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基于二维声子晶体板共振声场的微粒操控

物理学报 2023年第14期72卷 131-136页

作者：王燕萍蔡飞燕李飞张汝钧李永川王金萍张欣郑海荣广东工业大学物理与光电工程学院广州510006 中国科学院深圳先进技术研究院劳特伯生物医学成像研究中心深圳518055

声波可以非接触、无损伤地操控微粒,其在细胞操纵、材料组装等领域具有广阔的应用前景.然而,如何高通量、灵活且快速操控微粒仍然面临挑战.在本工作中,利用二维声子晶体板的周期局域梯度场实现了大规模微粒的并行操控.其主要机制是由于... 详细信息

声波可以非接触、无损伤地操控微粒,其在细胞操纵、材料组装等领域具有广阔的应用前景.然而,如何高通量、灵活且快速操控微粒仍然面临挑战.在本工作中,利用二维声子晶体板的周期局域梯度场实现了大规模微粒的并行操控.其主要机制是由于黄铜平板刻蚀周期分布的正方体凸起构成的二维声子晶体板可激发板子固有的Lamb波零阶反对称模式;其周期局域梯度场在平行于声子晶体板表面为驻波声场、在垂直于声子晶体板表面为局域梯度声场;该周期分布的局域声场可以对微粒产生平行于表面的声停驻力、垂直于表面的声吸引力.我们进一步构建了操控实验装置,利用压电陶瓷片激励二维声子晶体板,在实验中观察到了玻璃微球的捕获和排列现象,实现了大规模微粒的二维排列操控.该工作为高通量、快速、灵活操控微粒和细胞等提供了物理基础和技术支持.

关键词：声子晶体声辐射力微粒操控

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基于声波的微粒操控型微流控芯片仿真分析

传感技术学报 2018年第8期31卷 1147-1152页

作者：朱叶子刘慧琴舒溪国世上武汉大学物理科学与技术学院人工微纳结构教育部重点实验室武汉430072

利用有限元仿真软件COMSOL,对基于声表面行波(tsaw)粒子分选芯片及体声波(baw)粒子富集芯片进行了分析并加以实验验证。在仿真软件中分别模拟声表面行波粒子分选芯片的声波传播、声场形成、粒子轨迹以及体声波粒子富集芯片的声场形成、... 详细信息

利用有限元仿真软件COMSOL,对基于声表面行波(tsaw)粒子分选芯片及体声波(baw)粒子富集芯片进行了分析并加以实验验证。在仿真软件中分别模拟声表面行波粒子分选芯片的声波传播、声场形成、粒子轨迹以及体声波粒子富集芯片的声场形成、粒子轨迹,分析其运作机理,对肉眼不可见的声波、声场分布做出可视化效果。实验结果说明这两种芯片基于不同原理,都可对微米级的硅球完成可控的操作,并对于后续的器件创新和优化打下基础。

关键词：微流控微粒操控有限元仿真声表面行波(tsaw) 体声波(baw)

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基于声学超材料的声镊微粒操控研究

基于声学超材料的声镊微粒操控研究

作者：周玉芳湖南大学

学位级别：硕士

声镊凭借着良好的生物相容性优势而受到越来越多的关注,在细胞分离、微物体的三维旋转、细胞间通讯连接以及微型机器人自主推进等领域得到了广泛应用。然而,目前声镊主要是基于传统波导的结构设计,这导致声波在传播过程中难以形成复杂... 详细信息

声镊凭借着良好的生物相容性优势而受到越来越多的关注,在细胞分离、微物体的三维旋转、细胞间通讯连接以及微型机器人自主推进等领域得到了广泛应用。然而,目前声镊主要是基于传统波导的结构设计,这导致声波在传播过程中难以形成复杂稳定的声场,因而无法满足微粒多样化操控需求。其中,声学超材料能有效调控声波传播,产生多样性的稳定声场。因此,将声学超材料结构引入到声镊技术中,可以显著提高声镊的声场调控能力,丰富声镊的应用场景。本文提出基于亥姆霍兹共振腔结构的亚波长声学超材料声镊,对声学超材料的声场调控特性及其在声镊的微粒分离、三维空间操控和自主推进研究领域进行了仿真分析。论文完成的主要研究工作包括:(1)针对声镊难以实现低频声波调控问题,将亚波长声学超材料结构引入到声镊设计中,设计了一种基于亥姆霍兹共振腔结构的声学超材料声镊模型,可用于微粒的非接触分离捕获操控。首先,通过对声学超材料的能带结构计算,验证了其降频作用。接着,利用数值仿真分析声流和微粒运动时的受力情况,计算相同半径但不同密度的微粒在共振腔中的声辐射力分布,依据微粒的不同声学对比系数,成功实现了微粒分离与捕获。(2)提出了一种基于亥姆霍兹共振腔结构的微流模式可切换的多功能声镊,实现微粒的多模式操控。通过采用亥姆霍兹共振腔代替传统侧壁微腔,使得驱动气泡振荡的共振频率相较于侧壁气泡降低了2至3个数量级。接着分析了流场中的微流可以随着入射频率的变化能灵活地切换其振荡模式,通过这些振荡模式,实现了微粒的运输、捕获、平面内外旋转以及圆周旋转。(3)对于圆柱型微机器人气泡寿命短和高频驱动问题,设计了基于亥姆霍兹共振腔的声学超材料微机器人。模型基于球形亥姆霍兹共振腔的结构设计具有声学超材料的鲁棒性质,使得微机器人内部气泡在声波驱动下能够长时间保持稳定。研究计算了气泡驱动共振频率,得出频率与孔径关系,依据这一关系,对微机器人结构进行了优化,实现了微机器人的转弯、旋转运动以及微粒牵引运动。本文深入研究了亚波长声学超材料结合声镊在声场调控和微粒操控方面的应用,设计了基于亥姆霍兹共振腔结构的亚波长声学超材料声镊,并实现了声镊在微粒分离、三维空间操控以及微机器人领域的应用。因此,论文研究成果丰富了声镊在基于频率的可切换、可重复操作以及微粒非接触操控的研究,为生物医疗领域声镊技术的应用提供重要支持。

关键词：声学超材料声镊亥姆霍兹共振腔气泡驱动微机器人微粒操控

基于压电声子晶体调制声场的微粒操控及流体传感研究

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基于压电声子晶体调制声场的微粒操控及流体传感研究

作者：王俊吉首大学

学位级别：硕士

微粒操控与流体传感是近年来备受关注的研究领域,在生物医学、材料科学以及微纳技术等多个领域具有广泛的应用前景。随着科技的快速发展,对微粒操控的精度和效率提出了更高要求,同时也需要实现对流体样品的高灵敏度检测。而利用声波操... 详细信息

微粒操控与流体传感是近年来备受关注的研究领域,在生物医学、材料科学以及微纳技术等多个领域具有广泛的应用前景。随着科技的快速发展,对微粒操控的精度和效率提出了更高要求,同时也需要实现对流体样品的高灵敏度检测。而利用声波操控微粒及流体传感的方法具备无需标记、低功耗、生物兼容性好及易于与其它微流控器件集成等优点。因此,本论文通过调控与优化声场,实现微粒操控精度和流体传感灵敏度的提高。本论文系统深入地研究了压电声子晶体结构的共振声场的物理性质,并利用该局域声场实现了微粒的操控以及微量流体的高灵敏度传感。本论文的具体研究工作如下:首先,提出一种基于压电声子晶体板波声场的微粒操控技术。通过设计压电板的厚度、电极宽度和周期制备压电声子晶体,该压电声子晶体可以激励A0模式Lamb波和周期共振波,其分别形成的声场是周期梯度声场和弱梯度声场。当压电声子晶体激励A0模式Lamb波,微粒受到周期捕获力;当压电声子晶体激励周期共振波,微粒受到周期悬浮力;实现了微粒周期捕获、悬浮等多种模式的灵活操控。该压电声子晶体板整合了换能器与声人工结构,为研究高精度、低能耗、紧凑型声镊技术提供了物理基础和实验验证。其次,提出一种基于压电声子晶体产生的驻波Lamb波的压力节点或反节点平移,对远小于波长的微粒进行精确平移的方法。本研究在压电板上使用两个周期性的电极排列来构造压电声子晶体板。在压电声子晶体板的共振频率下,激发并传播了一对固有的非泄漏A0模式Lamb波。这对波在这两个周期性的电极排列之间形成了一个高度局域化的驻波Lamb波场。通过调整两端声场的相位,可以定量地调整压电声子晶体板引起的驻波Lamb波的压力节点位置。因此,通过声辐射力捕获并排列在压力节点处的微粒可以被移动。此方法为实现亚波长微粒的动态操控开辟了一条道路。最后,提出一种基于压电声子晶体板的紧凑型液体传感器。首先系统地分析了不同情况下在压电声子晶体板系统中激发的共振声场模式,并将其优化用于液体传感器的制备。实验样品制备完成后,利用阻抗分析仪测量了其阻抗与频率的关系,结果与理论计算基本一致。接着对该传感器性能进行定量研究,结果表明,共振峰对压电声子晶体板表面液体的密度和声速都非常敏感,因此可将压电声子晶体板用作传感器来确定密度或与液体混合物中组分浓度相关的参数。该传感器能与实验室芯片设备集成,用于多种微流体传感应用。

关键词：压电声子晶体声辐射力声镊微粒操控液体传感器

可拉伸介电电泳技术及其用于生物微粒操控技术研究

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可拉伸介电电泳技术及其用于生物微粒操控技术研究

作者：易成强武汉理工大学

学位级别：硕士

生物微粒的分离与操控技术在生物制药,疾病预防,临床医疗,环境监测等领域有着非常重要的用途。介电电泳技术作为一种微观粒子操控方法,因有着非倾入性和无需标记的优点在近二十年里被广泛的研究。然而,介电电泳技术也存在着一些弊端亟... 详细信息

生物微粒的分离与操控技术在生物制药,疾病预防,临床医疗,环境监测等领域有着非常重要的用途。介电电泳技术作为一种微观粒子操控方法,因有着非倾入性和无需标记的优点在近二十年里被广泛的研究。然而,介电电泳技术也存在着一些弊端亟待解决,主要是在针对多种不同的微观粒子分离时候需要设计不同结构的电极,使得介电电泳芯片的制作过程复杂。为了能够解决介电电泳技术在应用中的这一不足,本文在研究中提出了柔性可拉伸介电电泳这一概念,旨在通过机械拉伸作用来改变电极的结构外形以满足不同的操控条件,使得介电电泳操控技术能够得到更加普适性的应用。柔性可拉伸介电电泳技术即通过微机械加工的方法,在特定的溅射条件下于柔性基底材料PDMS上溅射Ti/Au金属膜电极,使电极能够在外力拉伸过程中结构改变的情况下仍然具有良好的拉伸性能(同轴拉伸应变高达120%)和电学导通性能(在同轴拉伸应变为100%时候的电学阻抗为40k?,电极长宽高尺寸分别为15mm/2mm/50nm)。电极的结构改变能够满足在不同的条件下的介电电泳颗粒操控条件,从而实现对不同物理特性(大小,外形,介电常数,电导率)的微粒的操控。本文首先从介电电泳的基本原理入手,介绍了介电电泳力的计算过程,柔性可拉伸介电电泳技术中的柔性电极和可拉伸微裂纹电极基础。其次介绍了实验中柔性可拉伸介电电泳芯片加工的工艺过程,利用COMSOL Multiphysics软件对可拉伸介电电泳芯片在拉伸过程中的电场变化做了数值模拟,并对多物理场中的微观粒子的受力情况做出分析,最后介绍了在柔性可拉伸介电电泳芯片上的聚苯乙烯颗粒、二氧化硅颗粒以及Jurkat细胞的分离技术和输送技术,并讨论柔性可拉伸介电电泳芯片电极拉伸率的变化对介电电泳分离效率的影响。在本文最后,总结了柔性可拉伸介电电泳技术中存在的问题,并对其在以后的应用方向上做出了展望,希望柔性可拉伸介电电泳技术能够应用在我们切身生活中。

关键词：可拉伸介电电泳微裂纹电极拉伸率微粒操控分离和输送

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基于旋流的微粒操控方法研究与实验

基于旋流的微粒操控方法研究与实验

作者：杨豪华南理工大学

学位级别：硕士

微粒操控是微操作中的关键技术,也是微流控芯片的核心,广泛应用于生物工程、MEMS、化学、材料科学等多个领域。近些年来,随着操作对象的小型化,对微粒操控技术提出了更高的要求。研究基于旋流的微粒操控方法,探索微粒操控的定量化难点... 详细信息

微粒操控是微操作中的关键技术,也是微流控芯片的核心,广泛应用于生物工程、MEMS、化学、材料科学等多个领域。近些年来,随着操作对象的小型化,对微粒操控技术提出了更高的要求。研究基于旋流的微粒操控方法,探索微粒操控的定量化难点问题具有重要的理论意义和应用价值。论文基于射流附壁模型研究了旋流形成机理,定量分析了旋流场的压强和速度分布与流场参数的关系;提出了旋流微操作性能的评价方法,定量评价了流场参数对旋流场微操作性能的影响;建立基于旋流的微粒操控过程流体动力学模型,通过仿真分析了旋流驻点附近压强和速度分布特性,讨论了流场几何参数,流场布局以及速度参数对流场性能和微操作性能的影响。在以上研究基础上,搭建实验平台,验证了推导理论的正确性和提出方法的可行性。研究和实验结果表明:基于射流附壁模型推导的旋流特性与流场参数有关;旋流的微操作性能可以通过旋流强度和驻点附近低速区域包容面半径来描述;合理匹配流场参数,通过调整微管喷射速度可以控制旋流驻点的位置和运动,从而实现微粒的捕获,定向移动和姿态调整等。

关键词：旋流微粒操控驻点附壁射流

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基于克拉尼板的微粒操控技术研究

基于克拉尼板的微粒操控技术研究

作者：张衡陕西科技大学

学位级别：硕士

基于克拉尼板的微粒操控技术利用统计学的方式对声陷外微粒的运动规律进行拟合得到微粒运动位移场,基于该位移场进行微粒操控能够摆脱对声陷的依赖性,以简单的设备完成较为复杂的微粒操控任务。本文对基于克拉尼板的微粒操控技术进行详... 详细信息

基于克拉尼板的微粒操控技术利用统计学的方式对声陷外微粒的运动规律进行拟合得到微粒运动位移场,基于该位移场进行微粒操控能够摆脱对声陷的依赖性,以简单的设备完成较为复杂的微粒操控任务。本文对基于克拉尼板的微粒操控技术进行详细分析,搭建微粒操控实验系统,并设计相应的视觉识别算法和微粒操控算法,完成了多种微粒实时运动控制任务。主要内容如下:(1)克拉尼板上微粒运动轨迹实时检测算法。精确的视觉识别算法是微粒实时操控的前提。本文设计的视觉识别算法对工业相机采集到的克拉尼板图像依次进行克拉尼板区域提取、图像分割、Hough圆检测等操作,能够精确地识别到微粒在克拉尼板上的坐标。然后利用Hungarian算法计算出两张图像上多个微粒的对应位移关系,精确计算出微粒的运动矢量,从而实时跟踪微粒运动轨迹。(2)微粒位移场的测绘。位移场是实现微粒精确操控和搭建微粒操控系统模型的基础。本文选定了 59个克拉尼板的振动频率,以直径500 μm的微粒作为被操作对象。分别统计克拉尼板以选定频率振动的情况下,板上随机放置的大量微粒的运动矢量,并将所有矢量进行统计拟合即可得到微粒运动位移场。测试结果表明该位移场能够快速、正确地预测克拉尼板上微粒的运动趋势。(3)基于位移场的微粒操控算法研究。根据位移场对微粒运动轨迹的预测,本文设计了微粒运动控制算法。该算法能够从59个频率中决策选出最优频率并控制克拉尼板发生振动,从而操控板上微粒按照设定要求运动。本文对比分析了多种决策算法对微粒操控算法的影响,实现了单/多微粒的定向、定轨迹运动控制和大规模微粒图案化排布任务。(4)基于强化学习的微粒操控算法研究。将Q-learning算法应用到微粒操控中,设计了适用于微粒操控的Q-learning算法,并搭建了 Q-learning算法的仿真训练环境。经过500轮的训练,该算法能够自主完成微粒运动控制,且设计的动态贪婪因子极大提高了算法的训练效率。最后利用训练得到的Q-table在实验台上成功进行了微粒的实时操控任务,验证了 Q-lear ning算法的有效性。

关键词：克拉尼板微粒操控视觉识别位移场强化学习

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多项式电极介电泳微粒捕获与操控仿真研究

多项式电极介电泳微粒捕获与操控仿真研究

作者：李铭浩河北工业大学

学位级别：硕士

随着微流控技术的迅猛发展,微观粒子研究逐渐形成规模。微粒捕获及操控技术的研究是揭示颗粒特征,探索颗粒运动规律的基础。介电泳具有无需荧光标记、操作简单、灵敏度高等优点,被广泛的应用于微粒捕获及操控中。在基于介电泳技术的微... 详细信息

随着微流控技术的迅猛发展,微观粒子研究逐渐形成规模。微粒捕获及操控技术的研究是揭示颗粒特征,探索颗粒运动规律的基础。介电泳具有无需荧光标记、操作简单、灵敏度高等优点,被广泛的应用于微粒捕获及操控中。在基于介电泳技术的微粒捕获及操控技术研究中,电极的形状、数量以及多极子电极通电情况对捕获结果影响很大。其中,对于不同形状电极的研究已较为成熟,而电极数量差异以及不同通电方式对微粒捕获结果影响的研究还有待深入。因此,本文基于多项式双曲线电极开展微粒捕获研究。分析微系统中流体流动特征、微粒捕获机理;仿真并分析不同数量电极以及相不同通电方式对微粒捕获的影响;在捕获机理之上设计四极子多项式电极阵列实现微粒操控。首先,根据微流控芯片中流体流动特征,分析微通道中流体流动情况和满足的流体力学方程。在偶极矩理论基础之上,逐步推导微粒所受介电泳力的公式;分析悬浮液电导率,电场频率对CM因子影响;结合微粒在微通道运动和受力情况,分析并得出微粒捕获及操控过程中主要影响因素,在此基础之上对微粒运动做出分析;分析交流电热效应对微粒捕获的影响。其次,比较正负介电泳力的优缺点,根据课题需求,选取合适的捕获微粒方式;针对芯片特征利用Comsol Multiphysics软件建立捕获及操控模型;以四极子双曲线电极为例,对模型进行控制方程分析和边界条件设置,分析模型中流场、电场以及温度场分布情况,求解温度场与温度场耦合关系、分析介电泳和交流电热对微粒捕获的影响,并对悬浮液电导率进行优化,从而实现高效捕获。再次,以四极子多项式电极为阵列单元,设计多项式电极阵列,规划微粒运动路径。通过控制电极通电情况,改变电场强度最弱区域,从而实现操控目的。最后,基于二极子、六极子以及八极子形状特征分别建立仿真模型,根据四极子模型边界条件设置方法,进行边界条件及参数设定,仿真并计算得到相应模型中流场、温度场和电场的分布情况。根据仿真结果,分析电极数量对微粒捕获的影响,并讨论多项式电极模型中电场切换对捕获微粒的影响。

关键词：介电泳微粒捕获微粒操控微流控多项式电极

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驻波型相位调控声镊操控稳定性研究

声学学报 2024年第3期49卷 449-457页

作者：朱纪霖高东宝曾新吾许章林谢翰祥中国人民解放军92682部队湛江524002 国防科技大学气象海洋学院长沙410073

为研究驻波型声镊的聚焦声场特征及其操控微粒的稳定性,使用有限元方法建立了相位调控聚焦声场控制模型并搭建了声镊实验系统,测量了系统中微粒多方向移动的位置精度,并分析了聚焦声场的分布规律及其影响。理论与实验结果表明,所设计声... 详细信息

为研究驻波型声镊的聚焦声场特征及其操控微粒的稳定性,使用有限元方法建立了相位调控聚焦声场控制模型并搭建了声镊实验系统,测量了系统中微粒多方向移动的位置精度,并分析了聚焦声场的分布规律及其影响。理论与实验结果表明,所设计声镊系统能够在平面内完成微粒操控。相位调控声镊在微粒操控稳定性方面存在区域差异性,越靠近中心区域的声场操控稳定性越强,越靠近边界区域的声场操控稳定性越差。通过细化移动步长可一定程度上提高微粒操控的稳定性。

关键词：声镊声辐射力微粒操控相位调控