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基于体声波谐振器阵列的单粒子操控系统研究

基于体声波谐振器阵列的单粒子操控系统研究

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作者：吴航天津大学

学位级别：硕士

基于微流控平台的粒子操控技术在近年来已成为物理、化学和生物医学领域的重点研究方向,声学操控凭借非接触、低功耗、适用对象范围广等优势,被广泛应用在粒子聚集、细胞筛分、自组装等领域。目前,声学操控存在着对单粒子操控的精确性... 详细信息

基于微流控平台的粒子操控技术在近年来已成为物理、化学和生物医学领域的重点研究方向,声学操控凭借非接触、低功耗、适用对象范围广等优势,被广泛应用在粒子聚集、细胞筛分、自组装等领域。目前,声学操控存在着对单粒子操控的精确性与灵活性不足的局限。基于表面声波技术的声操控通常只能利用驻波场让粒子向波节或波腹方向移动,每次改变粒子位置都需调节多个表面声波器件的频率信号和相位,既难以满足粒子运动的灵活性,也缺乏操作便捷性。针对以上问题,本文设计了一种基于GHz级压电式体声波谐振器的阵列式操控系统,该系统由四个相同的体声波谐振器组成,依靠高频声波产生的声涡流对粒子产生的斯托克斯拖拽力实现粒子的移动。通过各谐振器间的灵活开闭及功率调节相配合,构建多谐振器工作组,实现对单个粒子在二维平面上的精确驱动。这些研究成果为构建功能化的微纳机器人奠定了良好的基础。本文主要研究内容及成果包括:(1)根据压电式体声波谐振器的工作原理及基本结构,结合声学与流体力学理论,构建了二维和三维仿真模型进行有限元分析,探究了涡流尺寸的影响因素及变化特点,并对多谐振器协同工作时的涡流变化规律做仿真研究。(2)参照仿真中的声涡流特点及变化,选取涡流捕获阶段作为操纵粒子运动的基本环节,使斯托克斯拖拽力成为粒子的唯一驱动力。探究单个SiO粒子在不同功率下的捕获距离变化,并设计出阵列系统中液体腔尺寸、谐振器的数量、间距和排布方式等各项参数,并加工制造阵列实物。(3)探究谐振器阵列的操作方式和对粒子操控效果的关联。搭建出完整的粒子操控平台,记录分析SiO粒子运动时的速率变化。并通过谐振器间的开闭配合与功率调节,操控单个SiO粒子完成相应的路径轨迹,从而证明所设计的阵列系统在单粒子操控方面的灵活与精确性。

关键词：声流体镊粒子操控体声波谐振器微纳机器人微涡流

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