によっては、適切な超音波集束素子（超音波レンズとしても知られ、以降「集束素子」と呼ぶ。）は、試料を保持する試料オブジェクトの選択されたエリアに超音波エネルギーを集中させるために、トランスデューサー上に形成され得る。

試料オブジェクトの形態は個々の用途による。非破壊評価あるいは超音波画像化といった用途では、試料オブジェクトは典型的に超音波信号によって検査されることが可能な固体の物質である。混合などといった流体物を扱う用途では、試料オブジェクトは典型的には、例えば超音波信号によって攪拌される流体溶媒試料といった試料を保持する業界標準のマイクロウェルプレートである。マイクロウェルプレートは典型的には、超音波を効率的に試料に伝播するために比較的薄い底部を有する。流体溶媒は、同様に混合されるべき微粒子または固体をも含み得る。また別の生物学的用途では、試料はスライドガラスに載せられ得る。

上記した殆ど全ての用途で、試料オブジェクトは、（例えば画像化の用途で）トランスデューサーに対して走査されるため自由に移動し得、あるいは流体物を扱う用途で、試料オブジェクトは、素早く機器内に入れられ得、かつ、（例えば混合あるいは流体移行（ｆｌｕｉｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ）といった）望まれる目的が達成されるとすばやく機器から出され得る。試料オブジェクトは典型的には、数ミリメートルから数センチメートルトランスデューサーアセンブリから離れて置かれ、かつ、超音波エネルギーが集中し得る領域の近傍に置かれる。

空気と、殆ど全ての気体は、メガヘルツ単位の周波数の超音波を効率的に伝播しないため、（例えば超音波といった）超音波エネルギーをトランスデューサーと試料との間で効率的に結合するために、媒体（例えば、典型的には水である結合流体）が、トランスデューサーと試料オブジェクトとの間に適用される。上記された用途のうちのいくつかで、トランスデューサーと試料のアセンブリの全てを結合流体に浸すことは通常望ましくない。トランスデューサーと試料オブジェクトとの間の結合は、動作電力レベルを含むＲＦ源の動作属性を変更することで制御され得る。

例えば流体を混合する用途では、液体試料内で引き起こされた超音波励起は混合作業において重要な役割を持ち得る。試料内で引き起こされた超音波励起のいくつかの属性は制御可能である。例えば、超音波エネルギーの強さ、超音波場の（例えば、トランスデューサーの面に並行な方向での）横方向成分、および超音波場の軸スラストはＲＦ源の動作属性を変更することで制御され得る。ＲＦ源の動作属性は、動作周波数および／または動作電力レベルを含み得る。超音波場の、（横方向成分に対して直角をなす）軸方向成分に対する横方向成分の強さを増加させることは、混合の効率の向上させる結果をもたらす。混合の効率は、試料の混合に使われる超音波トランスデューサーによって生み出された超音波エネルギーの総量に対する、試料の混合に費やされる超音波エネルギーの比率と考え得るが、必ずしもこれに限定されない。

しかし、（例えば印刷プロセスにおける）液滴放出の用途といった他のいくつかの用途では、横方向成分に対して、超音波場の軸方法成分の強さを増加させることは有益であり得る。本書類で開示される例示的実施形態において、単一の装置内で、超音波場の強化された横方向成分と強化された軸方向成分との両方を達成する二重の目的の用途を可能にするために、ＲＦ源の動作周波数は制御され得る。

図１は、「半波帯源（ｈａｌｆ−ｗａｖｅ−ｂａｎｄ ｓｏｕｒｃｅ）」超音波トランスデューサー１２０を使用する、従来技術による典型的な超音波装置１００の横断面を示す図である。（「フレネルゾーンプレート」型超音波トランスデューサーとしても知られる）「半波帯源」超音波トランスデューサー１２０は、流体混合器といった超音波流体操作装置で使用される超音波の発生と集束とを同時に行い得る。超音波トランスデューサー１２０の厚さおよび上部電極１３０と底部電極１４０のパターンニングは、超音波トランスデューサー１２０が望まれるＲＦ周波数にて動作し、かつ、マイクロウェルプレート１５０が置かれる、超音波トランスデューサー１２０からの予め決まった距離に超音波１４５を集束するように選択され得る。

ＲＦ周波数は、ＲＦ源１８０によって発生し上部電極１３０および底部電極１４０に印加されるＲＦ信号の周波数である。超音波トランスデューサー１２０は、超音波トランスデューサー１２０と結合流体１４２との間の結合を更に改善させ得、かつ、以降に記載される他の用途を持ち得る、（例えば絶縁層といった）バッファ層１２３に覆われている。結合流体１４２は、超音波トランスデューサー１２０によって発生させられた超音波１４５を、ウェルプレート１５０のウェル１６０に保持される流体試料１７０に結合し得る。

高いスループットで数多くの流体試料を処理するために、多くは生物学的用途で使われる標準的なマイクロプレートは多数のウェルを含み、９６、３８４、または１５３６といった数がマイクロウェルプレート上のマイクロウェルの個数として比較的一般的に使用される個数の例である。本開示で、このようなマイクロウェルプレートにおける流体を操作するための装置の実施形態が紹介される。装置は、作業の高スループットを達成するために、実質的に同様のトランスデューサー素子のアレイを持ち得る。ほぼ同一の超音波トランスデューサーの大型のアレイを形成するために、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）といった圧電性材料のプレートが用意される。ＲＦ信号が圧電性材料に印加されることを可能にするために、適切な電極がプレートの両面にパターン付けされる。この方法でパターン付けされたトランスデューサーは、装置の大型のアレイに渡って個々に実質的に均一な超音波を発生させる。

しかし、技術の現在の状況におけるこのようなトランスデューサーのアレイの動作において見られ得る一つの問題はトランスデューサー素子の電極間の相互接続の抵抗に起因する。比較的多い数のトランスデューサー素子が並列で接続されているために、相互接続の抵抗は相当な量になることがある。このため、幅を広くしてアレイの効率を低下させることなく均一性を向上させることによって相互接続の抵抗を低減するトランスデューサー素子のアレイを作成することが望ましい。

超音波トランスデューサーによって発生させられた超音波を集束するための（例えば集束素子といった）レンズを形成するために使用されるいくつかの方法がある。設計において、一個または数個のみの集束素子を使用しようとする場合に一般的に採用される一つの方法は、標準的な光レンズに似た半球形の光キャビティを使用することである。このようなトランスデューサーは超音波トランスデューサーに取り付けられた（図１のバッファ層１２３のような）バッファ層を研磨すること、またはバッファ層として使用されるエポキシかそれに似た材料の層の望ましい形状を成形することによって作成することが可能である。

あるいは、各超音波トランスデューサー素子の上部電極および底部電極のうちの少なくとも一方を、パターン付けされた電極によって超音波がトランスデューサー素子から回折する際に特定のゾーンに集中するように、適切にパターン付けすることにより、圧電性の材料に「フレネルゾーンプレート」型の超音波トランスデューサーを形成することが可能である（例えば図２参照）。これらのトランスデューサーは、流体混合の用途においては半波帯源とも呼ばれてきた。

超音波レンズを形成する別の方法は、バイナリフレネルレンズ（ｂｉｎａｒｙ Ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓ）アプローチを使用することである（例えば図５のバイナリフレネルレンズ５３５を参照）。これらのレンズは、集積回路（ＩＣ）装置の作成で一般的に使われる標準的なフォトリソグラフィーおよび薄膜処理の手順を採用して、超音波トランスデューサープレートに置かれた材料にエッチングすることによって形成され得る。

レンズを作る上で採用される全ての方法は、アレイの作成に使用されるとき、特にある種の超音波流体操作の用途のためのアレイに渡って望まれる効率と均一性をもって超音波を集束することにアレイが使用されるとき相当な困難さを有するといういくつかの欠点を持ち得る。十分な均一性をもった半球体の大型のアレイを生産することは比較的難しい。例えば、半波帯源トランスデューサーは、望まない（例えばサイドローブといった）回折次数のよって超音波エネルギーのかなりの割合が浪費され得るために、比較的低い集束（Ｆｏｃｕｓｉｎｇ）の効率を有し得る。例えば低周波数用途で使用されるバイナリフレネルレンズは、薄膜蒸着やエッチングの現在の技術を使って製造することは容易でない場合がある。低周波数用途は、超音波周波数が比較的低いメガヘルツ周波数であり得る流体混合といった流体操作用途を含み得る。

図５のバイナリフレネルレンズ５３５といったバイナリフレネルレンズの各「ステップ」の厚さは超音波トランスデューサーによって発生させられる超音波波長の一部（ｆｒａｃｔｉｏｎ）であり得る。例えば、超音波混合装置にとって１ＭＨｚから１０ＭＨｚの範囲での動作周波数の場合、レンズの全体の厚さは、厳密な動作周波数とレンズを形成するのに使われる材料の種類に依存して、０．１ミリメータから数ミリメータ程度であり得る。薄膜加工の標準的な技術を使ってそのような厚さの装置を作成することは困難である。これらの欠点のために、高効率、高均一性、および低コストで、トランスデューサーレンズ構造の大型のアレイを製造する新しい方法は有益であり得、以下に議論される例示的実施形態によって取り組まれることが意図される。マイクロウェルプレート内で多数の試料流体に同時に着手するには、図１に示された構造は適していない。

図２は、本発明の各種実施形態による、超音波トランスデューサーアレイを使った、例としての装置２００の横断面を示す図である。装置２００は、超音波トランスデューサーのアレイによって形成される超音波トランスデューサーアレイ２１０を含み得る。アレイにおけるそれぞれの超音波トランスデューサーは、フォトリソグラフィー処理を使って多数の上部電極２３５および底部電極２４５をセンサープレート２２０にコーティングすることによって形成され得る。センサープレート２２０は圧電性の材料からなるプレートであり得る。各超音波トランスデューサーはマイクロウェルプレート２５０のマイクロウェル２６０に対向し得る。

マイクロウェル２６０は、マイクロウェル２６０に対向する超音波トランスデューサーのうちの一つによって発生させられた超音波２５５に結合される（例えば液体試料といった）試料２７０を収容し得る。上部電極２３５および底部電極２４５はＲＦ源に導電的に結合され得る。図２は大型のアレイの多数の超音波トランスデューサーおよびマイクロウェルのみを示す。超音波トランスデューサーアレイ２１０の超音波トランスデューサーは、結合流体２４２を介して同時に多数のマイクロウェル２６０に着手（Ａｄｄｒｅｓｓ）または照射するための半波帯源を形成し得る。このようにマイクロウェル２６０上の全ての試料を並行して処理することによって、装置２００は、流体混合器といった、効率的な超音波流体操作装置になる。

超音波トランスデューサーアレイ２１０における半波帯源トランスデューサーは、上部電極２３５および底部電極２４５を構成することによって形成され得る。電極はセンサープレート２２０上の（例えばアルミニウム、銅、銀、金、導電性ポリマー等といった）導電性材料の一つ以上のコーティングまたは層によって形成され得る。各電極は、ベタ塗りな形状をしていてもよく、あるいは、同心の輪を形成するようにパターン付けされていてもよい。以下に記載されるように、同心の輪は、中心角を持つ扇形を形成していてもよい。

図３は、本発明の各種実施形態による、図２の超音波トランスデューサーアレイのパターン付けされた電極の例示的構成を示す図である。ダイアグラム３１０は４５度の中心角を持つ扇形を示す。ダイアグラム３１０の同心の輪はその中心に近づくにつれて、曲率が楕円形の曲率から円形の曲率に変化する。ダイアグラム３２０において、同心の輪は９０度の中心角を形成し、その曲率はその曲率の半径が短くなるにつれて双曲線の曲率から円形の曲率に変化する。ダイアグラム３３０の同心の輪は３０度の中心角を形成し、中心に近づくにつれてその曲率は放物線の曲率から円形の曲率に変化する。ダイアグラム３４０は１３５度の中心角を形成する同心の輪を表す。ダイアグラム３４０の同心の輪はその半径が短くなるにつれてその曲率は楕円形の曲率から円形の曲率に変化する。図２の上部電極２３５および底部電極２４５はこれらのうちの任意の構成を想定し得るがこれらの構成に限定されない。

図４は、本発明の各種実施形態による、図２の例としての装置２００の上面図を示す図である。上面図４００に示されるように、装置２００は、例示的実施形態に従って設計された図２に示される種類の（例えば半波帯源を形成する電極といった）超音波集束素子４１０のアレイを含み得る。この例示としての設計は１６行×２４列の構成に配置された３８４個のマイクロウェルを持つ標準的なマイクロウェルプレートを扱う（Ａｄｄｒｅｓｓ）することを含む。超音波集束素子４１０の行と列は、結合パッド４２０および４４０のアレイを通じて（図１のＲＦ源１８０のような）ＲＦ源に並列に接続され得る。

行と列の各結合パッドによって比較的多数のトランスデューサーがアクセスされるとすると、アレイの均一性を向上させるために各超音波素子間の相互接続の抵抗は低減されるべきである。また、集束超音波を発生させるのに使用されるエリアの外のプレートの部分における相互接続のいかなる重なりによる「浮遊」容量もまた、低減されるべきである。超音波集束素子４１０の拡大図４５０は、それぞれ上部電極４５２および底部電極４５４を形成する同心の輪の構造と接続性をより詳細に示す。この実施例での上部電極４５２および底部電極４５４は９０度の中心角を形成する同心の円形の輪である。同心の輪と相互接続ライン４５６および４５８の配置は、上部電極４５２と底部電極４５４との間の重なりによる相互接続抵抗と「浮遊」容量を実質的に低減するために、隣接する電極間のエリアが利用されるような配置になっている。例示的実施形態において、同心の輪の構成は、図２の上部電極２３５および底部電極２４５のどちらにも適応され得る。

図５は、本発明の各種実施形態による図２の装置２００の例の横断面を示す図である。例としての装置５１０において、上部電極２３０は（例えばその境界内にパターン付けされた構造がない一様で連続的な形状）といったベタ塗りな形状を持ち、底部電極２４５はパターン付けされている。図５に示される例としての装置５２０は、パターン付けされた上部電極２３５を持ち得、また、ベタ塗りな形状の底部電極２４０を持ち得る。例示的実施形態において、パターン付けされた上部電極２３５および底部電極２４５は図３に示される任意の構成をとり得るが、これらの構成に限定されない。

上記された例示的実施形態において、図２および図５の例としての装置２００、５１０および５２０に見られるような電極の構成によって形成される超音波トランスデューサーアレイ２１０は、実質的に均一であり得る。しかし、そのようなトランスデューサーアレイにおける集束の効率は向上され得る。さらなる実施形態は、（例えば、フレネルゾーンプレート型の）半波帯源トランスデューサーを、集束においてより高い効率を有し得る例としての装置５３０に見られるような「バイナリ」フレネルレンズＰＺＴに交換することを含み得うる。例としての装置５３０は、低いメガヘルツ周波数での動作に適切であり得る。

バイナリフレネルレンズ５３５は、上部電極２３０の形成の後、図２のセンサープレート２２０の上面に形成された材料の層に画定される。例としての装置５３０に見られるような上部電極２３０および底部電極２４０は両方ともベタ塗りな形状を持ち得る。レンズの材料は、フレネルレンズのパターンを画定するために成形処理が適用可能であるように選択される。ポリプロピレンといった、飲料可能な（ｐｏｔａｂｌｅ）エポキシやプラスチックのいくつかの形態がこの目的に使用可能な材料の例であるが、本出願はこれらの材料に限定されない。（例えばバイナリフレネルレンズ５３５といった）レンズの高さは最大で数百マイクロメータであり得る。均一性と効率を考慮するとレンズのパターンニングは正確であるべきである。従って、かなり厳しい許容誤差で成形形状を形成するために、微小電気機械システム用途のために開発された精密製造技術が適用され得る。

バイナリフレネルレンズ５３５に見られる構造は高い効率と均一性を有し得るが、この構造は圧電性のプレートに成形工程を使用し、これはトランスデューサーアセンブリの製造コストを引き上げ得る。別の例示的実施形態において、以下に記載されるように、バイナリフレネルレンズの形成は図２のマイクロウェルプレート２５０上で直接行われ得る。

図６は、本発明の各種実施形態による、図２の装置２００の例の横断面を示す図である。例としての装置６２０において、上部電極２３０および底部電極２４０はパターンニングを有さないベタ塗りな形状をもつ。しかし、例としての装置６２０において、マイクロウェルプレート６５０のマイクロウェルプレートが成形加工を使ってすでに作成されているという事実は、マイクロウェルを作成するときにバイナリフレネルレンズ６５５を形成するために利用される。バイナリフレネルレンズパターンを画定する成形部分は、バイナリフレネルレンズパターンの正確な画定を可能にするためにＭＥＭＳ（微小電気機械システム）加工を使用して作成され得る。

バイナリフレネルレンズ成形物を有するマイクロウェルを含むマイクロウェルプレート６５０は、半波帯源超音波トランスデューサーと組み合わされて、例示としての装置６４０、６６０および６８０に見られるような二重レンズ構成を形成し得る。例示としての装置６４０では、マイクロウェルプレート６５０はパターン付けされた上部電極２３５および底部電極２４５によってそれぞれ形成された超音波トランスデューサーと組み合わされる。例示としての装置６６０は、パターン付けされた上部電極２３５およびベタ塗りな形状の底部電極２４０によって形成された超音波トランスデューサーアレイと組み合わせてマイクロウェルプレート６５０を使用する。

例示としての装置６８０では、マイクロウェルプレート６５０と、ベタ塗りな形状の電極２３０およびパターン付けされた底部電極２４５によって形成された超音波トランスデューサーアレイとを組み合わせることによって二重レンズ構成が実現される。例示的実施形態では、図６の装置のパターン付けされた電極は、図３に示される任意の構成をとり得るが、これらの電極はこのような構成に限定されない。また、パターン付けされた上部電極２３５および底部電極２４５は同一のパターンを有していても、異なるパターンを有していてもよい。さらに別の例示的実施形態では、マイクロウェルプレートとともに成形された超音波レンズの変形例を考慮し得、その例ではバイナリフレネルレンズが以下に記載される図７に示されるようにマイクロウェルプレートの底面に画定される。これによって、バイナリフレネルレンズ構造が図６の装置でのようにマイクロウェルの底部で形成される場合と比べて、特にマイクロウェルが深い場合に形状を成形によって画定することが容易になり得る。

図７は、本発明の各種実施形態による、図の２装置２００の例の横断面を示す図である。図７の装置において、バイナリフレネルレンズは、超音波トランスデューサーアレイと結合流体に対向している。このような場合、フレネルレンズの設計に使う方程式は、超音波がマイクロウェルの底部から出てマイクロウェル内の試料流体に入る際の超音波の屈折を考慮して修正され得る。

例示としての装置７２０、７４０、７６０および７８０において、ベタ塗りな形状の上部電極２３０またはパターン付けされた上部電極２３５と、ベタ塗りな形状の底部電極２４０またはパターン付けされた底部電極２４５との様々な組み合わせにより形成される超音波トランスデューサーアレイの各種実施形態を、底部側がバイナリフレネルレンズ７５５によって覆われているマイクロウェルプレート２５０と組み合わせることによって各種の二重レンズ構成が形成される。例示的実施形態において、図７の装置のパターン付けされた電極は、図３に示される任意の構成をとり得るが、これらの電極はこのような構成に限定されない。また、パターン付けされた上部電極２３５および底部電極２４５は同一のパターンを有していても、異なるパターンを有していてもよい。さらに別の例示的実施形態では、バイナリフレネルレンズ成形物は、図６のマイクロウェルプレート６５０の底部側に画定され得、この場合に各マイクロウェルは、その底部に形成されたバイナリフレネルレンズ成形物をすでに含んでいる。

図８は、本発明の各種実施形態による、図の２の装置２００の例の横断面を示す図である。図８の装置で使用されるマイクロウェルプレート８５０は、底部にバイナリフレネルレンズ成形物６５５を有するマイクロウェルを含むマイクロウェルプレートの底面側にバイナリフレネルレンズ７５５を画定することによって、形成される。バイナリフレネルレンズ６５５の成形形状は、バイナリフレネルレンズ７５５で使用される成形形状に類似していてもよく、同一であってもよく、または、異なっていてもよい。例示としての装置８２０、８６０および８８０において、ベタ塗りな形状の上部電極２３０またはパターン付けされた上部電極２３５と、ベタ塗りな形状の底部電極２４０またはパターン付けされた底部電極２４５との様々な組み合わせにより形成される超音波トランスデューサーアレイの各種実施形態を、マイクロウェルプレート８５０と組み合わせることによって各種の二重レンズ構成が形成される。例示としての装置８４０において、ベタ塗りな形状の上部電極２３０および底部電極２４０を持ち、バイナリフレネルレンズ成形物５３５で覆われている超音波トランスデューサーアレイはマイクロウェルプレート８５０と組み合わされて二重レンズ構成を形成する。例示的実施形態において、図７の装置のパターン付けされた電極は、図３に示される任意の構成をとり得るが、これらの電極はこのような構成に限定されない。また、パターン付けされた上部電極２３５および底部電極２４５は同一のパターンを有していても、異なるパターンを有していてもよい。

同時に出願された、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ」とタイトルされた（参照によってその全体が本書類に組み込まれた）特許出願に記載される方法と装置は、機能性と効率を向上させるために、本書類にて開示された例示的実施形態と共に使用することが可能である。例示的実施形態のアレイでトランスデューサーによって発生させられた放射圧は、超音波トランスデューサーとマイクロプレートのマイクロウェルとの間の効率的な超音波結合を達成するために使用することが可能である。

図９は、本発明の各種実施形態による、超音波液体操作のための高効率で高均一なフレネルレンズアレイを形成するための例としてのシステム９００を示す図である。システム９００は、超音波装置９２０、プロセッサ９４０、（図１のＲＦ源１８０といった）高周波発生器９５０、およびメモリ９３０を含み得る。超音波装置９２０の例示的実施形態は、図２および図５から図８に示される例としての装置を含み得る。しかし、超音波装置９２０は、上記した図に示される部品および構成要素に限定されなくてもよく、また、これらの図に示されない補助的な構成要素を含んでいてもよい。

例示的実施形態において、超音波装置９２０は、メモリ９３０に保存された（例えばソフトウエアといった）命令を実行するためにプロセッサ９４０を使用し得る。プロセッサ９４０は、マイクロプロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、および／またはその他のものを含み得る。メモリ９３０は、回転メモリ（ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍｅｍｏｒｙ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、あるいはフラッシュタイプのメモリを含み得る。メモリ９３０は、例えば整備データ、分析される試料に関するデータ、その他といった、超音波装置９２０の動作に関するデータも保存し得る。命令は例えば、超音波装置９２０の各種部品、高周波発生器９５０および／または、（図２の結合流体２４２といった）結合流体を、その結合流体を収容する流体容器へと進ませ得る一つ以上のポンプを制御するためのソフトウエアを含み得る。

図１０は、本発明の各種実施形態による、超音波液体操作のための高効率で高均一なフレネルレンズアレイを形成するための例としての方法１０００を示すフロー図である。１０１０で、センサープレート２２０の上面および底面に（例えば上部電極２３０および底部電極２４０あるいは図５から図８に示される各種構成のような）多数の上部電極および底部電極を作成することによって、超音波トランスデューサーアレイ２１０（あるいは図５から図８に示される任意の超音波トランスデューサーアレイ）は形成され得る。超音波トランスデューサーアレイ２１０は、マイクロウェル２６０（あるいは図５から図８に示されるマイクロウェル）に収容された多数の試料を操作するための超音波２５５の形式の超音波エネルギーを発生させ得る。

１０２０で、上部電極および底部電極のそれぞれは、ベタ塗りな形状またはパターンを形成するように配置され得る。パターンは図３に示される同心の輪の構成のうちの任意の構成を含み得るが、これらの構成に限定されない。図２および図５から図８に関連して上述したように、ベタ塗りな形状の電極またはパターン付けされた電極の各種の組み合わせが使用され得る。図１０のフロー図では「終了」と示されているが、望まれる場合にはこの方法は継続的に実行されてもよい。

１０３０で、上部電極および底部電極は、図１のＲＦ源１８０といったＲＦ源に導電的に結合され得る。上述された実施形態は、図面上では（ｎｏｍｉｎａｌｌｙ）結合媒体が試料オブジェクトに接触している構造が示されたが、同時に出願され「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ」とタイトルされた（参照によってその全体が本書類に組み込まれた）特許出願の図２に示される構造におけるように結合流体が試料オブジェクトに接していない構成において、本発明の主題に係る例示的実施形態を使用することも可能である。本発明の主題に係る例示的実施形態は、外部の駆動機構による結合流体の無理な流れを使わずに、トランスデューサーと試料オブジェクトの間に捕らえられたあらゆる存在し得る気泡を取り除くことによって、超音波液体操作の機能性と効率を向上させるために使用され得る。ある種の生物学的な用途に使用される、非平坦な底部を持つマイクロウェルプレートは、特に気泡を捕らえ易い傾向があり。従って、本発明の主題に係る例示的実施形態は、それらの用途における結合の効率を向上させ得る。

超音波液体操作のための高効率かつ高均一性のフレネルレンズアレイを形成するための方法と装置の実施形態が記載されてきた。本発明の独創的な主題は具体的な例示的実施形態を参照しながら記載されてきたが、本発明の主題のより広い本質および範囲から逸脱せずにこれらの実施形態に各種の修正および変更を成し得ることは明らかである。従って、明細書および図面は限定の意味でなく例示の意味として解釈されるべきである。本書類の一部を成す添付の図面は、本発明の主題が実施され得る具体的な実施形態を、限定目的でなく例示目的で示す。説明された実施形態は、当業者が本書類に開示された教示を実施することができる程度に十分に詳細に記載されている。それら実施形態から他の実施形態が利用され得、かつ、派生し得、この開示の範囲を逸脱することなく構造的および論理的な代用および変更が成され得る。したがって、詳細な説明は、限定的な意味に受け取るべきでなく、各種実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲が権利を有する均等物の全範囲と共にそれら特許請求の範囲によってのみ定められる。

本発明の独創的な主題のこのような実施形態は、単に便宜のために、かつこの出願の範囲を、いかなる単一の発明または実際に一つより多くの発明の概念が開示されている場合には単一のいかなる発明の概念に、自発的に限定することを意図せずに、「発明」という語で、個別におよび／または集合として、本書類で参照されうる。従って、具体的な実施形態が本書類で説明されかつ記載されているが、当然のことながら、同じ目的を達成すると判断されるいかなる構成（Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）も、示された具体的な実施形態の代わりになり得る。この開示は、各種実施形態の任意のおよび全ての適応と変形を含むことを意図している。上記実施形態および本書類に特に記載されなかった他の実施形態の組み合わせが、上記記載を検討することによって当業者に明らかになる。

技術的開示の本質を読み手が短時間で確認できる要約を要求する米国特許規則１．７２（ｂ）に準拠して、開示の要約が提供される。この開示の要約は、特許請求の範囲を解釈または限定するために使用されないという理解のもとに提出される。さらに、上記詳細な説明において、開示を効率的にする目的で、各種の特徴が単一の実施形態にまとめられていることが見られ得る。開示のこの方法は特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。従って、添付の特許請求の範囲は、各請求の範囲が別個の実施形態として独立するものとして、これにより詳細な説明に組み込まれる。

Claims (28)

1. 試料を操作するための装置であって、
   センサープレートの上面および底面に複数の上部電極および底部電極を形成することによって形成される超音波トランスデューサーアレイであって、複数の試料を操作するための超音波エネルギーを発生させる超音波トランスデューサーアレイを含み、
   前記複数の上部電極および底部電極は、高周波源に導電的に結合され、かつ
   前記複数の上部電極および底部電極のそれぞれは、ベタ塗りな形状またはパターンのうちの一方を形成し、
   前記試料と前記上部電極の間にバイナリフレネルレンズを設ける、
   装置。
2. 前記センサープレートは圧電性の材料を含み、かつ前記上部電極および底部電極は導電性の材料を含む、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記上部電極および底部電極のそれぞれはベタ塗りな形状を形成し、かつ前記バイナリフレネルレンズが前記上部電極のそれぞれに形成される、
   請求項１に記載の装置。
4. 前記上部電極および底部電極のそれぞれはパターンを形成し、かつ前記パターンは複数の同心の輪の扇形を含む、
   請求項１に記載の装置。
5. 前記扇形は、０度から３６０度の間の全ての角度を含む中心角を含む、
   請求項４に記載の装置。
6. 前記複数の同心の輪の曲率は、前記輪の半径が長くなるにつれ変化し、前記曲率の変化は円形の曲率から、楕円形の曲率、双曲線の曲率、および放物線の曲率のうちの一つへの変化を含む、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記曲率の変化は前記中心角に依存する、
   請求項６に記載の装置。
8. ウェルプレートを更に含み、
   前記ウェルプレートは、
   前記ウェルプレートの上面の複数のウェル、
   前記ウェルプレートの上面の複数のウェルであって、それぞれが前記バイナリフレネルレンズを形成するような形状をしたウェル、および
   前記ウェルプレートの底面に作られた複数の前記バイナリフレネルレンズ、
   のうちの少なくとも一つを含む、
   請求項１に記載の装置。
9. 前記超音波トランスデューサーアレイは、液体を含む結合媒体を介して前記ウェルプレートに結合され、かつ前記トランスデューサーと前記ウェルプレートの間の結合は、高周波源の、動作電力レベルを含む動作属性を変更することによって制御される、
   請求項８に記載の装置。
10. 前記高周波源は、０．１ＭＨｚから１０００ＭＨｚの周波数レンジの信号を発生させる、
    請求項１に記載の装置。
11. 試料内で引き起こされる超音波励起の属性は制御可能であり、前記属性は、前記超音波エネルギーの強さ、超音波場の横方向成分、および前記超音波場の軸スラストのうちの少なくとも一つを含む、
    請求項１に記載の装置。
12. 前記超音波励起の少なくとも一つの属性は、前記高周波源の、動作周波数および動作電力レベルのうちの少なくとも一つを含む動作属性を変更することによって、制御される、
    請求項１１に記載の装置。
13. センサープレートの上面および底面に複数の上部電極および底部電極を形成することによって、複数の試料を操作するための超音波エネルギーを発生させる超音波トランスデューサーアレイを形成すること、
    前記複数の上部電極および底部電極を、高周波源に導電的に結合すること、および
    前記複数の上部電極および底部電極のそれぞれを、ベタ塗りな形状またはパターンのうちの一方を形成するように配置すること、
    前記センサープレートと前記上部電極の間にバイナリフレネルレンズを設けること、
    を含む方法。
14. 前記上部電極および底部電極のそれぞれはベタ塗りな形状を形成し、
    前記方法は、前記バイナリフレネルレンズを前記上部電極のそれぞれに形成することをさらに含む、
    請求項１３に記載の方法。
15. 複数の同心の輪の扇形を含む前記パターンを実装することを含む、
    請求項１３に記載の方法。
16. 前記パターンの前記実装は、０度から３６０度の間の全ての角度を含む中心角を含む前記複数の同心の輪の前記扇形を実装することを含む、
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記複数の同心の輪の前記扇形の実装は、前記輪の半径が長くなるにつれて前記複数の同心の輪の曲率を変化させることを含み、前記曲率の変化は円形の曲率から、楕円形の曲率、双曲線の曲率、および放物線の曲率のうちの一つへの変化を含む、
    請求項１６に記載の方法。
18. 曲率の変化は前記中心角に依存する、
    請求項１７に記載の方法。
19. ウェルプレートを形成することを更に含み、
    前記ウェルプレートは、
    前記ウェルプレートの上面の複数のウェルと、
    前記ウェルプレートの上面の複数のウェルであって、それぞれが前記バイナリフレネルレンズを形成するような形状をしたウェル、および
    前記ウェルプレートの底面に作られた複数の前記バイナリフレネルレンズ、
    のうちの少なくとも一つを含む、
    請求項１３に記載の方法。
20. 前記トランスデューサーアレイと前記ウェルプレートの間の結合流体中の気泡を取り除くために前記トランスデューサーアレイを動作させることを更に含む、
    請求項１９に記載の方法。
21. 前記結合流体の液面の高さを制御するために前記トランスデューサーアレイを動作させることを更に含み、前記制御は超音波放射圧を使って前記結合流体の液面の高さ上昇させることを含む、
    請求項２０に記載の方法。
22. 前記上昇させられた結合流体の液面の高さを追跡するために、問い合わせパルスを前記高周波源に印加することによって前記トランスデューサーアレイを励起することを更に含む、
    請求項２１に記載の方法。
23. 前記高周波源を、０．１ＭＨｚから１０００ＭＨｚの周波数レンジの信号を発生させるために動作させることを含む、
    請求項１３に記載の方法。
24. 前記高周波源の動作周波数を調整することを含み、前記調整は周波数レンジに渡って前記動作周波数を掃引することを含む、
    請求項１３に記載の方法。
25. 試料内で引き起こされた超音波励起の属性を制御することを更に含み、前記属性は、前記超音波エネルギーの強さ、超音波場の横方向成分、および前記超音波場の軸スラストのうちの少なくとも一つを含む、
    請求項１３に記載の方法。
26. 前記高周波源の動作周波数を変更することによって前記超音波励起の少なくとも一つの属性を制御することを含む、
    請求項２５に記載の方法。
27. 前記トランスデューサーアレイとウェルプレートの間の結合流体中の気泡を取り除くために前記トランスデューサーアレイを動作させることを更に含む、
    請求項２６に記載の方法。
28. システムであって、
    プロセッサと、
    前記プロセッサに結合されたメモリと、
    高周波を発生させるための高周波発生器、および
    結合媒体を介してウェルプレートと結合された超音波トランスデューサーを含み、
    前記超音波トランスデューサーは、
    センサープレートの上面および底面に複数の上部電極および底部電極を形成することによって形成された超音波トランスデューサーアレイであって、複数の試料を操作するための超音波エネルギーを発生させる超音波トランスデューサーアレイを含み、
    前記複数の上部電極および底部電極は、高周波発生器に導電的に結合され、かつ
    前記複数の上部電極および底部電極のそれぞれは、ベタ塗りな形状またはパターンのうちの一方を形成し、
    前記センサープレートと前記上部電極の間にバイナリフレネルレンズを設ける、
    システム。