声波驱动微粒旋转装置制造方法及图纸

技术编号:21271613 阅读:24 留言:0更新日期:2019-06-06 06:52
本发明专利技术公开一种声波驱动微粒旋转装置,其包括基片和声波发生器;其中,基片的正面上开设有呈阿基米德螺旋状的沟槽,声波发生器位于基片的背面,且声波发生器对准沟槽;在力矩的作用下,微粒会在声波场中心的相位奇点上以较高的频率自转,无需使用机械接触力来驱动微粒旋转,避免了对微粒或细胞造成伤害;同时,由于本发明专利技术的结构简单、成本低,易于广泛使用和推广。

Sound-driven Particle Rotation Device

The invention discloses an acoustic wave driving particle rotation device, which comprises a substrate and an acoustic generator; in which an Archimedean spiral groove is arranged on the front of the substrate, the acoustic generator is located on the back of the substrate, and the acoustic generator is aligned with the groove; under the action of a moment, the particles rotate at a higher frequency at the phase singularity of the acoustic field center, without using machinery. The contact force drives the particles to rotate so as to avoid harming the particles or cells. At the same time, the invention has simple structure and low cost, and is easy to be widely used and popularized.

【技术实现步骤摘要】
声波驱动微粒旋转装置
本专利技术涉及一种声波驱动微粒旋转装置。
技术介绍
微操控技术由于其可精确地对微粒进行捕获、移动,因此在众多领域诸如物理学,化学,生物学以及药理学中都有着极其重要的应用。微操控技术操纵微粒方法目前主要分为两大类,其中一类方法是利用机械方法施加接触力于目标物体,机械接触力会对微粒或细胞造成伤害;另一类方法是利用如磁镊、光镊等技术,对于光镊、磁镊和电学方法而言,操纵方式都强烈地依赖于被操纵微粒的光学、磁学或电学性质,光镊、磁镊和电学方法存在着局限性,而在已公开的声学方法中,并没有既不需要对被旋转物体的额外的支撑手段又能够对较小尺度的细胞或微粒进行稳定旋转的方法。可见亟需一种既不对微粒或细胞造成伤害,又具有能广泛使用的驱动微粒旋转装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种声波驱动微粒旋转装置,解决上述现有技术问题中的一个或多个。根据本专利技术的一个方面,提供了一种声波驱动微粒旋转装置,其包括基片和声波发生器;其中,基片的正面上开设有呈阿基米德螺旋状的沟槽,声波发生器位于基片的背面,且声波发生器对准沟槽。这样,声波发生器朝基片发生声波,声波在通过呈阿基米德螺旋状的沟槽后,声波被整形为一阶贝塞尔涡旋场;该整形效果的验证分析过程:在探讨该基片的声波场整形效果时,可将沟槽结构视为近场声束整形的次级源。整体的声波场相当于沟槽的各匝结构作为次级源产生声场的叠加。现给出原点附近区域(R,θ)内声场强度的公式:在极坐标下,参数R(观测点与沟槽中心原点的距离)和参数θ(观测点的角度)被用来标定被观测点,在此公式中,A0是一个常数,r是将沟槽微分为一个个次级源时,各个次级源和结构中原点之间的距离。和是R方向和r方向的单位向量,kr和kz分别是r方向上(径向)和z方向上的波数,在径向上,沟槽结构重复的周期是g,所以现将沟槽的公式代入其中,现在我们仅讨论结构逆时针旋转的情况,所以正负号取正。沿着沟槽对该式积分可得:很容易看出沟槽中心原点周围的声波场的波形符合一阶贝塞尔束的形式。其声波场确为同心圆状,并在沟槽中心原点的极小值点上沿方位角有着2π的相位变化。透射的声波场的横截面呈现一环一环的同心圆结构,并且声波场正中心的声压力值为零。在基片的整形下,目标平面的声波场强度有着明显的强弱分布,声波场呈同心圆环,而在声波场的中心(即沟槽中心原点)则有着一个场强明显较弱的区域。在具体应用时,将例如细胞等微粒放入到沟槽中间位置。对于声吸收系数较大的微粒(例如细胞)来说,其在声辐射力的作用下会被束缚在声场较弱的位置,所以当微粒在圆心周围时便会被声波场压倒场强较弱的区域去,而这一区域正好在声波场的中心(即沟槽中心原点),且有着2π的相位变化。对于具有声吸收系数的物体来说,这样的相位变化也就意味着物体会感受到力矩的作用。在力矩的作用下,微粒会在声波场中心的相位奇点上以较高的频率自转。而相位奇点周围的强环在这时也能够提供束缚的效果,为微粒的高频稳定自转提供了条件。这样,无需使用机械接触力来驱动微粒旋转,避免了对微粒或细胞造成伤害;同时,由于本专利技术的结构简单、成本低,易于广泛使用和推广。在一些实施方式中,基片为硅片。这样,由于硅具有化学性能稳定和不易变形的特点,从而使得基片具有更稳定状态,不易发生变形。在一些实施方式中,还包括照明系统和成像观察系统,其中,照明系统设置成用于照射沟槽的中心,成像观察系统设置成对准沟槽的中心。这样,通过使用照明系统为沟槽的中心提供照明光源,同时利用成像观察系统放大和观测沟槽的中心,可以直观地观察微粒的转动情况,为使用者带来便利。在一些实施方式中,照明系统包括汞灯、第一透镜和物镜,其中,汞灯设置于沟槽的上方,物镜对准沟槽的中心,第一透镜设置于汞灯和沟槽之间。这样,通过汞灯照射沟槽的中心,汞灯的光线通过第一透镜和物镜汇集到沟槽的中心,使得亮度更佳。在一些实施方式中,成像观察系统包括CCD相机、第一分光镜、第二透镜、第二分光镜和目镜,其中,第一分光镜的反光面对准物镜和第二分光镜的进光面,第二透镜设置在第一分光镜和第二分光镜之间,CCD相机对准第二分光镜的第一分光面,目镜对准第二分光镜的第二分光面。这样,使用者既可以通过目镜来观察,还可以利用CCD相机对微粒的转速进行观测,在很短的时间里便能得到微粒的转动角加速度、速度等信息,进而得到微粒的密度、体积、声吸收系数等物理参数信息,我们将该专利技术运用于生物细胞分析,可对生物细胞的活性以及形貌进行分选,在临床上用于一些疾病的辅助诊断。附图说明图1为本专利技术一种实施方式的声波驱动微粒旋转装置的示意图;图2为图1所示的声波驱动微粒旋转装置的基片的示意图;图3为图2所示基片的剖面视图。附图标号:1-基片、11-沟槽、2-声波发生器、3-微粒具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1至图3示意性的显示了本专利技术一种实施方式的声波驱动微粒旋转装置的结构。如图1、图2和图3所示,该声波驱动微粒旋转装置包括基片1和声波发生器2;其中,基片1的正面上开设有呈阿基米德螺旋状的沟槽11,声波发生器2位于基片1的背面,且声波发生器2对准沟槽11。具体而言,在本实施例中,基片1为硅片,这样,由于硅具有化学性能稳定和不易变形的特点,从而使得基片1具有更稳定状态,不易发生变形。在其他实施方式中,还可以根据实际情况对基片1的材料进行适宜性调整;更加具体地,沟槽11的轨迹方程为:(±由角速度的方向决定),在公式中,r0是一个常数,代表了螺旋线的初始半径,而g代表了相邻螺旋线之间的距离。φ是方位角(φ由0到2mπ,m是螺旋线的圈数),随着φ的增加,沟槽11便逐渐远离中心点形成螺旋线。沟槽11的宽度为w,深度为h,硅片的厚度为t。各个参数需要满足一定的条件,r0/g=2/3,r0/w=2。在本实施例中,声波发生器2的具体类型为超声换能器。在基片1上使用深硅刻蚀工艺来蚀刻出呈阿基米德螺旋状的沟槽11。本专利技术的工作过程:声波发生器2朝基片1发生声波,声波在通过呈阿基米德螺旋状的沟槽11后,声波被整形为一阶贝塞尔涡旋场;该整形效果的验证分析过程:在探讨该基片1的声波场整形效果时,可将沟槽11结构视为近场声束整形的次级源。整体的声波场相当于沟槽11的各匝结构作为次级源产生声场的叠加。现给出原点附近区域(R,θ)内声场强度的公式:在极坐标下,参数R(观测点与沟槽11中心原点的距离)和参数θ(观测点的角度)被用来标定被观测点,在此公式中,A0是一个常数,r是将沟槽11微分为一个个次级源时,各个次级源和结构中原点之间的距离。和是R方向和r方向的单位向量,kr和kz分别是r方向上(即沟槽11的径向)和z方向(如图3所示)上的波数,在径向上,沟槽11重复的周期是g,所以现将沟槽11的公式代入其中,现在我们仅讨论结构逆时针旋转的情况,所以正负号取正。沿着沟槽11对该式积分可得:很容易看出沟槽11中心原点周围的声波场的波形符合一阶贝塞尔束的形式。其声波场确为同心圆状,并在沟槽11中心原点的极小值点上沿方位角有着2π的相位变化。透射的声波场的横截面呈现一环一环的同心圆结构,并且声波场正中心的声压力值为零。在基片1的整形下,目标平面的声波场强度有着明显的强弱分布,声波场呈同心圆环,而在声波场的中心(即沟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.声波驱动微粒旋转装置,其特征在于,包括基片和声波发生器;其中,所述基片的正面上开设有呈阿基米德螺旋状的沟槽,所述声波发生器位于基片的背面,且声波发生器对准所述沟槽。

【技术特征摘要】
1.声波驱动微粒旋转装置,其特征在于,包括基片和声波发生器;其中,所述基片的正面上开设有呈阿基米德螺旋状的沟槽,所述声波发生器位于基片的背面,且声波发生器对准所述沟槽。2.根据权利要求1所述的声波驱动微粒旋转装置,其特征在于,所述基片为硅片。3.根据权利要求1所述的声波驱动微粒旋转装置,其特征在于,还包括照明系统和成像观察系统,其中,所述照明系统设置成用于照射所述沟槽的中心,所述成像观察系统设置成对准所述沟槽的中心。4.根据权利要求3所述的声波驱动微粒旋转装置,其特...

【专利技术属性】
技术研发人员:李锋张若钦陆久阳郭红莲
申请(专利权)人:华南理工大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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