具有压电换能器阵列的声场装置制造方法及图纸

一种用于从流体流中分离颗粒的装置，包括流室，其具有至少一个入口和至少一个出口。至少一个超声换能器，位于流室的壁上。超声换能器包括具有至少两个压电元件的压电阵列。压电阵列包括压电材料，用于在流室中产生多维驻波。反射器位于流室中与至少一个超声换能器相对侧的壁上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本申请是2013年9月13日提交的序号为14/026,413的美国专利申请的部分继续再申请，其为2013年3月15日提交的序号为13/844,754的美国专利申请的部分继续再申请，该申请要求享受下述申请的权利：2012年3月15日提交的美国临时专利申请序号61/611,159，同样在2012年3月15日提交的美国临时专利申请序号61/611,240，以及2013年1月21日提交的美国临时专利申请序号61/754,792。在此，这些申请的内容以全文引用的方式并入本文。在许多应用中，都需要将颗粒/流体混合物分离为其各个组成部分的能力。声泳是利用高强度声波，而不用膜或物理尺寸排除过滤物的一种颗粒分离。已经知道，当流体中存在密度和/或可压缩性的差别时，高强度的声音驻波能对流体中的颗粒施加作用力，该密度和/或可压缩性的差别也被称为对比系数。驻波的压力分布包括在波节处的局部压力振幅最小区和在波腹处的局部压力振幅最大区。根据颗粒的密度和可压缩性，这些颗粒会被捕获在驻波的波节或波腹处。驻波的频率越高，可以通过驻波的压力捕获颗粒尺寸越小。对于多组分的液流来说，需要有效的分离技术，其能消除浪费并且降低所需的能量，从而促进可持续发展的环境。
技术实现思路
本披露涉及优选地用于大规模声泳的系统和装置。该装置使用如本文所述的一个或多个独特的超声换能器。换能器包括由多个压电元件组成的矩形阵列。在产生多维驻波的频率下驱动换能器。在本文的多个实施方式中所披露的装置，用于从基底流体中分离第二流体的或者颗粒，其包括：具有至少一个入口和至少一个出口的流室；至少一个位于流室壁上的超声换能器，超声换能器包括由多个压电元件形成的压电阵列，其可以在电压信号的驱动下，在流室中形成多维声驻波；以及至少一个反射器，其位于至少一个超声换能器的对面的流室壁上。轴向声力和侧向声力幅度的数量级相同。第二流体或颗粒团聚于多维声驻波的压力波节处(声辐射势能最小值点)，并由于重力分离，持续地从多维声驻波中落出，或由于浮力，持续地从多维声驻波中浮出。在一些实施方式中，压电阵列(piezoelectricarray)存在于单晶硅上，通过一条或多条沟道使各个压电元件相互分开。在一条或多条沟道中可以存在有与压电材料不同的灌封材料(pottingmaterial)。灌封材料可以为聚合物，例如环氧树脂(epoxy)。在其他的实施方式中，通过灌封材料将各个压电元件与周围的压电元件物理分离。灌封材料可以为聚合物，例如环氧树脂。压电阵列可以是矩形阵列。各个压电元件可以具有相同的尺寸。各个压电元件可以独立地与各自的电极对相连接。在特定的实施方式中，异型管嘴壁(contourednozzlewall)位于流室至少一个入口的上游。还披露了从基底流体中分离第二流体的或者颗粒的方法，其包括：使基底流体和第二流体的或者颗粒的混合物流过装置，该装置包括：具有至少一个入口和至少一个出口的流室；至少一个位于流室壁上的超声换能器，超声换能器包括由多个压电元件形成的压电阵列，其可以在电压信号的驱动下，在流室中形成多维声驻波；以及至少一个反射器，其位于至少一个超声换能器的对面的流室壁上；并向压电阵列发送电压信号以形成多维声驻波，其抵抗液流而捕获第二液体或颗粒并允许团聚，从而第二流体或颗粒的尺寸增大，并通过重力分离持续地从多维声驻波中落出。可以通过液流将经过分离的材料从室中扫除、收集到容器中或通过压缩使其体积更小。颗粒可以为中国仓鼠卵巢(CHO)细胞、NS0杂交瘤细胞、幼仓鼠肾(BHK)细胞或人体细胞。有时，压电元件相互异相运行。其他时候压电元件相互同相运行。基底流体通过流室的流速可以至少为25mL/min。压电元件可以在100kHz至20MHz范围中的某频率下运行，或者，在特定的实施方式中可在大约2MHz至2.5MHz范围中的某频率下运行。在大多数实施方式中，产生的多维驻波导致具有轴向力和侧向力分量的声辐射力，并且轴向力分量和侧向力分量幅度的数量级相同。压电阵列存在于单晶硅上，通过一条或多条沟道使各个压电元件相互分开。在一条或多条沟道中可以存在有与压电材料不同的灌封材料。在其他的实施方式中，通过灌封材料将各个压电元件与周围的压电元件物理分离。各个压电元件可以独立地与各自的电极对相连接。下文将更加详细地描述这些以及其他非限定性特征。附图说明下面是附图的简要说明，这些附图被示出以用于说明本文所披露的示例性实施例，而并非用于限制本专利技术。图1A为示意图，示出第二流体或颗粒密度小于基底流体密度时，声泳分离器的功能。图1B为示意图，示出第二流体或颗粒密度大于基底流体密度时，声泳分离器的功能。图2为常规超声换能器的横截面图。图3A是可以在本披露中使用的超声换能器结构的截面图。在换能器内有气隙，且没有背衬层或耐磨板。图3B是可以在本披露中使用的超声换能器结构的截面图。在换能器内有气隙，且有背衬层和耐磨板。图4为在超声换能器中使用的常规单片整体压电晶体。图5为示例性的具有16个压电元件的矩形压电阵列，其用于本披露的换能器。图6为另一示例性的具有25个压电元件的矩形压电阵列，其用于本披露的换能器。图7为图表，示出声辐射力、重力/浮力以及斯托克斯(Stokes’)阻力与颗粒尺寸之间的关系。横轴的单位为微米(μm)，纵轴的单位为牛顿(N)。图8为对于在不同频率下受到驱动的正方形换能器，其电阻抗的幅度与频率的图像。图9A示出了自正交于流体流动方向的在图8的七个最小幅值点的捕获线配置。图9B为示出分离器的透视图。还示出了流体流动方向以及捕获线。图9C为从流体入口，沿流体流动方向(箭头114)图9B的视图，示出了驻波的捕获波节，在这些波节处可以捕获粒子。图9D为沿图9B中所示的箭头116，面向捕获线配置，穿过换能器观察的视图。图10A示出用于分离浮力材料的声泳分离器。图10B是异型管嘴壁129和收集管137的交接处附近流体流动的放大视图。图11A示出了在生物制药应用中使用的声泳分离器的分解视图。图11B示出了具有两个声室的叠置式声泳分离器的分解视图。图12A为示出关于一个实验使用贝克曼库尔特细胞活力分析仪(BeckmanCoulterCellViabilityAnalyzer)从介质中去除细胞的效率图像。图12B为示出关于另一个实验使用贝克曼库尔特细胞活力分析仪(BeckmanCoulterCellViabilityAnalyzer)从介质中去除细胞的效率图像。图13示出了为超声换能器和换能器阵列仿真开发的二维数值模型的原理图。图14A至图14D为图13数值模型结果(底部)与公开数据(上部)的比较图，表现数值模型的精确度。图14A比较声势能U。图14B比较声辐射力(ARF)的x分量。图14C比较ARF的y分量。图14D比较ARF的绝对值。图15是示出在图13的模型中由整体压电晶体产生的声驻波幅度的图像。频率为2.245MHz。横轴为沿X轴的位置，纵轴为沿Y轴在换能器和反射器之间的位置。图16是示出在图13的模型中由4元件压电阵列产生的声驻波幅度的图像。频率为2.245MHz，并且各元件之间的相位差在变化。图17是示出在图13的模型中由4元件压电阵列产生的声驻波幅度的图像。频率为2.245MHz，并且各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从基底流体中分离第二流体或颗粒的装置，其包括：流室，其具有至少一个入口和至少一个出口；至少一个超声换能器，其位于所述流室的壁上，所述换能器包括压电阵列，其由多个压电元件形成，所述压电元件可以由电压信号驱动，以在所述流室中产生多维声驻波；以及至少一个反射器，其位于所述流室中与所述至少一个超声换能器相对侧的壁上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.08 US 61/990,1681.一种用于从基底流体中分离第二流体或颗粒的装置，其包括：流室，其具有至少一个入口和至少一个出口；至少一个超声换能器，其位于所述流室的壁上，所述换能器包括压电阵列，其由多个压电元件形成，所述压电元件可以由电压信号驱动，以在所述流室中产生多维声驻波；以及至少一个反射器，其位于所述流室中与所述至少一个超声换能器相对侧的壁上。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述压电阵列存在于单晶体上，通过一条或多条沟道将所述压电元件彼此分开。3.根据权利要求2所述的装置，其中不同于所述压电材料的灌封材料存在于所述一条或多条沟道中。4.根据权利要求3所述的装置，其中所述灌封材料是环氧树脂。5.根据权利要求1所述的装置，其中各压电元件与周围的压电元件由灌封材料物理分离。6.根据权利要求1所述的装置，其中所述压电阵列是矩形阵列。7.根据权利要求1所述的装置，其中各压电元件具有相同的尺寸。8.根据权利要求1所述的装置，其中各压电元件独立地与其自有的电极对相连接。9.根据权利要求1所述的装置，其中异形管嘴壁位于所述流室的至少一个入口的上游。10.一种从基底流体中分离第二流体或颗粒的方法，包括：使所述基底流体和所述第二流体或颗粒的混合物流过装置，所述装置包括：流室，具有至少一个入口和至少一个出口；至少一个超声换能器，其位于所述流室的壁上，所述超声换能器包括压电阵列，其由多个压电元件形...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴特·利普肯斯，杰森·迪翁，
申请(专利权)人：弗洛设计声能学公司，
类型：发明
国别省市：美国;US