[发明专利]非平面和非对称压电晶体及反射器

说明书

公开一种声泳装置。所述声泳装置包括声室、超声换能器和反射器。所述超声换能器包括压电材料，所述压电材料由电压信号驱动，以在所述声室中产生从压电材料的非平面表面发出的多维声驻波。还公开了一种用于从主流体分离出次流体或颗粒的方法。该方法包括使混合物流过声泳装置。发送电压信号驱动所述超声换能器，以在声室中产生多维声驻波，从而在驻波中连续捕获所述次流体或颗粒，然后所述次流体或颗粒聚集、聚合、结块或结合在一起，随后依靠浮力或重力在所述主流体中升高或沉降，并离开所述声室。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年7月9日提交的美国临时专利申请第62/190,715号的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

背景技术

本公开涉及使用超声生成的声驻波来实现悬浮相组分的捕集、浓缩和分离，从而从流体介质例如水中去除这类污染物。所述声驻波可以通过激励超声换能器(ultrasonictransducer)的压电晶体来产生。

压电晶体可以由任何能够产生压电效应(即，受到外部电压时振动)的材料组成。用于制造压电晶体的常用材料是锆钛酸铅(PZT)。压电陶瓷传统上是指大量的钙钛矿陶瓷晶体，由较大的二价金属离子(例如铅，钡)和氧离子形成的晶格中的小四价金属离子(例如钛，锆)组成。

以特定比例混合组分金属氧化物的细粉来制备压电PZT晶体。然后加热该混合物以形成均匀的粉末。有机粘合剂与该金属氧化物混合并形成所需形状(例如，板、棒、盘)。高温加热形成的材料来烧结所述混合物并形成致密的晶体结构。然后将烧结部分冷却并随后成型或修整至所需的规格。利用化学镀镍等工艺将电极安装到所述PZT晶体的合适表面上，或将电极安装到所述晶体表面上受到加热和熔合的银/玻璃珠混合物涂层上。

将压电晶体暴露于空气或液体流体中的电荷(即电压)会产生压力波。函数发生器可用于将特定频率或频率组施加到压电晶体，使得所述压力波具有特定频率。可使用放大器以所述函数发生器产生的频率向所述压电晶体施加更高的电压。通常，所述压电晶体的表面是平坦的，因此由所述压电晶体产生的波在晶体表面是均匀的。

平面压电晶体以多模方式受到扰动从而产生多维声驻波。所述压电晶体的这些高阶模式允许在声驻波中形成多个捕获线，从而形成多维声驻波。

期望提供一种可被单个激励扰动、但仍产生多维声驻波的压电晶体。

发明内容

通过各个实施例，本公开涉及声泳装置和从主流体分离次流体或微粒的方法。简而言之，从压电材料的非平面表面发出的多维声驻波用于连续地捕获所述次流体或颗粒，然后所述次流体或颗粒聚集、聚合、结块或结合在一起，随后依靠浮力或重力在所述主流体中升高或沉降，并离开所述声室。所述非平面压电材料只需要暴露于单一频率而非一组频率来产生多维声驻波。

本文的各个实施例公开了声泳装置，其包括：具有至少一个入口和至少一个出口的声室；位于所述声室的壁上的至少一个超声换能器；位于所述声室的与所述至少一个超声波换能器相对立的侧壁上的反射器。所述至少一个超声换能器包括压电材料，所述压电材料由电压信号驱动，以在所述声室中产生从所述压电材料的非平面表面发出的多维声驻波。

在某些实施例中，所述压电材料的非平面表面在基本上垂直于所述压电材料的第二表面的方向上极化。所述压电材料的非平面表面可以由阶梯函数或平滑函数来限定。

在某些实施例中，所述反射器还具有非平面表面，其可以由阶梯函数或平滑函数来限定。

在某些实施例中，所述压电材料可以是平面，并且所述反射器可具有非平面表面。

所述至少一个超声换能器可以具有非对称形状，例如梯形。所述反射器也可以具有非对称的形状，例如梯形。