本发明专利技术提供了一种螺旋声波悬浮约束和运动控制方法及装置，属于生物、制药、化学工程、半导体硅芯片制造领域。所述方法利用多个换能器获得聚焦螺旋声波，并利用聚焦螺旋声波实现物质在三维空间的悬浮，以及控制物质的空间位置和运动。利用本发明专利技术可以实现微小颗粒物质在空间的悬停或移动，实现了无接触操作，并提高了稳定性。本发明专利技术聚焦螺旋声波基于特殊的换能器位置设计，实现了螺旋声波能量的向内螺旋聚焦，向外干涉振幅互相抵消，从而最大程度的利用了声波能量，实现了声波能量的聚焦。本发明专利技术利用换能器阵列空间位置和声波相位的组合可以获得环形螺旋声波，此设备可以作为一种科学研究装置对螺旋声波技术进行更进一步的研究。研究装置对螺旋声波技术进行更进一步的研究。研究装置对螺旋声波技术进行更进一步的研究。
【技术实现步骤摘要】
一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法及装置
[0001]本专利技术属于生物、制药、化学工程、半导体硅芯片制造领域，具体涉及一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法及装置。
技术介绍
[0002]在细胞疗法、人工辅助生殖等领域，经常需要对细胞做分离、清洗、浓缩等精细操作。这些技术操作的关键步骤是在对细胞操控的同时做到不伤害细胞。这种无接触、悬浮细胞和空间位置调控的技术方法可以参考文献“B
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利普肯斯, et al.,利用声泳的治疗细胞洗涤,浓缩和分离.2019”。
[0003]在生物工程、制药工程、化学工程等领域，经常期望两种物质(颗粒，胶体，流体等物质)进行有效接触，从而促进它们的混合、融合或者化学反应。声波悬浮约束技术可以提供一种纯净无污染的条件。
[0004]在半导体硅芯片制造工艺中，由于硅晶片具有很强的表面敏感性，传统的接触式操作可能使其形变、产生划痕，甚至破裂。另外，接触式操作也有可能造成细微颗粒污染。因此，在硅芯片等高精尖制造领域急需一种无接触传输方式。
[0005]目前现有超声波悬浮技术已经实现了无接触操作。尤其是使用具有轨道角动量(OAM)、螺旋相位分布的涡旋声场能够实现对微小物质的悬空捕获和位置操控。产生涡旋声场的方法一般主要有两种：一种是在声波换能器外部使用具有一定几何结构的声学透镜(比如螺旋状声学透镜)或者使用具有特殊结构的声学共振腔。普通无旋声波经由这些外置设备作用，能够产生具有一定的轨道角动量的螺旋声波。另外一种是一系列独立的声波换能器排列成声学阵列，通过电路来控制每个换能器的相位。这种声学阵列从整体效果上来看可以实现一个角动量的螺旋声场。然而，目前针对螺旋声波的研究和应用主要侧重于螺旋特性的应用，但没有对螺旋声波的聚焦性能做出严格规定。
[0006]另一方面，传统的超声聚焦利用其可穿透性和可聚焦性，可以达到声波能量的聚焦，比如在医学上利用超声波聚焦特性来进行无创的局部性治疗。但是这种传统的声波聚焦又缺乏了螺旋特性。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法及装置。设计一种具有特定几何结构的声波阵列组合，利用声波螺旋角动量的特性来实现声波能量的螺旋和聚焦，从而对物质在空间位置的约束以及实现对其运动的控制，实现无接触操作，并提高稳定性。
[0008]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0009]本专利技术的第一个方面，提供了一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法，所述方法利用多个换能器获得聚焦螺旋声波，并利用聚焦螺旋声波实现物质在三维空间的悬浮，以及控制物质的空间位置和运动。
[0010]本专利技术的进一步改进在于：
[0011]所述换能器包括声波换能器、超声波换能器、喇叭或者扬声器。
[0012]本专利技术的进一步改进在于：
[0013]利用多个换能器获得聚焦螺旋声波的操作包括：
[0014]将n个换能器在圆周上均匀布置，形成环形的换能器阵列环；设置相邻两个换能器之间的相位差是2π/n，n为偶数，且所有换能器的中心所在的圆周的直径是每个换能器所产生波长的整数倍；
[0015]将两个换能器阵列环相对设置，且两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应；
[0016]激活所有换能器，在两个换能器阵列环之间形成聚焦螺旋声波。
[0017]本专利技术的进一步改进在于：
[0018]所述控制物质的空间位置和运动的操作包括：
[0019]设置两层安装板，在每一层安装板上设置多个换能器阵列环；上层安装板上的换能器阵列环与下层安装板上的换能器阵列环相对设置；上层安装板、下层安装板上相对的两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应；将上层安装板、下层安装板上对应的两个换能器阵列环作为一个换能阵列对；
[0020]通过依次激活各个换能阵列对来控制物质的空间位置和运动。
[0021]本专利技术的进一步改进在于：
[0022]所述控制物质的空间位置和运动的操作包括：
[0023]设置环状结构，在环状结构上设置多个在圆周上均布的换能器阵列环；相邻两个换能器阵列上的各个换能器一一对应；
[0024]通过依次激活各个换能器阵列环来控制物质的空间位置和运动。
[0025]本专利技术的第二个方面，提供了一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置，所述装置包括至少两个换能器阵列环；
[0026]每个换能器阵列环包括n个在圆周上均布的换能器；相邻两个换能器之间的相位差是2π/n，n为偶数；所有换能器的中心所在的圆周的直径是每个换能器所产生波长的整数倍；
[0027]两个换能器阵列环平行设置或者呈角度设置，且两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应。
[0028]本专利技术的进一步改进在于：
[0029]所述聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置包括两个换能器阵列环；
[0030]每个换能器阵列环均包括正多边形环，在正多边形环的每个顶点处均设置有安装孔；在每个安装孔内安装有一个换能器；
[0031]两个换能器阵列环中的正多边形环平行设置，即两者的中心轴线位于同一条直线上，并在两个正多边形环之间设置多个平行的连接杆，每个连接杆的一端与第一个换能器阵列环中的正多边形环连接，另一端与另一个换能器阵列环中的正多边形环连接；
[0032]两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应。
[0033]本专利技术的进一步改进在于：
[0034]所述聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置包括：平行设置的两层安装板和连接两层安装板的连接杆或者连接板；
[0035]在每层安装板上分别设置有多个相同的正多边形，且每个正多边形和与其相邻的正多边形共用一条边，在每条边的两个顶点上分别设置有安装孔，在每个安装孔内安装有一个换能器，位于同一个正多边形的各个顶点上的换能器构成换能器阵列环；
[0036]上层安装板、下层安装板上相对的两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应。
[0037]本专利技术的进一步改进在于：
[0038]所述聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置包括：多个在圆周上均布的换能器阵列环；
[0039]每个换能器阵列环均包括正多边形环，在正多边形环的每个顶点处均设置有安装孔；在每个安装孔内安装有一个换能器；
[0040]相邻两个换能器阵列环的正多边形通过多个连接杆连接；
[0041]相邻两个换能器阵列环所在平面的夹角为2π/n。
[0042]本专利技术的第三个方面，提供了一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法在3D打印中的应用。
[0043]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0044]利用本专利技术可以实现微小颗粒物质在空间的悬停或移动，实现了无接触操作，并提高了稳定性。与传统向外发散性螺旋声波相比，本专利技术聚焦螺旋声波基于特殊的换能器位置设计，实现了螺旋声波能量的向内螺旋聚焦，向外干涉振幅互相抵消，从而最大程度的利用了声波能量，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法，其特征在于：所述方法利用多个换能器获得聚焦螺旋声波，并利用聚焦螺旋声波实现物质在三维空间的悬浮，以及控制物质的空间位置和运动。2.根据权利要求1所述的聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法，其特征在于：所述换能器包括声波换能器、超声波换能器、喇叭或者扬声器。3.根据权利要求1所述的聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法，其特征在于：所述利用多个换能器获得聚焦螺旋声波的操作包括：将n个换能器在圆周上均匀布置，形成环形的换能器阵列环；设置相邻两个换能器之间的相位差是2π/n，n为偶数，且所有换能器的中心所在的圆周的直径是每个换能器所产生波长的整数倍；将两个换能器阵列环相对设置，且两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应；激活所有换能器，在两个换能器阵列环之间形成聚焦螺旋声波。4.根据权利要求3所述的聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法，其特征在于：所述控制物质的空间位置和运动的操作包括：设置两层安装板，在每一层安装板上设置多个换能器阵列环；上层安装板上的换能器阵列环与下层安装板上的换能器阵列环相对设置；上层安装板、下层安装板上相对的两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应；将上层安装板、下层安装板上对应的两个换能器阵列环作为一个换能阵列对；通过依次激活各个换能阵列对来控制物质的空间位置和运动。5.根据权利要求3所述的聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法，其特征在于：所述控制物质的空间位置和运动的操作包括：设置环状结构，在环状结构上设置多个在圆周上均布的换能器阵列环；相邻两个换能器阵列上的各个换能器一一对应；通过依次激活各个换能器阵列环来控制物质的空间位置和运动。6.一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置，其特征在于：所述装置包括至少两个换能器阵列环；每个换能器阵列环包括n个在圆周上均布的换能器；相邻两个换能器之间的相位差是2π/n，n为偶数；所有...
【专利技术属性】
技术研发人员：李学凯，
申请(专利权)人：李学凯，
类型：发明
国别省市：
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