基于声表面波驱动的微粒分选器仿真及实验设计

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声表面波(SAW)技术作为一种非接触式的微粒操纵技术,具有指向性好、穿透力强、生物兼容性好、器件尺寸小、控制灵活等优点,在医疗制药、生物化学、材料制备等领域有很好的应用优势。在声表面波场中,不同直径的微粒所受的声辐射力不同,可依此来对微粒进行分选。基于声表面波技术进行的微粒分选可分为一维驻波分选和行波分选两类。分析了声表面波驻波(SSAW)及行波(TSAW)的发生原理,选择了128°YX切型的铌酸锂(Li Nb O3)压电基片材料;分析了叉指换能器(IDT)的叉指对数对输出波形和相对带宽的影响;推导了叉指换能器的阶跃响应和频率响应表达式;结合诱导电流理论,推导了声表面波器件工作时压电基片上受扰动影响的声表面波波速与自由波速的关系;推导了驻波叉指换能器在两种布置方式下的换能器布置间距。推导了微粒在驻波声场中的位移方程,分析了所分选微粒的直径与微粒在微流道内移动时间的关系。分析了行波声场中所分选微粒的直径与声表面波谐振频率的关系。仿真分析了声表面波能量集中区域及抑制声体波产生的条件、驻波声场中声压节点的位置、行波声场中微流体内声波的模态。设计了四组驻波叉指换能器,分别为基于鞘流聚集的折线型驻波叉指换能器、基于换能器聚集的驻波叉指换能器阵、变波节位置的驻波叉指换能器和基于聚焦式行波推进的变波节驻波换能器,仿真分析并对比了其产生的声压及特点。设计了三种行波叉指换能器,分别为不同对数的平行式行波叉指换能器、聚焦式行波叉指换能器和采用无级调频的倾斜式行波叉指换能器,仿真分析并对比了其产生的声压及特点。制作了八片驻波及行波微粒分选实验用的叉指换能器;设计并制作了相应的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流道。测定了各组实验器件的谐振频率,验证了实际声表面波波速受到叉指电极周期性扰动的影响,其值小于表面波自由波速。分析了聚焦式叉指换能器和倾斜式叉指换能器检测端电压比平行式叉指换能器小的原因,编写程序使倾斜式叉指换能器在一定频率范围内都能产生幅值较高的激励。
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