本发明专利技术公开了一种压电激励的圆环面内微操控装置及其工作方法；操控装置包括换能器阵列、圆环容器和基板；换能器阵列包含四个均匀分布在圆环容器外壁的换能器，圆环容器用于承载液体介质以及被操控颗粒。工作时，对换能器施加规定的电压信号激发出圆环容器的面内行波模态；由于固体振动幅值分布与声压大小分布一致，在行波模态时，在承载液体介质中产生的声压场也随之旋转，使得液体承载介质中的微颗粒在声辐射力以及液体粘滞力作用下实现旋转运动。本发明专利技术具有结构简单、无损操控以及大尺度微颗粒操控的优点；同时面内体声波振动模态能够消除面外体声波振动模态下存在的操控不稳定问题，实现对微颗粒的稳定旋转操控。实现对微颗粒的稳定旋转操控。实现对微颗粒的稳定旋转操控。
【技术实现步骤摘要】
一种压电激励的圆环面内微操控装置及其工作方法
[0001]本专利技术涉及压电换能器、声操控和微球操控领域，尤其涉及一种压电激励的圆环面内微操控装置及其工作方法。
技术介绍
[0002]微操控技术对于生物、医疗、化学等领域有着广泛的应用前景。目前，对于微操控技术的研究，已发展出多种类型的微操控装置。其中，按照微操控装置基于的原理可以将它们分为光镊、磁镊、电镊、声镊（声操控）等。然而，光镊在工作过程中由于激光产生大量热量可能对微颗粒表面造成损伤，且光镊价格高昂、结构复杂，不适用于大规模应用。磁镊和电镊对被操控物体的属性有选择性，需要被操控物体具有磁性或电荷才可以操控。对于不满足条件的颗粒，磁镊和电镊需要对被操控颗粒进行处理，而处理过程可能会对颗粒造成损伤。声镊与上述微操控装置不同，对被操控物体的属性没有特殊要求，且具有高生物相容性、无损、稳定操控的优点。所以，声操控具有更广阔的应用前景。
[0003]声操控按照产生声波的类型可以分为表面声波和体声波。表面声波一般由叉指换能器激发，而体声波一般由压电陶瓷激发。相比于体声波器件，表面声波器件结构复杂，造价高。体声波器件结构简单、可以对大尺度微颗粒（亚毫米级）进行有效操控。体声波微操控装置的工作原理主要是由压电换能器激励出装置的振动模态，从而产生相应的声场。而处于液体环境中的微球在声场中会朝着声压节点运动。压电陶瓷激发的振动模态可以分为面外振动模态和面内振动模态。
[0004]面外振动模态由于质点振动方向与被操控颗粒运动方向垂直，在微球运动中会产生振荡现象，使操控稳定性下降。而面内振动模态由于质点运动方向与被操控颗粒运动方向平行，意味着其可以用于提高微操控装置的操控稳定性，减少操控过程中的振荡问题。所以，为了实现对于大尺度微颗粒的无损、稳定操控，本专利技术提出一种基于面内体声波的压电激励的圆环微操控装置。
技术实现思路
[0005]本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种压电激励的圆环面内微操控装置及其工作方法。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种压电激励的圆环面内微操控装置，包括容器、换能器阵列和基板；所述换能器阵列包含第一至第四换能器；所述第一至第四换能器结构相同，均包括预紧螺栓、预紧柱、压电陶瓷模块、夹持座、以及连接台；所述预紧螺栓包含螺帽和螺柱；所述预紧柱为正棱柱或圆柱体，其一个端面中心设有和所述预紧螺栓相匹配的沉头通孔；所述连接台包含第一连接部和第二连接部，其中，所述第一连接部为正棱柱或圆
柱体，所述第二连接部为面积较大的端面和第一连接部一端端面形状相同的正棱台或圆台，且第二连接部为面积较大的端面和所述第一连接部一端对应同轴固连；所述第一连接部的另一端设有和所述预紧螺栓相匹配的螺纹孔；所述压电陶瓷模块包含2组压电陶瓷片，每组压电陶瓷片均包含n片圆环状的压电陶瓷片，n为大于等于1的自然数；所述夹持座包括连接圆环、连接条和固定部；所述连接条一端和所述连接圆环的外壁固连且指向连接圆环的圆心，另一端和所述固定部固连；所述固定部用于和所述基板固连；所述连接条在靠近连接圆环一端的两个侧面上对应设有和连接条长度方向垂直的凹槽，形成柔铰；所述预紧螺栓的螺柱依次穿过所述预紧柱的沉头通孔、1组压电陶瓷片、夹持座的连接圆环、另1组压电陶瓷片后和所述连接台的螺纹孔螺纹相连，将2组压电陶瓷片压紧；所述2组压电陶瓷片关于连接圆环对称设置，每组压电陶瓷片中的压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，且同一组压电陶瓷片中相邻压电陶瓷片的极化方向相反；所述容器呈圆环状，其上端面设有和容器同轴的环形凹槽，用于盛放承载液体介质以及待操控的微球；所述容器的外壁上周向均匀设有四个端面和所述第二连接部面积较小的端面形状相同的凸台；所述第一至第四换能器第二连接部面积较小的端面分别和所述容器的外壁上四个凸台一一对应固连，使得第一至第四换能器连接台的轴线均指向容器的中心；且第一至第四换能器的固定部均和所述基板的上端面固连。
[0007]作为本专利技术一种压电激励的圆环面内微操控装置进一步的优化方案，所述预紧柱为圆柱体，第一连接部为正四棱柱, 第一连接部为正四棱台。
[0008]作为本专利技术一种压电激励的圆环面内微操控装置进一步的优化方案，所述第一至第四换能器的固定部呈条状，其一端和其对应连接条垂直固连，且固定部通过螺栓和所述基板固连。
[0009]作为本专利技术一种压电激励的圆环面内微操控装置进一步的优化方案，所述n取2。
[0010]本专利技术还公开了一种该压电激励的圆环面内微操控装置的控制方法，包括以下步骤：令第一至第四换能器在基板上按顺时针依次排列，对第一至第四换能器分别施加第一至第四简谐电压信号；所述第一至第四简谐电压信号均为交流谐波信号，电压幅值相等，相位依次相差π/2且角频率均等于预设的旋转模态频率值ω，同时在容器上激发出空间相位差为π/2的面内振动模态，进而在容器中耦合出行波模态；在行波模态下，圆环容器内的承载液体介质中产生相应的声压场，声压场的大小分布与振型的幅值分布相对应；随着在圆环容器内激发的行波模态旋转，声压场也随之旋转；由于放置在容器承载液体介质内的微球在声压场中受到声辐射力和液体粘滞力的作用朝着声压节点运动，而声压场的旋转导致声压节点产生绕圆环容器圆心的旋转，所以微球会在声辐射力和液体粘滞力的作用下绕着容器中心做旋转运动，从而实现对微球的旋转操控。
[0011]本专利技术还公开了另一种压电激励的圆环面内微操控装置，包括容器、换能器阵列
和基板；所述换能器阵列包含第一至第四换能器；所述第一至第四换能器结构相同，均包含基体、连接块、固定座、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；所述基体为正四棱柱包含两个端面和依次首尾相连的第一至第四侧壁，其中，第一侧壁平行于第三侧壁，第二侧壁平行于第四侧壁；所述连接块为面积较大的端面和基体一端端面形状相同的正四棱台，且连接块为面积较大的端面和所述基体一端对应同轴固连；所述固定座包含连接条和固定部；所述连接条一端和所述基体的第三侧壁垂直固连，另一端和所述固定部固连；所述固定部用于和所述基板固连；所述连接条在靠近基体一端的两个侧面上对应设有和连接条长度方向垂直的凹槽，形成柔铰；所述第一、第二压电陶瓷片分别设置在所述基体的第二、第四侧壁上，均沿厚度方向极化，且第一、第二压电陶瓷片的极化方向相反；所述容器呈圆环状，其上端面设有和容器同轴的环形凹槽，用于盛放承载液体介质以及待操控的微球；所述容器的外壁上周向均匀设有四个端面和所述第二连接部面积较小的端面形状相同的凸台，且容器的下端面和所述基座的第三侧壁平行；所述第一至第四换能器第二连接部面积较小的端面分别和所述容器的外壁上四个凸台一一对应固连，使得第一至第四换能器连接台的轴线均指向容器的中心；且第一至第四换能器的固定部均和所述基板的上端面固连。
[0012]作为该另一种压电激励的圆环面内微操控装置进一步的优化方案，所述第一至第四换能器的固定部呈条状，其一端和其对应连接条垂直固连，且固定部通过螺栓和所述基板固连。
[0013]本专利技术还公开了该本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种压电激励的圆环面内微操控装置，其特征在于，包括容器、换能器阵列和基板；所述换能器阵列包含第一至第四换能器；所述第一至第四换能器结构相同，均包括预紧螺栓、预紧柱、压电陶瓷模块、夹持座、以及连接台；所述预紧螺栓包含螺帽和螺柱；所述预紧柱为正棱柱或圆柱体，其一个端面中心设有和所述预紧螺栓相匹配的沉头通孔；所述连接台包含第一连接部和第二连接部，其中，所述第一连接部为正棱柱或圆柱体，所述第二连接部为面积较大的端面和第一连接部一端端面形状相同的正棱台或圆台，且第二连接部为面积较大的端面和所述第一连接部一端对应同轴固连；所述第一连接部的另一端设有和所述预紧螺栓相匹配的螺纹孔；所述压电陶瓷模块包含2组压电陶瓷片，每组压电陶瓷片均包含n片圆环状的压电陶瓷片，n为大于等于1的自然数；所述夹持座包括连接圆环、连接条和固定部；所述连接条一端和所述连接圆环的外壁固连且指向连接圆环的圆心，另一端和所述固定部固连；所述固定部用于和所述基板固连；所述连接条在靠近连接圆环一端的两个侧面上对应设有和连接条长度方向垂直的凹槽，形成柔铰；所述预紧螺栓的螺柱依次穿过所述预紧柱的沉头通孔、1组压电陶瓷片、夹持座的连接圆环、另1组压电陶瓷片后和所述连接台的螺纹孔螺纹相连，将2组压电陶瓷片压紧；所述2组压电陶瓷片关于连接圆环对称设置，每组压电陶瓷片中的压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，且同一组压电陶瓷片中相邻压电陶瓷片的极化方向相反；所述容器呈圆环状，其上端面设有和容器同轴的环形凹槽，用于盛放承载液体介质以及待操控的微球；所述容器的外壁上周向均匀设有四个端面和所述第二连接部面积较小的端面形状相同的凸台；所述第一至第四换能器第二连接部面积较小的端面分别和所述容器的外壁上四个凸台一一对应固连，使得第一至第四换能器连接台的轴线均指向容器的中心；且第一至第四换能器的固定部均和所述基板的上端面固连。2.根据权利要求1所述的压电激励的圆环面内微操控装置，其特征在于，所述预紧柱为圆柱体，第一连接部为正四棱柱, 第一连接部为正四棱台。3.根据权利要求1所述的压电激励的圆环面内微操控装置，其特征在于，所述第一至第四换能器的固定部呈条状，其一端和其对应连接条垂直固连，且固定部通过螺栓和所述基板固连。4.根据权利要求1所述的压电激励的圆环面内微操控装置，其特征在于，所述n取2。5.基于权利要求1所述的压电激励的圆环面内微操控装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：令第一至第四换能器在基板上按顺时针依次排列，对第一至第四换能器分别施加第一至第四简谐电压信号；所述第一至第四简谐电压信号均为交流谐波信号，电压幅值相等，相位依次相差π/2且角频率均等于预设的旋转模态频率值ω，同时在容器上激发出空间相位差为π/2的面内振动模态，进而在容器中耦合出行波模态；
在行波模态下，圆环容器内的承载液体介质中产生相应的声压场，声压场的大小分布与...
【专利技术属性】
技术研发人员：王鑫，王亮，冯浩人，金家楣，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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