声学镊子制造技术

一种包括至少一个前驱波换能器的电声装置，所述电声装置包括：‑压电衬底，‑相反极性的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极布置在所述衬底上并配置成在所述衬底中生成未聚焦的前驱超声表面波，其中，当流体培养基，优选液体培养基，与所述电声装置声学耦合时，所述前驱超声表面波作为体声波传播到所述流体培养基的大部分中并在其中聚焦。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】声学镊子
本专利技术涉及电声装置，该电声装置尤其用于操作尺寸小于10-2m的浸入流体培养基、优选液体培养基中且特别是与流体培养基相比具有更低的密度和/或更软的对象。
技术介绍
纳米尺寸和微米尺寸的对象的选择性操作是各种
(例如细胞生物学、微流体、纳米尺寸和微米尺寸的系统组件)中的复杂操作。可以使用工具(例如镊子或微量移液管)进行操作。然后通过工具的位移来操作对象。这种通常称为“直接接触”方法的操作方法是不理想的，特别是当对象柔软、发粘或甚至易碎时。此外，有可能改变所操作的对象。最后，对象所在的系统中引入该工具可能修改系统的属性。例如，在对象经受电磁场的情况下，引入工具会产生对所述场的干涉。它还会引入一些污染。在系统是包含细胞的生物培养基的情况下，引入工具会修改细胞行为。已经开发了替代的非接触式方法，例如介电泳、磁泳或光泳(也称为“光学镊子”方法)。然而，所有这些技术都有很大的缺陷。例如，介电泳取决于对象的极化率，并且需要在待操作的对象附近安装电极。磁泳需要将标记物移植到对象上。光泳可以与移植一起使用或不与移植一起使用，但是由于该方法固有的显著加热和光毒性而限于非常小的力。已经开发了另一种方法，称为“驻波声泳”，其包括实现在衬底中生成的表面声波(SAW)，用于操作横放或重叠衬底的对象。US7,878,063B1描述了一种电声装置，其包括衬底和衬底上的三对交错式换能器。每对换能器限定用于传播由换能器生成的表面声波的声路。三条声路相交，从而产生用于检测生物物种的中心区域。WO2013/116311A1公开了一种用于操作颗粒的设备，该设备包括一对可变频率交错式换能器和限定在衬底上的通道，该通道不对称地设置在换能器之间。WO2015/134831描述了一种声学设备，其包括：用以生成第一声波的第一交错式换能器装置和用以在相对于第一声波的非平行方向上生成第二声波的第二交错式换能器装置、以及至少部分地由干涉图案限定的操作区域，该干涉图案至少部分地由第一声波和第二声波之间的相互作用形成。文章“用于在微流体通道中对单独的颗粒进行二维操作的快速声学镊子(Fastacoustictweezerforthetwo-dimensionalmanipulationofindividualparticlesinmicrofluidicchannels)”(S.B.Q.Tran,P.MarmottantandP.Thibault,AppliedPhysicsLetters(应用物理学快报),AmericanInstituteofPhysics(美国物理联合会),2012,101,第114103页)描述了一种装置，其包括围绕中心区域以固定间隔设置在衬底上的四个交错式换能器。每个换能器生成驻表面声波。该装置的实施提供了在中心区域中对颗粒的位移。US2013/0047728A1教导了一种设备，其包括用于在感兴趣区域内提供可变超声信号的超声源、以及连接到超声源使得其向超声源提供控制信号的控制器。可变超声信号在感兴趣区域内产生压力场，其形状和/或位置可通过改变输入到超声源的控制信号而改变，使得感兴趣区域内的颗粒将响应于压力场的变化而移动。然而，US2013/0047728A1的设备被配置成生成体声波。因此，其需要大尺寸的部件，这防止在芯片实验室上的任何使用。另外，它不适于生成任何表面声波。所有已知的驻波声泳方法都包括生成用于操作对象的驻声波。然而，这些方法的选择性是有限的。特别地，所有对象都会向波的波节或波腹移动。因此，驻波声泳方法不允许独立于相邻对象而选择性地操作对象。此外，US4,453,242、US2010/0219910、US2009/01114798和文章“由环形叉指换能器生成的表面声波的亚波长聚焦(Subwavelengthfocusingofsurfaceacousticwavesgeneratedbyanannularinterdigitaltransducer)”(V.Laude等,AppliedPhysicsLetters(应用物理学快报),卷92,094104(2008年))教导了用于在布置有电极的衬底中生成在衬底中聚焦的表面声波的装置。
技术实现思路
因此，需要一种电声装置和一种用于操作至少一个对象的方法，其克服现有技术的至少一些缺点。根据第一方面，本专利技术的示例性实施方式涉及一种包括至少一个前驱波换能器的电声装置，所述电声装置包括：-压电衬底，和-相反极性的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极布置在所述衬底上并配置成在所述衬底中生成未聚焦的前驱超声表面波，其中，当流体培养基，优选液体培养基，与所述电声装置声学耦合时，所述前驱超声表面波作为体声波传播到所述流体培养基的大部分中并在其中聚焦。变得聚焦的波(所谓的聚焦超声波)向干涉导致最大波幅的空间点传播。超声波可以聚焦在各向同性衬底和/或各向异性衬底中。图1示意性地示出沿着X方向和Y方向的2D聚焦超声波的振幅5。聚焦超声波包括由如图1中的虚线所示的低振幅的同心环15(通常称为“暗环”)环绕的高振幅的区域10(通常称为“亮点”)。亮点是高辐射压力的区域，而黑圆圈是低辐射压力的区域。因此，一旦其尺寸基本上等于或小于声波的基波波长时，位于黑圆圈上的与被植入的流体培养基相比较不致密且更柔软的对象被如图1中的箭头20所指示的亮点吸引。与根据现有技术的装置(例如进行驻波声泳)相比，本专利技术提供了多个优点。首先，它能够容易地操作比植入它们的流体培养基更不致密且更柔软的对象。因此可以执行例如气泡或软细胞的操作。其次，根据本专利技术的电声装置易于实施，这是因为它可以仅用单一前驱SAW换能器来提供对对象的操作。它也可以用单一低成本供电系统来供电。另外，与现有技术相比，它不需要前驱SAW换能器的任何特定设置，其中必须精确地设置换能器组中的每个换能器，使得由换能器生成的SAW的干涉导致能够进行对象操作的辐射压力场。而且，本专利技术不受关于SAW传播的任何衬底特性的限制。特别地，衬底优选是各向异性的。此外，电声装置可以被调谐到比现有技术的装置更宽范围的对象尺寸。特别地，该装置可以在相同尺寸的对象上施加比光泳装置更大的力而不会破坏它。在本说明书中，表面声波(SAW)被认为具有范围在1MHz和10000MHz之间的频率。术语“表面声波”和“表面超声波”在此认为是等同的。根据本专利技术的第一方面的电声装置还可以呈现以下任选特征中的一个或多个：-流体培养基是液体培养基，优选包括植入溶剂中的对象；-将其中体声波聚焦的聚焦平面与布置有所述第一电极和所述第二电极的衬底表面隔开的距离与所述前驱超声表面波的基波波长的比率大于10，所述距离是垂直于所述衬底表面而测量的；-电声装置包括与所述衬底重叠的支撑件，所述支撑件与其声学耦合并且由至少一种不同于衬底材料的材料制成，使得当所述流体培养基设置在所述支撑件上时，所述体声波在到达所述流体培养基之前在所述支撑件中传播；-支撑件包括堆叠的声学耦合层；-支撑件具有大于前驱超声表面波的基波波长的10倍的沿垂直于衬底的方向所测量的厚度；例如，它大于100μm且小于1000μm；-支撑件包括选自玻璃和聚合物的材料，特别是热塑性塑料，最优选聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，优选地所述支本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包括至少一个前驱波换能器的电声装置，所述电声装置包括：‑压电衬底；和‑相反极性的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极布置在所述衬底上并配置成在所述衬底中生成未聚焦的前驱超声表面波，其中，当流体培养基，优选液体培养基，与所述电声装置声学耦合时，所述前驱超声表面波作为体声波传播到所述流体培养基的大部分中并在其中聚焦。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.24 EP 16305601.31.一种包括至少一个前驱波换能器的电声装置，所述电声装置包括：-压电衬底；和-相反极性的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极布置在所述衬底上并配置成在所述衬底中生成未聚焦的前驱超声表面波，其中，当流体培养基，优选液体培养基，与所述电声装置声学耦合时，所述前驱超声表面波作为体声波传播到所述流体培养基的大部分中并在其中聚焦。2.根据权利要求1所述的电声装置，其中，将所述体声波聚焦的聚焦平面与布置有所述第一电极和所述第二电极的衬底表面隔开的距离与所述前驱超声表面波的基波波长的比率大于10，所述距离是垂直于所述衬底表面而测量的。3.根据权利要求1和2中任一项所述的电声装置，还包括与所述衬底重叠的支撑件，所述支撑件与所述衬底声学耦合并且由不同于衬底材料的至少一种材料制成，使得当所述流体培养基设置在所述支撑件上时，所述体声波在到达所述流体培养基之前在所述支撑件中传播。4.根据权利要求3所述的电声装置，其中，所述支撑件包括堆叠的声学耦合层。5.根据权利要求3和4中任一项所述的电声装置，其中，所述支撑件包括选自玻璃和聚合物的材料，特别是热塑性塑料，最优选聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，优选地所述支撑件包括玻璃。6.根据前述权利要求中任一项所述的电声装置，其中，所述第一电极和所述第二电极包括相应的第一轨道和第二轨道，所述第一轨道和所述第二轨道中的每一个绘制由以下等式限定的线：其中：·R(θ)是所述线的距中心C且相对于方位角θ的极坐标，·是一个自由参数，特别地，为了使第一电极和第二电极的相邻轨道遵循不同的线，设置不同的所述不同的之间的差优选地在3.0和3.3之间，甚至优选地等于π；特别是当电声装置包括第一电极和相应的第二电极的多个轨道时，优选地在每对相邻轨道之间以6.0和6.6之间的增量递增，所述增量优选地等于2π；·μ0(θ)由下式给出：其中z0是所述衬底和所述支撑件之间的界面的高度，zn是所述流体培养基中的焦平面的高度，zi是支撑件包括堆叠的声学耦合层的情况下隔开两个连续层的界面的高度，且i≥1，n>1，在没有堆叠层的情况下，μ0(θ)＝0，·是在下的的求值，其中依赖于Θ如下：·sr(ψ)是在所述衬底的表面平面上的沿传播方向ψ的波慢度，而sz(ψ)是在平面外方向上的波慢度，在i为r或z的方向i上的波慢度从波数ki计算为sr(ψ)＝kr(ψ)/ω:和sz(ψ)＝kz(ψ)/ω，·sr′(ψ)是sr(ψ)相对于传播方向的导数，·α(ψ)是在方向ψ上传播的波相对于相关电场的竖向运动的相位。7.根据前述权利要求中任一项所述的电声装置，其中，所述第一电极和所述第二电极包括多个相应的第一轨道和第二轨道。8.根据前述权利要求中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·里奥德，JL·托马斯，M·波多因，O·布·玛塔尔拉卡兹，
申请(专利权)人：法国国家科研中心，里尔大学，里尔中央理工学校，索邦大学，
类型：发明
国别省市：法国,FR