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CN111330657B - 一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置 - Google Patents

一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置，包括架体、相控阵超声波换能器、漏斗和升降组件，其中相控阵超声波换能器上设有多个超声波发送/接收元件，所述的超声波发送/接收元件以阵列的形式进行排列；漏斗中盛装有流体；升降组件设于所述的架体上，可进行垂向的升降，所述的相控阵超声波换能器或漏斗设于升降组件上，使得相控阵超声波换能器和漏斗之间能够进行相对距离调整，以此调整相控阵超声波换能器发出的超声波在漏斗中的超声聚焦位置。与现有技术相比，本发明能够使声波能量汇聚在液滴对应体积的位置，阻断液滴之间的相互作用力，使液滴脱落，进而实现对液滴滴落速度及尺寸的精准控制。

Description

一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置
技术领域
本发明涉及一种微流控设备，尤其是涉及一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置。
背景技术
目前，电子器件小型化、智能化的发展趋势，使得微电子封装中多为采用胶粘的连接形式，粘接剂、底部填充胶等高黏性胶体材料的准确、微量、快速分配是该领域发展中必不可少的技术手段。
传统的点胶系统，如机械挤压等工作方式，受工作原理和驱动方式的限制，存在点胶速度慢、胶滴体积大等缺点，其胶液分配精度和速度难以满足精准快速分配的要求。随着集成电路的快速发展，在工业中胶体粘度需求越来越高，需要分配的胶滴体积越来越小，甚至达到微纳升级别。微电子封装对胶体分配过程中的分配速度、准确度和精度提出了更高的要求。
为更好地满足胶体分配过程中的高要求，工业点胶开始采用压电撞针式喷射原理，以压电陶瓷驱动器作为驱动源，通过液压传动或杠杆传动的传递方式将驱动器的输出位移传递至撞针，实现胶液的微量喷射。该方式能够达到胶体快速分配的性能要求，不过由于压电元件存在迟滞非线性特点，严重影响了输出准确度，在分配胶体变化时需重新人工校准分配参数，难以完成不同期望体积的快速分配以及对不同尺寸、封装类型芯片的贴装任务，制约了微电子封装领域胶体分配向微量精确、体积可控、快速分配作业的发展进程。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置，使声波能量汇聚在液滴对应体积的位置，阻断液滴之间的相互作用力，使液滴脱落，进而实现对液滴滴落速度及尺寸的控制。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明中基于相控阵超声波换能器的微流控装置，包括架体、相控阵超声波换能器、漏斗和升降组件，其中具体地：
相控阵超声波换能器上设有多个超声波发送/接收元件，所述的超声波发送/接收元件以阵列的形式进行排列；
漏斗中盛装有流体；
升降组件设于所述的架体上，可进行垂向的升降，所述的相控阵超声波换能器或漏斗设于升降组件上，使得相控阵超声波换能器和漏斗之间能够进行相对距离调整，以此调整相控阵超声波换能器发出的超声波在漏斗中的超声聚焦位置。
进一步地，所述的相控阵超声波换能器包括板体，所述的板体为凹面型结构。
进一步地，多个超声波发送/接收元件以阵列的形式排布于所述的板体的凹面一侧上，同时使得板体的凹面一侧朝向漏斗的广口一侧。这样使得漏斗中的流体在下落的同时受到超声波发送/接收元件聚焦后的剪切作用，使得流体在漏斗的滴落端被剪切成需求的尺寸并向外喷出，以此实现微量精确、体积可控、快速分配作业。
进一步地，所述的超声波发送/接收元件由超声波发射电路与超声波接收电路构成。
进一步地，所述的架体包括竖杆、水平板、滴落平台；
所述的竖杆与水平板相互垂直连接；
所述的滴落平台水平连接于竖杆的最底端。
进一步地，所述的升降组件包括步进电机、第一传动带、第一传动轴和第二传动带；
所述的第一传动轴水平设于两个竖杆之间；
所述的第一传动带的一端套设于步进电机的输出轴上，另一端套设于所述的第一传动轴上；
进一步地，所述的第二传动带一端套设于第一传动轴上，第二传动带中的一条带穿过相控阵超声波换能器或漏斗的固定板，另一条带固定于相控阵超声波换能器或漏斗的固定板上，使得第一传动轴转动时，相控阵超声波换能器或漏斗在第二传动带的带动下进行相对位移。
进一步地，所述的升降组件还包括第二传动轴，所述的第二传动轴水平设于两个竖杆之间；
所述的第二传动带一端套设于第一传动轴上，另一端套设于第二传动轴上，第二传动带的中部一条带穿过相控阵超声波换能器或漏斗的固定板，另一条带固定于相控阵超声波换能器或漏斗的固定板上。
进一步地，所述的微流控装置还包括微处理器，所述的微处理器分别与超声波发送/接收元件和步进电机电连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明中的微流控装置可实现对不同粘度液体滴落速度的精确控制，本发明中的相控阵超声波换能器中按照一定的规则和时序激发每一组超声波发送/接收元件，通过调整激发超声波发送/接收元件的作用序列、数量、时间来控制波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置，相控阵超声波换能器实时接收微处理器发出的指令电信号，并做出相应的程序动作，具体实施时，微处理器加载预设的策略激发在其内凹面上的超声波发送/接收元件，控制所发出声波波束的形状、焦点位置等，使声波能量汇聚在液滴对应体积的位置，阻断液滴之间的相互作用力，使液滴脱落，进而实现对液滴滴落速度及尺寸的控制。
2)本发明中的微流控装置应用对象为高粘度液体时，通过调节相控阵焦点位置，使其移动距离增大，焦域变小，能量增强，阻断经过该域液滴的相互作用力，实现对液滴体积的可控，进而实现对液滴滴落速度的控制，低粘度液体的控制与之相反。同时，由于不同振幅、不同频率的声波在传递过程中引起的管壁和溶液的机械振动不同，不同的振动条件下液滴的成型速度不同，则通过控制换能器发出的声波，可实现对液滴成型速度的精准控制。
附图说明
图1为本发明中微流控装置的主视图；
图2为本发明中微流控装置中的立体结构示意图；
图3为本发明中相控阵超声波换能器的结构示意图。
图中：1、相控阵超声波换能器；2、架体；3、漏斗；4、步进电机；5、第一传动带；6、第一传动轴；7、第二传动带；8、第二传动轴；11、超声波发送/接收元件，12、板体，21、竖杆，22、水平板，23、滴落平台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明中基于相控阵超声波换能器的微流控装置，包括架体2、相控阵超声波换能器1、漏斗3和升降组件，参见图1，漏斗3中盛装有流体。
相控阵超声波换能器1上设有多个超声波发送/接收元件11，所述的超声波发送/接收元件11以阵列的形式进行排列。相控阵超声波换能器1包括板体12，所述的板体12为凹面型结构。多个超声波发送/接收元件11以阵列的形式排布于所述的板体12的凹面一侧上，参见图2，同时使得板体12的凹面一侧朝向漏斗的广口一侧。这样使得漏斗中的流体在下落的同时受到超声波发送/接收元件11聚焦后的剪切作用，使得流体在漏斗3的滴落端被剪切成需求的尺寸并向外喷出，以此实现微量精确、体积可控、快速分配作业。超声波发送/接收元件11由超声波发射电路与超声波接收电路构成。
升降组件设于所述的架体2上，可进行垂向的升降，所述的相控阵超声波换能器1或漏斗3设于升降组件上，使得相控阵超声波换能器1和漏斗3之间能够进行相对距离调整，以此调整相控阵超声波换能器1发出的超声波在漏斗3中的超声聚焦位置。架体2包括竖杆21、水平板22、滴落平台23；竖杆21与水平板22相互垂直连接。滴落平台23水平连接于竖杆21的最底端。升降组件包括步进电机4、第一传动带5、第一传动轴6和第二传动带7；第一传动轴6水平设于两个竖杆21之间。第一传动带5的一端套设于步进电机4的输出轴上，另一端套设于所述的第一传动轴6上。第二传动带7一端套设于第一传动轴6上，第二传动带7中的一条带穿过相控阵超声波换能器1或漏斗3的固定板，另一条带固定于相控阵超声波换能器1或漏斗3的固定板上，使得第一传动轴6转动时，相控阵超声波换能器1或漏斗3在第二传动带7的带动下进行相对位移。升降组件还包括第二传动轴8，所述的第二传动轴8水平设于两个竖杆21之间。第二传动带7一端套设于第一传动轴6上，另一端套设于第二传动轴8上，第二传动带7的中部一条带穿过相控阵超声波换能器1或漏斗3的固定板，另一条带固定于相控阵超声波换能器1或漏斗3的固定板上。
控制机构：微流控装置还包括微处理器，微处理器分别与超声波发送/接收元件11和步进电机4电连接。相控阵超声波换能器中按照一定的规则和时序激发每一组超声波发送/接收元件，通过调整激发超声波发送/接收元件的作用序列、数量、时间来控制波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置，相控阵超声波换能器实时接收微处理器发出的指令电信号，并做出相应的程序动作，具体实施时，微处理器加载预设的策略激发在其内凹面上的超声波发送/接收元件，控制所发出声波波束的形状、焦点位置等，使声波能量汇聚在液滴对应体积的位置，阻断液滴之间的相互作用力，使液滴脱落，进而实现对液滴滴落速度的控制。
微流控装置应用对象为高粘度液体时，通过调节相控阵焦点位置，使其移动距离增大，焦域变小，能量增强，阻断经过该域液滴的相互作用力，实现对液滴体积的可控，进而实现对液滴滴落速度的控制，低粘度液体的控制与之相反。同时，由于不同振幅、不同频率的声波在传递过程中引起的管壁和溶液的机械振动不同，不同的振动条件下液滴的成型速度不同，则通过控制换能器发出的声波，可实现对液滴成型速度的控制。
在进行反馈调节时，超声波发送/接收元件11中的超声波接收电路实时对反射会的超声信号进行分析计算，以计算得到的结果进一步调整作用序列、数量、时间来控制波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置，实现聚焦的校准。本实施例中的微处理器与外设的触摸屏或者控制面板电连接，实现人机交互，并实时显示运行状态。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置，其特征在于，包括：
架体（2）；
相控阵超声波换能器（1），其上设有多个超声波发送/接收元件（11），所述的超声波发送/接收元件（11）以阵列的形式进行排列；
漏斗（3），其中盛装有流体；
升降组件，设于所述的架体（2）上，可进行垂向的升降，所述的相控阵超声波换能器（1）或漏斗（3）设于升降组件上，使得相控阵超声波换能器（1）和漏斗（3）之间能够进行相对距离调整，以此调整相控阵超声波换能器（1）发出的超声波在漏斗（3）中的超声聚焦位置；
所述的相控阵超声波换能器（1）包括板体（12），所述的板体（12）为凹面型结构；
多个超声波发送/接收元件（11）以阵列的形式排布于所述的板体（12）的凹面一侧上，同时使得板体（12）的凹面一侧朝向漏斗的广口一侧；
相控阵超声波换能器（1）中，按照预设的规则和时序激发每一组超声波发送/接收元件（11），通过调整激发超声波发送/接收元件（11）的作用序列、数量、时间来控制波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置，其特征在于，所述的超声波发送/接收元件（11）由超声波发射电路与超声波接收电路构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置，其特征在于，所述的架体（2）包括竖杆（21）、水平板（22）、滴落平台（23）；
所述的竖杆（21）与水平板（22）相互垂直连接；
所述的滴落平台（23）水平连接于竖杆（21）的最底端。
4.根据权利要求3所述的一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置，其特征在于，所述的升降组件包括步进电机（4）、第一传动带（5）、第一传动轴（6）和第二传动带（7）；
所述的第一传动轴（6）水平设于两个竖杆（21）之间；
所述的第一传动带（5）的一端套设于步进电机（4）的输出轴上，另一端套设于所述的第一传动轴（6）上。
5.根据权利要求4所述的一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置，其特征在于，所述的第二传动带（7）一端套设于第一传动轴（6）上，第二传动带（7）中的一条带穿过相控阵超声波换能器（1）或漏斗（3）的固定板，另一条带固定于相控阵超声波换能器（1）或漏斗（3）的固定板上，使得第一传动轴（6）转动时，相控阵超声波换能器（1）或漏斗（3）在第二传动带（7）的带动下进行相对位移。
6.根据权利要求5所述的一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置，其特征在于，所述的升降组件还包括第二传动轴（8），所述的第二传动轴（8）水平设于两个竖杆（21）之间；
所述的第二传动带（7）一端套设于第一传动轴（6）上，另一端套设于第二传动轴（8）上，第二传动带（7）的中部一条带穿过相控阵超声波换能器（1）或漏斗（3）的固定板，另一条带固定于相控阵超声波换能器（1）或漏斗（3）的固定板上。
7.根据权利要求6所述的一种基于相控阵超声波换能器的微流控装置，其特征在于，所述的微流控装置还包括微处理器，所述的微处理器分别与超声波发送/接收元件（11）和步进电机（4）电连接。
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