RU195172U1

RU195172U1 - Acoustic micropump

Info

Publication number: RU195172U1
Application number: RU2019133028U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2020-01-16

Abstract

Полезная модель относится к акустическим микронасосам для перемещения малых объемов жидкости и может быть применена в микроаналитических системах, анализирующих малые объемы жидкости, в системах химического анализа и смешивания жидких веществ, дозирования лекарств и т.д.Задачей настоящей полезной модели является повышение уровня давления и скорости перемещения жидкости в акустическом микронасосе за счет сверхфокусирови акустического излучения.Технический результат достигается тем, что в акустическом микронасосе, содержащем впускной и выпускной каналы, конусообразную полость, соединенную вершиной с выпускным каналом, источник ультразвуковых волн, облучающий фокусирующее устройство, фокусирующее ультразвуковое излучение на входе выпускного канала, новым является то, что в области фокусировки излучения фокусирующего устройства размещают мезоразмерную звукопроводящую частицу с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0.5 до 0.83, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения область с повышенной интенсивностью звука, с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ, и размещают вход выпускного канала в этой области. 1 ил.The utility model relates to acoustic micropumps for moving small volumes of liquid and can be used in microanalytical systems analyzing small volumes of liquid, in systems of chemical analysis and mixing of liquid substances, dosage of drugs, etc. The objective of this utility model is to increase the level of pressure and speed fluid movement in an acoustic micropump due to overfocusing of acoustic radiation. The technical result is achieved in that in an acoustic micropump containing an inlet the outlet channel, the conical cavity connected by the apex to the outlet channel, the source of ultrasonic waves irradiating the focusing device, focusing the ultrasonic radiation at the input of the outlet channel, it is new that a mesoscopic sound-conducting particle with a characteristic size of no more than the transverse size of the focusing region and not less than λ / 2, where λ is the wavelength of the used radiation in the medium, with the speed of sound in the material of the relative particle but the speed of sound in the environment in the range from 0.5 to 0.83, form on its outer border on the opposite side of the incident radiation a region with increased sound intensity, with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 and a length of not more than 10λ, and place the input exhaust channel in this area. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к акустическим микронасосам для перемещения малых объемов жидкости и может быть применена в микроаналитических системах, анализирующих малые объемы жидкости, в системах химического анализа и смешивания жидких веществ, дозирования лекарств и т.д.The utility model relates to acoustic micropumps for moving small volumes of liquid and can be used in microanalytical systems analyzing small volumes of liquid, in systems of chemical analysis and mixing of liquid substances, dosage of drugs, etc.

Известны электрокинетические (электроосмотические) микронасосы (A.Manz, C.S. Effenhauser, N. Burggraf, D.J. Harrison, K. Seiler, K. Fluri, Electroosmotic pumping and electrophoretic separations for miniaturized chemical analysis systems, J. Micromech. Microeng., 1994, v. 4, pp. 257-265. Chuan-Hua Chen, Juan Santiago, A Planar Electroosmotic Micropump, J. Electromechanical Systems, 2002, v. 11. No.6, pp. 672-683. Oliver Geschke, Henning Klank, Pieter Telleman, Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, Willey-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, Weinheim, 2004, pp. 46-50), основанные на использовании эффекта образования двойного электрического слоя на границе раздела полярная жидкость - твердый диэлектрик. При наложении внешнего электрического поля на высокопористые тела, находящиеся в контакте с полярной жидкостью и обладающие развитой поверхностью такого контакта, имеет место небольшое смещение подвижной (диффузной) части двойного электрического слоя относительно его неподвижной (пристеночной) части, за счет чего происходит принудительное перемещение жидкости в направлении, параллельном внешнему электрическому полю. Такие микронасосы имеют ряд ограничений, главными из которых являются электролиз перекачиваемого раствора, что может привести к изменению его химического состава, а также образование пузырьков газов в непосредственном контакте с пористым телом, что может привести к ухудшению или прекращению перекачивания жидкости.Electrokinetic (electroosmotic) micropumps are known (A.Manz, CS Effenhauser, N. Burggraf, DJ Harrison, K. Seiler, K. Fluri, Electroosmotic pumping and electrophoretic separations for miniaturized chemical analysis systems, J. Micromech. Microeng., 1994, v 4, pp. 257-265. Chuan-Hua Chen, Juan Santiago, A Planar Electroosmotic Micropump, J. Electromechanical Systems, 2002, v. 11. No.6, pp. 672-683. Oliver Geschke, Henning Klank, Pieter Telleman, Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, Willey-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, Weinheim, 2004, pp. 46-50), based on the use of the formation of a double electric layer at the polar-solid interface dielectric. When an external electric field is applied to highly porous bodies that are in contact with a polar liquid and have a developed surface of such a contact, there is a slight displacement of the movable (diffuse) part of the double electric layer relative to its fixed (wall) part, due to which the fluid is forcedly moved into direction parallel to the external electric field. Such micropumps have a number of limitations, the main of which are the electrolysis of the pumped solution, which can lead to a change in its chemical composition, as well as the formation of gas bubbles in direct contact with the porous body, which can lead to deterioration or termination of fluid pumping.

От указанных недостатков свободен электрокинетический микронасос [М. Moini, Р. Сао, A.J. Bard, Hydroquinone as a Buffer Additive for suppression of bubbles formed by Electrochemical oxidation, Anal. Chemistry, 1999, v. 71, pp. 1658-1661], при использовании которого в перекачиваемую жидкость вводятся микроколичества буферного вещества (например, гидрохинона), характеризующегося небольшими величинами окислительно-восстановительного потенциала и препятствующего электролитическому разложению воды или других газообразующих компонентов на электродах. Однако недостатком такого устройства является необходимость "загрязнения" перекачиваемой жидкости буферным веществом.An electrokinetic micropump is free from these drawbacks [M. Moini, R. Sao, A.J. Bard, Hydroquinone as a Buffer Additive for suppression of bubbles formed by Electrochemical oxidation, Anal. Chemistry, 1999, v. 71, pp. 1658-1661], when using which micro amounts of a buffer substance (for example, hydroquinone) are introduced into the pumped liquid, which is characterized by small values of the redox potential and prevents the electrolytic decomposition of water or other gas-forming components on the electrodes. However, the disadvantage of such a device is the need for "contamination" of the pumped liquid with a buffer substance.

Другим аналогом является микронасос, свободный от указанных недостатков (Y. Takamura, H. Onoda, H. Inokuchi, S. Adachi, A. Oki, Y. Horiikc, Lowvoltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidic devices, Electrophoresis, 2003, 24, pp. 185-192.). В этом микронасосе в качестве электрода используется электропроводящий полимерный гель в контакте с металлической платиной. Вместо образования газов в результате электролиза в таком устройстве имеет место химическая перегруппировка органических веществ в составе полимерного геля. Однако недостатком такого устройства является то, что плотность электрического тока, которую можно обеспечивать с помощью таких электродов, настолько низкая, что устройство может быть использовано только для целей химического анализа с применением аналитических микрочипов.Another analogue is a micropump free of these drawbacks (Y. Takamura, H. Onoda, H. Inokuchi, S. Adachi, A. Oki, Y. Horiikc, Lowvoltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidic devices, Electrophoresis, 2003, 24, pp. 185-192.). In this micropump, an electrically conductive polymer gel in contact with platinum metal is used as an electrode. Instead of the formation of gases as a result of electrolysis, a chemical rearrangement of organic substances in the composition of the polymer gel takes place in such a device. However, the disadvantage of such a device is that the electric current density that can be provided using such electrodes is so low that the device can only be used for chemical analysis using analytical microarrays.

Однако общим недостатком всех перечисленных конструкций является использование в соединении нескольких разнородных материалов, имеющих разные температурные коэффициенты расширения, что может нарушить их работоспособность в широком диапазоне положительных и отрицательных температур.However, a common drawback of all these structures is the use of several dissimilar materials with different temperature expansion coefficients in the joint, which may disrupt their performance in a wide range of positive and negative temperatures.

Еще одним аналогом является акустоэлектронный микронасос (Патент РФ 2408795), состоящий из не менее чем одного акустоэлектронного преобразователя. Акустоэлектронные преобразователи установлены на полой трубке, которая является звукопроводом. При этом акустоэлектронный преобразователь может быть сформирован на торце трубки.Another analogue is an acoustoelectronic micropump (RF Patent 2408795), consisting of at least one acoustoelectronic converter. Acoustoelectronic converters are installed on a hollow tube, which is a sound duct. In this case, the acoustoelectronic converter can be formed at the end of the tube.

Другим аналогом является микронасос, состоящий из не менее чем одного акустоэлектронного преобразователя (JP 2006090155 A, 06.04.2006). Насос состоит из пластины пьезоэлектрика с нанесенным на его поверхности встречно-штыревым преобразователем (ВШП) и профилированной в виде канала крышкой, соединенной с пластиной пьезоэлектрика.Another analogue is a micropump consisting of at least one acoustoelectronic transducer (JP 2006090155 A, 04/06/2006). The pump consists of a piezoelectric plate with an interdigital transducer (IDT) deposited on its surface and a cover profiled in the form of a channel and connected to a piezoelectric plate.

Недостатком известных акустических микронасосов является использование нескольких акустоэлектронных преобразователей, что усложняет устройство и делает невозможным перемещение малых объемов жидкости.A disadvantage of the known acoustic micropumps is the use of several acoustoelectronic converters, which complicates the device and makes it impossible to move small volumes of liquid.

Известен акустический насос (Патент SU 696181), содержащий установленные в торцевых стенках рабочей камеры два обратимых электроакустических преобразователя, подключенных через электрическую цепь к генератору электрических колебаний, а один из преобразователей подключен к генератору электрических колебаний через фазосдвигающий блок.A known acoustic pump (Patent SU 696181), containing two reversible electro-acoustic transducers installed in the end walls of the working chamber, is connected through an electric circuit to an electric oscillation generator, and one of the converters is connected to an electric oscillator through a phase-shifting unit.

Недостатком акустического насоса является использование нескольких акустоэлектронных преобразователей, что усложняет устройство и его низкая эффективность, а также невозможность перемещения малых объемов жидкости.The disadvantage of an acoustic pump is the use of several acoustoelectronic transducers, which complicates the device and its low efficiency, as well as the inability to move small volumes of liquid.

Известен акустический вибронасос (Патент SU 663891), содержащий канал для перекачиваемой среды, в котором в зоне входного окна установлен акустический излучатель, подключенный к системе управления с генератором электрических колебаний и ориентированный в сторону выходного окна, а в зоне выходного окна установлен дополнительный излучатель, ориентированный в сторону противоположную первому.A known acoustic vibration pump (Patent SU 663891), comprising a channel for a pumped medium, in which an acoustic emitter is installed in the area of the input window, connected to the control system with an electric oscillation generator and oriented towards the output window, and an additional emitter, oriented in the direction opposite to the first.

Известен микронасос на поверхностных акустических волнах (Florian G. Strobl, Dominik Breyer, Phillip Link, Adriano A. Torrano, Christoph Bräuchle, Matthias F. Schneider and Achim Wixforth. A surface acoustic wave-driven micropump for particle uptake investigation under physiological flow conditions in very small volumes // Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 414-419. doi:10.3762/bjnano.6.41), состоящий из источника ультрозвуковых колебаний и акустической линзы.Known micropump on surface acoustic waves (Florian G. Strobl, Dominik Breyer, Phillip Link, Adriano A. Torrano, Christoph Bräuchle, Matthias F. Schneider and Achim Wixforth. A surface acoustic wave-driven micropump for particle uptake investigation under physiological flow conditions in very small volumes // Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 414-419. doi: 10.3762 / bjnano.6.41), consisting of a source of ultrasonic vibrations and an acoustic lens.

Недостатком такой конструкции является ее низкая эффективность, обусловленная невозможностью сфокусировать акустическое излучение в фокальную область с поперечными размерами менее длины волны излучения. The disadvantage of this design is its low efficiency, due to the inability to focus acoustic radiation into the focal region with transverse dimensions less than the radiation wavelength.

Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является акустический микронасос (Патент США 6010316 ACOUSTIC MICROPUMP), содержащий впускной и выпускной каналы, конусообразную полость соединенную вершиной с выпускным каналом, источник ультразвуковых волн, облучающий фокусирующее устройство, фокусирующее ультразвуковое излучение на входе выпускного канала.The closest in technical essence to the utility model is an acoustic micropump (US Patent 6010316 ACOUSTIC MICROPUMP) containing an inlet and outlet channels, a conical cavity connected by a vertex to the outlet channel, an ultrasonic wave source irradiating a focusing device, focusing ultrasonic radiation at the input of the outlet channel.

Недостатком этого акустического микронасоса является его низкая эффективность, обусловленная невозможностью сфокусировать акустическое излучение в фокальную область с поперечными размерами менее длины волны излучения. Кроме того, ни в одной из упомянутых конструкций не решается проблема повышения уровня давления и скорости перемещения жидкости в акустическом микронасосе за счет сверхфокусировки акустического излучения.The disadvantage of this acoustic micropump is its low efficiency, due to the inability to focus acoustic radiation into the focal region with transverse dimensions less than the radiation wavelength. In addition, none of the above-mentioned designs solves the problem of increasing the level of pressure and the velocity of the fluid in the acoustic micropump due to overfocusing of acoustic radiation.

Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков.The objective of this utility model is to address these shortcomings.

Технический результат достигается тем, что в акустическом микронасосе, содержащем впускной и выпускной каналы, конусообразную полость, соединенную вершиной с выпускным каналом, источник ультразвуковых волн, облучающий фокусирующее устройство, фокусирующее ультразвуковое излучение на входе выпускного канала, новым является то, что в области фокусировки излучения фокусирующего устройства размещают мезоразмерную звукопроводящую частицу с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0,5 до 0,83, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения область с повышенной интенсивностью звука, с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ, и размещают вход выпускного канала в этой области.The technical result is achieved in that in an acoustic micropump containing an inlet and outlet channels, a cone-shaped cavity connected by a vertex to the outlet channel, a source of ultrasonic waves irradiating a focusing device, focusing ultrasonic radiation at the entrance of the outlet channel, is new in that in the area of focusing radiation of the focusing device place a mesoscale sound-conducting particle with a characteristic size of not more than the transverse size of the focusing area and not less than λ / 2, where λ is the length waves of radiation used in the medium, with the speed of sound in the particle material relative to the speed of sound in the environment in the range from 0.5 to 0.83, form at its outer border on the opposite side of the incident radiation a region with increased sound intensity, with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 and a length of not more than 10λ, and place the entrance of the exhaust channel in this area.

На Фиг. 1 приведена схема устройства. Обозначения:In FIG. 1 shows a diagram of the device. Designations:

1 - источник ультразвуковых волн (пьезоэлектрический преобразователь, встречно-штырьевой преобразователь), 2 - фокусирующее устройство (акустическая линза, зонная пластина Френеля, фокусирующий пьезоэлектрический преобразователь), 3 - впускной канал, 4 - конусообразная полость, 5 - мезоразмерная звукопроводящая частица; 6 - акустоструя, формируемая на теневой поверхности мезоразмерной частицы; 7 - выпускной канал.1 - source of ultrasonic waves (piezoelectric transducer, interdigital transducer), 2 - focusing device (acoustic lens, Fresnel zone plate, focusing piezoelectric transducer), 3 - inlet channel, 4 - conical cavity, 5 - mesoscale sound-conducting particle; 6 - acoustostructure formed on the shadow surface of a mesoscale particle; 7 - exhaust channel.

В результате проведенных исследований было обнаружено, что мезоразмерная звукопроводящая частица, например, в форме куба или сферы, или цилиндра, или диска с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0,5 до 0,83, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ. Существует связь между интенсивностью и звуковым давлением: Ι=р²/2ρv где ρ - плотность среды, v - скорость звука (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И. П. Голямина. - М.: «Советская энциклопедия», 1979, страницы 25-26).As a result of the studies, it was found that a mesoscale sound-conducting particle, for example, in the form of a cube or sphere, or cylinder, or disk with a characteristic size of not more than the transverse size of the focusing region and not less than λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used in the medium , with the speed of sound in the particle material relative to the speed of sound in the environment in the range from 0.5 to 0.83, forms at its outer border on the opposite side from the incident radiation of the region with increased radiation intensity and actual sizes of the order of λ / 3-λ / 4 and a length of not more than 10λ. There is a relationship between intensity and sound pressure: Ι = p ² / 2ρv where ρ is the density of the medium, v is the speed of sound (Ultrasound. Small Encyclopedia. Edited by I. P. Golyamin. - M.: Soviet Encyclopedia, 1979 , pages 25-26).

Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) акустического поля с помощью линзовых систем (Борн М., Вольф Э., Основы оптики - М.: Наука, 1970)The diameter of the Airy spot h is determined by the so-called Rayleigh criterion, which sets the concentration limit (focusing) of the acoustic field using lens systems (Born M., Wolf E., Fundamentals of Optics - M .: Nauka, 1970)

$h = 2.44 λ \frac{F}{D},$

h = 2.44 λ \frac{F}{D},

где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.where λ is the radiation wavelength, D is the diameter of the primary mirror or lens, F is the focal length of the focusing device.

Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства.The transverse size of the radiation focusing area increases with an increase in the focal length, wavelength of the radiation used and a decrease in the characteristic size of the focusing device.

Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет область концентрации акустической энергии для идеального фокусирующего устройства: линзы или зеркальной антенны. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.The Airy spot diameter h is an important parameter of the focusing system, which determines the concentration of acoustic energy for an ideal focusing device: a lens or a mirror antenna. The maximum resolution of an ideal lens system cannot exceed λ / 2.

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978).By overcoming the diffraction limit, we mean focusing radiation into a spot with dimensions smaller than that of an Airy spot (Born M., Wolf E. Fundamentals of Optics. - M .: Mir, 1978).

Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); Y.F. Lu, L. Zhang, W.D. Song, Y.W. Zheng, and B.S. Luk^,yanchuk // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B.S. Luk^,yanchuk, Z.B. Wang, W.D. Song, and M.H. Hong, Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning, // Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79(4-6), 747-751 (2004)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.The diffraction limit in optics can be overcome in various ways, for example, using the “photon nanostructure” effect (for example, see A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); YF Lu, L. Zhang, WD Song, YW Zheng, and BS Luk ^, yanchuk // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); BS Luk ^, yanchuk, ZB Wang, WD Song, and MH Hong, Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning, // Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79 (4-6), 747-751 (2004)). A photon stream arises in the region of the shadow surface of dielectric microspherical particles - the so-called near diffraction zone - and is characterized by strong spatial localization and high optical field intensity in the focusing region. It was shown that with a plane wave incident on a spheroidal particle, a spatial resolution of up to one third of the wavelength is achievable, which is below the classical diffraction limit.

Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема (Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356).Thus, a spherical microparticle plays the role of a refractive spherical microlens focusing light radiation within a subwavelength (J. Heinz, A. Zemlyanov, E. Panina. Microparticle in an intense light field. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 p .; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356).

Позднее возможность получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например эллиптических наночастиц (Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Т. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).), многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления (Cesar Mendez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.), дисков (B. S. Luk^,yanchuk, N.I. Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. 9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).), цилиндра-сферы (Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445).Later, the possibility of obtaining photon nanostructures was studied for dielectric axisymmetric bodies, for example, elliptical nanoparticles (Minin I.V., Minin O.V. Quasioptics: modern development trends - Novosibirsk: SGUGiT, 2015 .-- 163 pp .; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).), Multilayer layered heterogeneous microspherical particles with a radial gradient of refractive index (Cesar Mendez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], and t Also hemispheres [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.), disks (BS Luk ^, yanchuk, NI Zheludev, SA Maier, NJ Halas, P. Nordlander, H. Giessenand TC Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. 9, 707-715 (2010); CY. Liu and CC. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).), Cylinder spheres (Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445).

Также было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. (I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu.E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910(2015); Yu.E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, № 4, с. 4-10).It was also found that photonic jets can be formed by asymmetric mesoscale dielectric particles, for example a cube, a truncated ball, a pyramid, a truncated pyramid, a prism, a volume hexagon, etc. (IV Minin and OV Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, IV Minin and O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); IV Minin, OV Minin and Geintz YE Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002 / andp.201500132; Yu.E. Geintz, AA Zemlyanov and EK Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu.E. Geints, AA Zemlyanov and EK Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); I.V. Minin, O.V. Minin. Photonics of isolated dielectric particles arbitrary three-dimensional th form - a new direction of optical information technology // "Bulletin of NSU. Series: Information Technologies ". 2014, No. 4, p. 4-10).

Повышенная интенсивность акустического излучения в области фокусировки и повышенное давление в этой области приводит к направленному движению жидкости в направлении от излучателя, появлению так называемого эффекта «звукового ветра».The increased intensity of acoustic radiation in the focusing area and the increased pressure in this area leads to the directional movement of the liquid in the direction from the emitter, the appearance of the so-called “sound wind” effect.

Звуковой ветер является гидродинамическим эффектом второго порядка, связанным с вязкостью среды, в которой распространяется звук. Ультразвуковой ветер проявляется в виде сильных течений, приводящих к перемешиванию среды. Акустические течения (акустический, звуковой или ультразвуковой ветер) - вихревые течения, возникающие в интенсивном звуковом поле в жидкостях и газах. Природа акустических течений объясняется законом сохранения импульса. Звуковая волна, проходящая через среду, несет в себе импульс, который постепенно передается частицам среды, вызывая их упорядоченное движение.Sound wind is a second-order hydrodynamic effect associated with the viscosity of the medium in which sound propagates. Ultrasonic wind manifests itself in the form of strong currents leading to mixing of the medium. Acoustic flows (acoustic, sonic or ultrasonic wind) are vortex flows arising in an intense sound field in liquids and gases. The nature of acoustic flows is explained by the law of conservation of momentum. A sound wave passing through a medium carries an impulse, which is gradually transmitted to the particles of the medium, causing their ordered movement.

Скорость акустических течений зависит от интенсивности звука и вязкости среды. При относительно малых интенсивностях скорость акустического течения пропорциональна интенсивности ультразвука и квадрату частоты (J. E. Piercy, J. Lamb. Acoustic streaming in liquids // Proc. Roy. Soc., A226, 1164, 43, 1954).The speed of acoustic currents depends on the intensity of sound and the viscosity of the medium. At relatively low intensities, the acoustic flow velocity is proportional to the ultrasound intensity and the square of the frequency (J. E. Piercy, J. Lamb. Acoustic streaming in liquids // Proc. Roy. Soc., A226, 1164, 43, 1954).

При выполнении мезоразмерной звукопроводящей частицы с размерами более поперечных размеров области фокусировки излучения формирующей системы увеличиваются габариты устройства. При характерных размерах мезоразмерной частицы менее λ/2 локальная концентрация акустического поля вблизи поверхности частицы не возникает.When performing a mesoscale sound-conducting particle with dimensions greater than the transverse dimensions of the radiation focusing area of the forming system, the dimensions of the device increase. With the characteristic sizes of the mesoscale particle less than λ / 2, the local concentration of the acoustic field near the particle surface does not occur.

При относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы относительно скорости звука в окружающей среде менее 0,5 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка дифракционного предела и не может быть обеспечен формирующей системой.When the relative speed of sound in the material of the sound-conducting particle relative to the speed of sound in the environment is less than 0.5, the transverse size of the local region of the field concentration becomes of the order of the diffraction limit and cannot be provided by the forming system.

При относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы относительно скорости звука в окружающей среде более 0,83 локальная концентрация акустического поля возникает внутри частицы и не может быть использована для перемещения жидкости в микронасосе.When the relative speed of sound in the material of the sound-conducting particle relative to the speed of sound in the environment is more than 0.83, the local concentration of the acoustic field arises inside the particle and cannot be used to move the fluid in the micropump.

Уменьшение поперечных размеров области фокусировки приводит к одновременному повышению интенсивности акустического поля исследования без повышения интенсивности излучения источника акустического поля.A decrease in the transverse dimensions of the focusing region leads to a simultaneous increase in the intensity of the acoustic field of the study without increasing the radiation intensity of the source of the acoustic field.

Устройство работает следующим образом. Акустический микронасос содержит источник ультразвуковых волн 1 (пьезоэлектрический преобразователь или встречно-штырьевой преобразователь), фокусирующее устройство 2 (акустическая линза, зонная пластина Френеля, фокусирующий пьезоэлектрический преобразователь), впускной канал 3, конусообразную полость 4, мезоразмерную звукопроводящую частицу 5, выпускной канал 7. Источник ультразвуковых волн 1 облучает фокусирующее устройство 2.The device operates as follows. The acoustic micropump contains an ultrasonic wave source 1 (piezoelectric transducer or interdigital transducer), a focusing device 2 (acoustic lens, Fresnel zone plate, focusing piezoelectric transducer), inlet channel 3, conical cavity 4, mesoscale sound-conducting particle 5, exhaust channel 7. The source of ultrasonic waves 1 irradiates the focusing device 2.

В фокальной плоскости фокусирующего устройства 2 установлена мезоразмерная звукопроводящая частица 5. При облучении ее акустическим излучением, на ее теневой поверхности формируется акустоструя 6 - область повышенной концентрации акустической энергии. Формируемая акустоструя 6 размещается на входе выпускного канала 7. Из-за возникающего градиента давления возникает поток жидкости направленный в выпускной канал 7. Для упрощения сопряжения выпускного канала 7 с областью повышенной концентрации акустической энергии 6, конусообразная полость 4 соединена вершиной с выпускном каналом 3, а ее основание направлено в сторону фокусирующего устройства 2. Впускной канал 3 служит для поступления жидкости в конусообразную полость 4.In the focal plane of the focusing device 2, a mesoscale sound-conducting particle 5 is installed. When it is irradiated with acoustic radiation, an acousto-jet 6 is formed on its shadow surface - an area of increased concentration of acoustic energy. The formed acoustic jet 6 is placed at the inlet of the outlet channel 7. Due to the resulting pressure gradient, a fluid flow is directed to the outlet channel 7. To simplify the interface between the outlet channel 7 and the region of increased concentration of acoustic energy 6, the conical cavity 4 is connected by a vertex to the outlet channel 3, and its base is directed towards the focusing device 2. The inlet channel 3 serves for the flow of fluid into the conical cavity 4.

Материал звукопроводящей частицы может быть различным, однородным и композиционным, и зависит от акустических свойств окружающей линзу среды. Например, в воде со скоростью звука с=1480 м/с и с акустическим волновым сопротивлением ρc=1,48 линза может быть выполнена, например, из акрила со скоростью звука в материале с=2670 м/с (относительная скорость звука 1,8) и ρc=3,15 (относительное волновое сопротивление 2,1) или полиамида (относительная скорость звука 1,77) и ρc=2,88 (относительное волновое сопротивление 1,95). Здесь ρ плотность материала.The material of the sound-conducting particle can be different, homogeneous and composite, and depends on the acoustic properties of the environment surrounding the lens. For example, in water with a speed of sound c = 1480 m / s and with an acoustic wave impedance ρc = 1.48, the lens can be made, for example, of acrylic with a speed of sound in a material with = 2670 m / s (relative speed of sound 1.8 ) and ρc = 3.15 (relative wave resistance 2.1) or polyamide (relative speed of sound 1.77) and ρc = 2.88 (relative wave resistance 1.95). Here ρ is the density of the material.

Звукопроводящая мезоразмерная частица может быть выполнена в форме шарика, цилиндра, диска, кубика, усеченного шарика, кругового конуса, пирамиды и т.д., например, (Патент РФ 175684, акустический датчик).The sound-conducting meso-sized particle can be made in the form of a ball, cylinder, disk, cube, truncated ball, circular cone, pyramid, etc., for example, (RF Patent 175684, acoustic sensor).

Сравнение прототипа и предлагаемого устройства производилось на частоте 1 МГц с жидкостной ячейкой из воды при 25°С (скорость звука 1490 м/с) и звукопроводящей частицы из рексолита (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0,645, формы частиц шарик, кубик, усеченный шарик, круговой конус с характерным размером 1,5 λ. Было установлено, что в предлагаемом устройстве достигнута локализация акустического поля, превышающего область фокусировки акустической линзы по прототипу в 3-3,5 раза, что приводит к одновременному повышению интенсивности акустического излучения в области фокусировки микронасоса без повышения интенсивности излучения источника акустического поля в 7-9 раз. С увеличением характерного размера мезоразмерной звукопроводящей частицы интенсивность акустического излучения в области фокуса возрастает еще сильнее.Comparison of the prototype and the proposed device was carried out at a frequency of 1 MHz with a liquid cell from water at 25 ° C (speed of sound 1490 m / s) and a sound-conducting particle made of rexolite (speed of sound 2311 m / s), relative speed of sound 0.645, particle shape ball, cube , truncated ball, circular cone with a characteristic size of 1.5 λ. It was found that in the proposed device, the localization of the acoustic field, exceeding the focus area of the acoustic lens of the prototype by 3-3.5 times, which leads to a simultaneous increase in the intensity of acoustic radiation in the focus area of the micropump without increasing the radiation intensity of the source of the acoustic field in 7-9 time. With an increase in the characteristic size of a mesoscale sound-conducting particle, the intensity of acoustic radiation in the focus region increases even more.

Claims

An acoustic micropump containing an inlet and outlet channels, a cone-shaped cavity connected by a vertex to the outlet channel, a source of ultrasonic waves irradiating a focusing device, focusing ultrasonic radiation at the entrance of the outlet channel, characterized in that a mesoscale sound-conducting particle with a characteristic no larger than the transverse size of the focusing region and no less than λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used in the medium, with with the sound density in the particle material relative to the speed of sound in the environment in the range from 0.5 to 0.83, form at its outer border on the opposite side of the incident radiation a region with increased sound intensity, with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 and a length of not more than 10λ, and place the entrance of the exhaust channel in this area.