一种基于声表面波的微构件非接触式操控装置及方法
阅读说明：本技术 一种基于声表面波的微构件非接触式操控装置及方法 (Micro-component non-contact control device and method based on surface acoustic waves ) 是由 汪延成 盘何旻 梅德庆 许诚瑶 翁婉玉 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于声表面波的微构件非接触式操控装置及方法。装置包括铌酸锂晶片、波导基底、操控腔室和八个叉指电极,操控腔室的底面粘贴有波导基底,粘贴有波导基底的操控腔室固定安装在铌酸锂晶片的中心,微构件放置在操控腔室中,铌酸锂晶片上沿着操控腔室侧面依次固定安装有八个叉指电极,每一个叉指电极均与外部的信号发生器的输出通道相连,每一个叉指电极与其下方的铌酸锂晶片均构成一个声表面波叉指换能器。方法用于实施装置的非接触式操控。本发明能实现多种模式下的微构件可控非接触平移、组装以及旋转的精准调控,具有操作简便、可控性强、设备简单、非接触以及精度高等特点。(The invention discloses a micro-component non-contact control device and method based on surface acoustic waves. The device comprises a lithium niobate wafer, a waveguide substrate, a control chamber and eight interdigital electrodes, wherein the waveguide substrate is pasted on the bottom surface of the control chamber, the control chamber pasted with the waveguide substrate is fixedly arranged at the center of the lithium niobate wafer, a micro-component is placed in the control chamber, the eight interdigital electrodes are sequentially and fixedly arranged on the lithium niobate wafer along the side surface of the control chamber, each interdigital electrode is connected with an output channel of an external signal generator, and each interdigital electrode and the lithium niobate wafer below the interdigital electrode form a surface acoustic wave interdigital transducer. The method is used for implementing contactless manipulation of a device. The invention can realize the controllable non-contact translation, assembly and accurate regulation and control of rotation of the micro-component in various modes, and has the characteristics of simple and convenient operation, strong controllability, simple equipment, non-contact, high precision and the like.)
技术领域
本发明涉及微机械构件领域的一种微构件非接触式操控装置及方法，尤其是涉及了一种基于声表面波的微构件非接触式操控装置及方法。
背景技术
尺寸在毫米级和微米级的微机械构件因其在医学和生物化学领域独有的应用场景而成为近年来在药物递送、化学分析以及微创手术等研究领域的热点之一。其中通过3D打印工艺制造的微构件的尺寸足够小且表面具有生物相容性，它们在生物医学中的用途广泛，能够通过装载药物颗粒、生物试剂和活细胞等来实现精准的货物输运，也可作为一种小尺寸的手术工具用于外科手术治疗疾病，同时还能检测生物体中的金属离子等物质以做好疾病初期的诊断。
驱动机制是微构件能够得以应用的基础。在毫米级以及微米级尺度内，微构件的移动受到流体介质的低雷诺数条件和布朗运动这两种主要因素的影响，因此它的运动必须要考虑环境效应，因此需要为其提供足够的动力来克服环境阻力。目前国内外学者主要是通过引发化学反应或在电场、磁场和光场等外部场来对微构件进行驱动，但是上述方法存在需要微构件内部含有化学反应所需的化学特性、电学特性、磁学特性以及光学特性等。但是在生物医学领域，细胞以及药物在大多数情况下很少具备统一的化学特性，并且不具备明显的光电磁学特性，高强度的光场和电磁场也易灼伤生物细胞从而影响其生物活性。
声表面波驱动技术是一种非接触式操纵技术，通过在空间内形成超声能场，使操控区域内的物体受到声辐射力的作用向超声能场的传播方向运动并在作用区域的边界处保持最终稳定。由于声辐射力始终指向压力梯度减小的方向，而压力梯度场的分布规律由超声能场决定，因此可以实现微尺寸物体的精准线性运动以及旋转运动，并且对被操纵物体的形状及物理性质没有特定要求，非常适用于微构件的非接触精准驱动与操控。
发明内容
为了解决微构件的精准驱动问题，利用声表面波对微尺寸物体的作用力，本发明提出了一种基于声表面波的微构件非接触式操控装置及方法。高频的声表面波在操控腔室的一定范围内形成声压场，从而产生压力梯度力用于推动位于该作用域内的微构件进行移动，从而完成微构件的平移与微组装，将完成组装的微构件通过调控对向布置的叉指换能器的开启组合，形成不同方向的声压场从而完成微构件的旋转操控。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一、一种基于声表面波的微构件非接触式操控装置
装置包括铌酸锂晶片、操控腔室、波导基底和八个叉指电极；
操控腔室的底面粘贴有波导基底，粘贴有波导基底的操控腔室固定安装在铌酸锂晶片的中心，微构件放置在操控腔室中，铌酸锂晶片上沿着操控腔室侧面依次固定安装有八个叉指电极，八个叉指电极的电极开口端分别与操控腔室的各个侧面正对放置，每一个叉指电极均与外部的信号发生器的输出通道相连，每一个叉指电极与其下方的铌酸锂晶片均构成一个声表面波叉指换能器；外部的信号发生器施加电信号后，每一个声表面波叉指换能器发出声表面波的方向沿铌酸锂晶片的径向分布，声表面波驱动操控腔室中的微构件进行微构件的非接触式平移或旋转，实现微构件的组装。
所述的操控腔室为一个正八边形腔室，八个叉指电极的电极开口端分别与操控腔室的八个侧面正对；操控腔室底部的波导基底也为正八边形，大小与操控腔室的大小相同。
所述的信号发生器向叉指电极施加所需频率和幅值的电信号，当前叉指电极作为声表面波源向操控腔室内部发出对应幅值和频率的声表面波，对操控腔室中处于当前叉指电极操控范围内的微构件施加一个沿声波传播方向的推力，将微构件俘获至声压节点处并沿声波传播方向移动。
所述八个叉指电极分别为一号叉指电极、二号叉指电极、三号叉指电极、四号叉指电极、五号叉指电极、六号叉指电极、七号叉指电极和八号叉指电极，按一号叉指电极-八号叉指电极的顺序以逆时针方向在操控腔室的侧面均匀布置。
二、一种基于声表面波的微构件非接触式操控方法
方法包括以下步骤：
步骤1：首先在预聚物溶液中加入磁性功能介质，通过3D打印技术制造具有磁性的微构件，微构件包括头部微构件、身体微构件以及尾部微构件，接着将头部微构件、身体微构件以及尾部微构件依次放置于操控腔室中，然后向操控腔室内注入去离子水用于传递声能；
步骤2：启动三号叉指电极连接的信号发生器，向三号叉指电极施加电信号，使三号叉指电极所对应的声表面波叉指换能器在铌酸锂晶片上产生声表面波并向操控腔室内激发，在操控腔室中形成方向为从三号叉指电极所在的操控腔室的侧边界至操控腔室中心的三号声表面波覆盖域，位于三号声表面波覆盖域的身体微构件和尾部微构件受到声波推力后沿着声波传播方向移动，最终移动至三号声表面波覆盖域的声压节点处且位于操控腔室中心位置，并在声压节点的作用下使身体微构件和尾部微构件的中心轴线均与操控腔室的中心轴线对齐；
步骤3：关闭三号叉指电极连接的信号发生器，并启动七号叉指电极连接的信号发生器，位于七号声表面波覆盖域的头部微构件受到声波推力后沿着声波传播方向移动，最终移动至七号声表面波覆盖域的声压节点处且位于操控腔室中心位置，头部微构件的中心轴线与步骤2中移动的身体零件和尾部零件的中心轴线对齐；
关闭七号叉指电极连接的信号发生器，启动一号叉指电极连接的信号发生器，位于一号声表面波覆盖域的头部微构件受到声波推力后沿着声波传播方向移动，最终移动至一号声表面波覆盖域的声压节点处与身体微构件完成微组装；
关闭一号叉指电极连接的信号发生器，启动五号叉指电极连接的信号发生器，位于五号声表面波覆盖域的尾部微构件受到声波推力后沿声波传播方向移动，最终移动至五号声表面波覆盖域的声压节点处与身体微构件完成微组装，从而完成微构件的非接触平移与组装；
步骤4：完成平移与微组装的微构件通过不同叉指电极的开闭组合来实现旋转调控。
所述步骤4中不同叉指电极的开闭组合实现微构件的45°、90°、135°以及180°的位姿旋转调控。
本发明具有的有益效果是：
1)本发明利用所发明的叉指换能器阵列在不同的开启模式下产生不同的声表面波场作用区域和作用方向，可以实现操控腔室内的微构件的精准平移以及旋转精确操控；
2)本发明所用设备简单、操作简便，可非接触式地精准操控微构件，且对被操控对象的物理化学性质无特定要求；
3)本发明具有易与其他微流控技术结合、能耗低的特点。
总述，本发明能实现微构件的非接触式零件精准装配以及旋转精确操控，具有操作简便、可控性强、设备简单、非接触式、精度高等特点。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是本发明的装置结构俯视图；
图3是实施例启动三号叉指电极驱动身体微构件平移并与尾部微构件中心线对齐的示意图；
图4是实施例启动七号叉指电极驱动头部微构件平移并与其余微构件中心线对齐的示意图；
图5是实施例启动一号叉指电极驱动头部微构件与身体微构件进行微组装的示意图；
图6是实施例启动五号叉指电极驱动尾部微构件与身体微构件进行微组装的示意图；
图7是实施例完成微构件组装过程的示意图；
图8是实施例启动四号叉指电极和八号叉指电极实现组装微构件45°精确旋转的示意图；
图9是实施例启动一号叉指电极和五号叉指电极实现组装微构件90°精确旋转的示意图；
图10是实施例启动二号叉指电极和六号叉指电极实现组装微构件135°精确旋转的示意图；
图11是实施例启动三号叉指电极和七号叉指电极实现组装微构件180°精确旋转的示意图。
图中：1、铌酸锂晶片，2、操控腔室，3、波导基底，4、一号叉指电极，5、二号叉指电极，6、三号叉指电极，7、四号叉指电极，8、五号叉指电极，9、六号叉指电极，10、七号叉指电极，11、八号叉指电极，12、头部微构件，13、身体微构件，14、尾部微构件，15、声表面波。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1和图2所示，装置包括铌酸锂晶片1、操控腔室2、波导基底3和八个叉指电极；
操控腔室2的底面粘贴有波导基底3，粘贴有波导基底3的操控腔室2固定安装在铌酸锂晶片1的中心，即波导基底3粘贴在铌酸锂晶片1的中心，，通过3D打印制造工艺使微构件带有磁性，微构件放置在操控腔室2中，铌酸锂晶片1上沿着操控腔室2侧面依次固定安装有八个叉指电极，八个叉指电极的电极开口端分别与操控腔室2的各个侧面正对放置，每一个叉指电极均与外部的信号发生器的输出通道相连，每一个叉指电极与其下方的铌酸锂晶片1均构成一个声表面波叉指换能器；外部的信号发生器施加电信号后，每一个声表面波叉指换能器发出声表面波15的方向沿铌酸锂晶片1的径向分布，声表面波15驱动操控腔室2中的微构件进行微构件的非接触式平移或旋转，实现微构件的组装。
操控腔室2为一个正八边形腔室，八个叉指电极的电极开口端分别与操控腔室2的八个侧面正对；操控腔室2底部的波导基底3也为正八边形，大小与操控腔室2的大小相同，波导基底3用于传导声表面波15并吸收一部分声能，从而将单个叉指电极的操控范围限制在操控腔室2对应侧面到操控腔室2的中心。
信号发生器向叉指电极施加所需频率和幅值的电信号，当前叉指电极作为声表面波源向操控腔室2内部发出对应幅值和频率的声表面波15，对操控腔室2中处于当前叉指电极操控范围内的微构件施加一个沿声波传播方向的推力，将微构件俘获至声压节点处并沿声波传播方向移动。
八个叉指电极分别为一号叉指电极4、二号叉指电极5、三号叉指电极6、四号叉指电极7、五号叉指电极8、六号叉指电极9、七号叉指电极10和八号叉指电极11，按一号叉指电极4-八号叉指电极11的顺序以逆时针方向在操控腔室2的侧面均匀布置。
方法包括以下步骤：
步骤1：首先在预聚物溶液中加入磁性功能介质，通过3D打印技术制造具有磁性的微构件用于后续的微构件组装，微构件包括头部微构件12、身体微构件13以及尾部微构件14，接着将头部微构件12、身体微构件13以及尾部微构件14分别依次放置于操控腔室2中靠近七号叉指电极10、三号叉指电极6以及三号叉指电极6和四号叉指电极7之间的位置，然后向操控腔室2内注入去离子水用于传递声能；
步骤2：如图3所示，启动三号叉指电极6连接的信号发生器，向三号叉指电极6施加电信号，使三号叉指电极6所对应的声表面波叉指换能器在铌酸锂晶片1上产生声表面波15并向操控腔室2内激发，在操控腔室2中形成方向为从三号叉指电极6所在的操控腔室2的三号侧边界至操控腔室2中心的三号声表面波覆盖域，位于三号声表面波覆盖域的身体微构件13和尾部微构件14受到声波推力后沿着声波传播方向移动，最终移动至三号声表面波覆盖域的声压节点处且位于操控腔室2中心位置，其中声波在传输过程中存在能量的损耗，能量在传播至操控腔室10中心位置时达到推动微构件的声场力临界值，并且操控腔室10中心位置为声表面波覆盖域的声压节点的波谷位置。在实际的实施过程中可以通过调控微构件的重量来控制临界位置。并在条纹状声压节点的作用下使身体微构件13和尾部微构件14的中心轴线均与操控腔室2的中心轴线对齐；
步骤3：如图4所示，关闭三号叉指电极6连接的信号发生器，启动七号叉指电极10连接的信号发生器，位于七号声表面波覆盖域的头部微构件12受到声波推力后沿着声波传播方向移动，最终移动至七号声表面波覆盖域的声压节点处且位于操控腔室2中心位置，头部微构件12的中心轴线与步骤2中移动的身体零件13和尾部零件14的中心轴线对齐；
如图5所示，关闭七号叉指电极10连接的信号发生器，启动一号叉指电极4连接的信号发生器，位于一号声表面波覆盖域的头部微构件12受到声波推力移动后沿着声波传播方向移动，最终移动至一号声表面波覆盖域的声压节点处，并由头部微构件12的磁性产生的吸引力使之与身体微构件13完成微组装；
如图6所示，关闭一号叉指电极4连接的信号发生器，启动五号叉指电极8连接的信号发生器，位于五号声表面波覆盖域的尾部微构件14受到声波推力移动后沿着声波传播方向移动，最终移动至五号声表面波覆盖域的声压节点处，由尾部微构件14的磁性产生的吸引力使之与身体微构件13完成微组装，从而完成微构件的非接触平移与组装，如图7所示；
步骤4：完成平移与微组装的微构件通过不同叉指电极的开闭组合来实现旋转调控。通过启动对向布置的四号叉指电极7和八号叉指电极11连接的信号发生器，所对应的叉指换能器在铌酸锂晶片1上产生声表面波并向操控腔室2内激发，形成斜向45°分布的声压力场，从而驱动微构件旋转至声压力场中声势能最低的位置，完成45°逆时针旋转，如图8所示。
依次启动信号发生器开启对向布置的一号叉指电极4和五号叉指电极8、二号叉指电极5和六号叉指电极9以及三号叉指电极6和七号叉指电极10，使得所对应的叉指换能器在铌酸锂晶片1上产生声表面波并向操控腔室2内激发，分别形成不同方向分布的声压力场，并依次实现组装微构件的90°、135°以及180°的逆时针旋转，如图9、图10和图11所示，因此基于上述原理可以实现微构件在平面内的非接触式精准平移与旋转操控。
由实施例可见，本发明实现了基于声表面波的微构件非接触式平移及旋转操控装置及方法，其操作简便，能耗低，适用范围广。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种射频声表面波滤波器