[发明专利]一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装及成形方法

说明书

技术领域

本发明属于超声换能器领域，更具体地，涉及一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装及成形方法。

背景技术

声学镊子简称声学镊子，是近年来高频超声换能器应用研究的热点之一。与光学镊子(简称光镊)原理类似，声学镊子是利用声学辐射力，通过发射高度聚焦的超声束，来对微小物体产生吸引力，从而实现对微小物体的捕获与操纵。成功自如地捕获和操纵微小物体对生物细胞研究意义重大。光镊的不足之处在于：1)能量较高，会引起被捕获物体局部过热，从而造成细胞死亡；2)力量较小，难以捕获和移动几十微米或者上百微米的生物细胞。声学镊子与光镊相比，能量较小，力量较大，刚好能弥补光镊的不足，所以在生物细胞的研究中应用前景广阔。

高度聚焦的超声换能器是声学镊子的基础，超声换能器工作频率越高，发出超声波波长越短，越适合微小物体的捕获和操纵。通常f#≈1(f#为压电材料尺寸与焦距比值)。超声聚焦的方法主要有装配声透镜和压力聚焦两种，装配声透镜很难实现f#≈1，所以压力聚焦是一种不错的选择。压力聚焦的原理是利用不锈钢压力球对超声换能器表面压力作用，使压电片形成聚焦球面，以达到聚焦的目的。整个压力聚焦过程中，压力球是否处于超声换能器中心是最终结果能否得到均匀声场并实现微小物体的捕获和操纵的关键。

现有的压力聚焦还在探索之中，存在很多问题，如难以对准，对很多材料来说效果很差，难以实现f#值接近于1。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装及成形方法，其工装结构简单，容易在超声换能器的压电片上形成聚焦球面，其方法形成的聚焦球面容易使超声换能器实现准确的压力聚集。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装，包括下座，所述下座向上安装有多根导柱，有上座活动穿装在该多根导柱上，所述导柱上螺纹连接有用于向下推动上座移动的旋钮，所述下座向上安装有圆柱台和导向座，圆柱台和导向座均位于上座和下座之间，圆柱台的轴线竖直设置，圆柱台的顶端设置有与超声换能器的压电片的半径一致的球形槽，球形槽处放置有与球形槽的半径一致的压力球，压力球的上端露出球形槽，所述导向座上设置有通孔，所述通孔包括相互连通的柱台导向圆孔和换能器导向圆孔，导向座在柱台导向圆孔处的内壁与圆柱台的外侧接触，所述换能器导向圆孔用于使超声换能器的压电片并贴着导向座在换能器导向圆孔处的内壁移动以接触到压力球，所述换能器导向圆孔的轴线穿过压力球的球心。

优选地，所述下座的顶端安装有支座，所述圆柱台通过支座安装在下座上。

优选地，所述柱台导向圆孔和换能器导向圆孔同轴。

优选地，所述柱台导向圆孔的直径大于换能器导向圆孔的直径。

按照本发明的另一个方面，本发明提供了一种利用成形工装进行声学镊子压力聚焦球面成形的方法，包括以下步骤：

1)将超声换能器的压电片贴着导向座在换能器导向圆孔处的内壁向下移动，直至压电片接触压力球，超声换能器的压电片的外径与换能器导向圆孔的直径相等；

2)将工装和超声换能器一起放入恒温烘箱中加热，然后取出并拧动旋钮，使旋钮向下推动上座，上座带动超声换能器向下移动，压力球使超声换能器的压电片产生变形；

3)重复步骤2)，直至超声换能器的压电片达到变形极限，然后从工装上取出超声换能器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明采用同轴的原理，其成形装置结构简单。相比于其他譬如装配声透镜(lens)工艺方法，本成形方法更加简单，比采用lens的工艺方法来成形聚焦球面更便宜，本方法可以取代装配声透镜(lens)工艺方法。另外，本成形方法能保证小球与超声换能器中心能够准确对准，容易在超声换能器的压电片正中心上形成聚焦球面；通过可控的压力装置，使聚焦球面的弯曲程度达到较大值，使得F#更接近于1。总之，这种方法简单，容易实现，形成的聚焦球面容易使超声换能器压电片中心实现准确的压力聚焦。

附图说明

图1是本发明中成形工装工作时结构示意图；

图2是图1的剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。