一种基于声表面波驱动的液体中运动的微型推进器及其制备方法

摘要

一种基于声表面波驱动的液体中运动的微型推进器，其特征在于，包括：声表面波器件，其包括压电基底和沉积在压电基底上的叉指换能器，工作频率为10～600MHz；信号源，其与声表面波器件以有线方式连接，用于激发所述声波面波器件产生声表面波；推进载体，其用于搭载声表面波器件，使得声表面波器件表面方向与液体表面法向的夹角，即倾斜角为10～30°。该液体中的微型推进器能够产生一定的驱动力，驱使载体运动。还公开了一种基于声致微流的液体中微型推进器的制备方法。

说明书

技术领域

本发明属于液体中运动的微型推进器领域，具体涉及一种基于声表面波驱动的液体中运动的微型推进器及其制备方法。

背景技术

近些年，液体中推进系统在科研界和工业界都引起广泛的研究兴趣，这得益于其在军事、航空和生物医学等领域具有重要应用潜力，并催生了微型水下驱动器、水下软体机器人、自驱动致动器等多种新型液体中驱动器。以医学领域为例，2009年Watson B等人在《JMicromech Microeng》发表的文章“Piezoelectric ultrasonic resonant motor withstator diameter less than 250μm:the Proteus motor”报道了一种可用于微创手术和内窥镜检查的微型可游动机器人。这些推进系统通常采用旋转式螺旋桨进行驱动，基于的原理涵盖静电场、电磁场、压电、渗透压、热驱动等。然而，这些推进系统的微型化很复杂，并面临着很多技术挑战，特别是对驱动器的功率和方向的精确控制有更高要求时。

自驱动(self-powered)的推进系统向微型化发展的一个重要方向。所谓自驱动，即该推进系统没有通过电机驱动的旋转式螺旋桨，而是通过改进材料或者驱动器的原理来实现自驱动。传统由电机驱动(即含运动部件) 的推进系统要考虑摩擦、散热、功率损耗等多方面的问题，这让推进系统的物理尺寸很难变得很小，如何开发无运动部件的推进系统因此成为当下研究的热点之一。浙江大学李铁风团队2017年4月5日在《SCIENCE ADVANCES》上发表的论文“Fast-moving soft electronic fish”报道一种可快速移动的软体机器鱼，通过采用刺激响应材料，该机器鱼可实现自驱动，并以高达6.4cm/s的速度在液体中移动。不过该软体机器鱼制作工艺较复杂，运动方向的精确控制较难。

声表面波器件在移动通信、传感器领域已取得广泛应用，近些年其在微流控领域也展现了极大吸引力，这得益于声表面波器件尺寸小、价格低、工艺简单、可无线无源工作等优势。通过在压电基底沉积叉指换能器，并在叉指电极两端施加交变信号，由于逆压电效应，压电基底表面会产生声表面波。当压电基底表面有液体时，传播的声表面波与液体相遇时会耦合到液体中。在液体中声波能量迅速衰减，损失的能量转化为液体的机械振动和内能，在液体内部形成液流，这种现象称为声致微流。声致微流效应在微流控领域具有丰富应用，可实现混合、分离、喷雾、喷射、泵动等功能。在声表面波器件的固液界面，当声波的折射角为23°时，该声致微流称为瑞利微流，此时的固液耦合效率高。2013年2月，英国曼彻斯特大学的Yannyk Bourquin等人在《PLOS ONE》上展示了一种利用微电子器件产生SAW用作由局部流体流动驱动的有效推进方法。该技术提供没有任何移动部件的推进，并且可以在无声的条件下进行驱动。当实验对声表面波器件的叉指换能器进行不同的设计时，可以激发出不同方向的SAW，从而可以简单地控制行进方向。本发明以此论文为理论基础，利用瑞利微流效应，通过将声表面波器件以一定角度固定在轻质塑料小船等载体的尾部，并将小船可行进的环境拓展到多种粘稠度的液体中。推进时，搭载的方式使得器件的部分长度伸入液体中；当信号源通过功率放大器激发声表面波器件工作时，由于声致微流效应，声表面波会对液体产生声压，在反作用力的作用下，小船则会向前运动。基于该原理，本发明通过实验分析了影响声表面波器件在不同液体中进行推进运动的影响因素，注重并优化推进器上SAW器件的搭载方式、SAW器件的表面接触角、信号源的信号提供与功率放大，以及SAW器件的材料选择和尺寸设计，提出了一种基于声表面波驱动的液体中运动的微型推进器及其制备方法，并展示了部分最优选的方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声表面波驱动的液体中运动的微型推进器，该液体中的微型推进器能够产生一定的驱动力，驱使载体运动。

为实现上述发明目的，本发明提供以下方案：

一种基于声致微流的液体中运动的微型推进器，包括：

声表面波器件，其包括压电基底和沉积在压电基底上的叉指换能器，工作频率为10～600MHz；

信号源，其与声表面波器件以有线方式连接，用于激发所述声波面波器件产生声表面波；

推进载体，其用于搭载声表面波器件，使得声表面波器件表面方向与液体表面法向的夹角，即倾斜角为10～30°。

应用时，将驱动载体漂浮在液体上，声表面波器件一部分浸入液体中，且与液体平面的法向形成10～30°角，在信号源的驱动下，声表面波器件开始工作，激发的声表面波与液体发生耦合，产生声致微流，由于声致微流效应，声表面波会对液体产生声压，在反作用力的作用下，推进载体会向前运动。

经大量实验探究，声表面波器件的工作频率在10～600MHz内可实现更佳的微流推进效率。本发明中，叉指换能器的形状可为矩形、聚焦形等，或采用倾斜电极。推进载体可以为轻质塑料小船或者橡皮小鸭等。

优选地，所述声表面波器件的表面接触角处理成10°，可以使得液体中微型推进器的运动速度较高。

优选地，搭载在所述推进载体上的声表面波器件与液体面法向的夹角为23°时，产生瑞利微流，可实现最佳的固液耦合效率，从而实现更高的液体中推进器运动速度。

优选地，声表面波器件与其所处液体的表面接触角处于特定角度，表面接触角(contact angle)是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线，此切线在液体一方的与固-液交界线之间的夹角θ_c，所述声表面波器件的表面接触角即空气-液体滴界面的切线与表面液体滴一方的与基底-液体滴交界线之间的夹角θ_c为5～30°。

所述信号源的信号发生器提供交变电信号，经功率放大器放大后，为声表面波器件提供的功率约为10～50dBm(0.01～100W)，频率10-600MHz。

本发明中，声表面波器件采用有线方式工作。当声表面波器件以有线方式工作时，所述信号源包括信号发生器，以及对信号进行放大的功率放大器，功率放大器输出放大的电信号，经同轴线以及漆包线传输至声表面波器件。

优选地，所述声表面波器件尺寸为长0.5～2cm、宽0.5～2cm、厚500μm，所述压电基底为石英、铌酸锂、钽酸锂、压电陶瓷、氧化锌、氮化铝中的一种，所述声表面波器件的叉指换能器厚度为50nm～100um。

一种上述基于声致微流的液体中运动的微型推进器的制备方法，包括以下步骤：

(1)在压电基底上沉积图形化金属薄膜作为叉指换能器，形成声表面波器件；

(2)对声表面波器件的表面进行亲(疏)液体处理；

(3)将声表面波器件固定在推进载体尾部的切面，使得声表面波器件与液体法向形成一定的夹角°；

(4)当声表面波器件以有线方式工作时，信号发生器与功率放大器线路电气连接，功率放大器的输出信号依次经过同轴线和漆包线传输至声表面波器件；

采用漆包线连接线路可防止推进器在液体环境工作时发生导线短路现象。应用时，将制备好的液体中运动的微型推进器置于液体中，推进载体漂浮于液体面上，声表面波器件部分区域浸入液体中，在信号源的驱动下，声表面波器件开始工作，激发的声表面波与液体发生耦合，产生声致微流，由于声致微流效应，声表面波会对液体产生声压，在反作用力的作用下，推进载体会向前运动。当叉指换能器的形状为矩形或聚焦形时，液体中推进器可沿直线运动；当叉指换能器采用倾斜电极时，液体中推进器可按照曲线轨迹运动。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

由于采用声致微流效应，本发明可以在没有任何运动部件的情况下实现推进，具有长寿命、无机械噪声、实现方便、驱动力连续可调、转向灵活等诸多优点。

由于声表面波器件具有很小的尺寸，本发明可实现微型化。

得益于声表面波器件的活性表面，本发明可以避免传统液体中推进器存在的生物交叉污染问题。

本发明液体中驱动器制备工艺简单，推进器的功率和运动方向可精确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明基于声致微流的液体中运动的微型推进器的结构示意图；

图2是声表面波器件与液体面法向之间的角度示意图；

图3是本发明液体中推进器以有线方式工作时的结构示意图；

图4是本发明声表面波器件采用倾斜叉指换能器的结构示意图；

图5是本发明液体中推进器运动速度与输入功率的关系数据图；

图6是在不同的声表面波器件表面接触角的情况下，本发明液体中推进器运动速度与输入功率的关系数据图；

标注说明：128°Y-cut LiNbO₃压电基底1，叉指换能器2，塑料轻质小船3，液体4，信号源5，信号发生器6，功率放大器7，问答器8，天线9。

具体实施方式

为使本发明的目的、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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

实施例1

参见图1～2，本实施例提供的声致微流的液体中运动的微型推进器包括声表面波器件、轻质塑料小船3、信号源5，其中，声表面波器件由128° Y-cut LiNbO₃压电基底1与叉指换能器2组成，声表面波器件的波长为200>

应用时，轻质塑料小船3浮于液体面4上，声表面波器件与液体面法向之间的角度θ为23°时，产生的声致微流为瑞利微流，固液耦合效果最佳。推进器的运动方向和声致微流的方向相反。

实施例2

参见图1～5，本实施例提供了一种基于声致微流的液体中运动的微型推进器的制备方法，包括以下步骤：

首先，采用光刻和lift-off工艺，在128°Y-cut LiNbO₃压电基底1表面制备图形化金属薄膜铝(200nm厚)，形成声表面波叉指换能器2。叉指换能器2的波长为200μm，工作频率约为20MHz。叉指换能器2为矩形时的示意图如图1所示，采用倾斜电极的示意图如图5所示。

然后，对声表面波器件的表面进行亲液体处理，使得接触角约为10°。

接下来，制备轻质塑料小船3作为推进载体浮于液体4中，轻质塑料小船3的长宽高为4cm×3cm×2cm。用粘固的方式将声表面波器件固定在轻质塑料小船3尾部，声表面波器件与液体面法向的角度为23°，叉指换能器2的前方部分区域浸入液体4中。

如图3所示，当液体中推进器以有线方式工作时，信号源包括信号发生器和功率放大器，调节放大器的输出功率在30～38dBm范围内。通过同轴线和漆包线将信号源与声表面波器件进行电气连接，漆包线可防止推进器在液体环境工作时发生导线短路现象；如图4所示，当液体中推进器以无线方式工作时，信号源包括问答器8、天线9，问答器通过天线8发射问询信号，当声表面波器件上的天线9接收到问询信号后即可工作。

给信号源上电，声表面波器件开始工作，行进的声表面波与液体发生耦合，产生声致微流，推进器在反作用力的推动下开始运动。当叉指换能器的形状为矩形，液体中推进器可沿直线运动；当叉指换能器采用倾斜电极时，液体中推进器可按照沿曲线轨迹运动。

实施例3

按照实施例2制备液体中推进器，当叉指换能器采用矩形状，且推进器以有线方式工作时，通过调节输入功率在30～38dBm范围内(即1-6W 范围)，所获得的推进器运动速度结果如图5所示。从图5可看出，推进器直线运动速度在0.8～8.6cm/s间变化，最高速度超过2个船体长度。由此可见，本发明一种基于声致微流的液体中运动的微型推进器可以实现很强的推进效果，在军事、航空和生物医学等领域具有重要应用潜力。

实施例4

按照实施例2制备液体中推进器，对声表面波器件的表面做不同的亲疏液体处理，使其接触角分别为10°、50°和90°，分别获得对应接触角下推进器运动速度和输入功率的关系，结果如图6所示。可以看出，在相同输入功率下，当接触角增大时，推进器的运动速度降低。在接触角为10°时，获得最佳的驱动效果。这可以解释为接触角降低时，液体4和声表面波器件的接触面积增大，因此反向推动力更大，进而产生更高的驱动速率。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。