Акустический микронасос

Полезная модель относится к акустическим микронасосам для перемещения малых объемов жидкости и может быть применена в микроаналитических системах, анализирующих малые объемы жидкости, в системах химического анализа и смешивания жидких веществ, дозирования лекарств и т.д.
Известны электрокинетические (электроосмотические) микронасосы (A.Manz, C.S. Effenhauser, N. Burggraf, D.J. Harrison, K. Seiler, K. Fluri, Electroosmotic pumping and electrophoretic separations for miniaturized chemical analysis systems, J. Micromech. Microeng., 1994, v. 4, pp. 257-265. Chuan-Hua Chen, Juan Santiago, A Planar Electroosmotic Micropump, J. Electromechanical Systems, 2002, v. 11. No.6, pp. 672-683. Oliver Geschke, Henning Klank, Pieter Telleman, Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices, Willey-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, Weinheim, 2004, pp. 46-50), основанные на использовании эффекта образования двойного электрического слоя на границе раздела полярная жидкость - твердый диэлектрик. При наложении внешнего электрического поля на высокопористые тела, находящиеся в контакте с полярной жидкостью и обладающие развитой поверхностью такого контакта, имеет место небольшое смещение подвижной (диффузной) части двойного электрического слоя относительно его неподвижной (пристеночной) части, за счет чего происходит принудительное перемещение жидкости в направлении, параллельном внешнему электрическому полю. Такие микронасосы имеют ряд ограничений, главными из которых являются электролиз перекачиваемого раствора, что может привести к изменению его химического состава, а также образование пузырьков газов в непосредственном контакте с пористым телом, что может привести к ухудшению или прекращению перекачивания жидкости.
От указанных недостатков свободен электрокинетический микронасос [М. Moini, Р. Сао, A.J. Bard, Hydroquinone as a Buffer Additive for suppression of bubbles formed by Electrochemical oxidation, Anal. Chemistry, 1999, v. 71, pp. 1658-1661], при использовании которого в перекачиваемую жидкость вводятся микроколичества буферного вещества (например, гидрохинона), характеризующегося небольшими величинами окислительно-восстановительного потенциала и препятствующего электролитическому разложению воды или других газообразующих компонентов на электродах. Однако недостатком такого устройства является необходимость "загрязнения" перекачиваемой жидкости буферным веществом.
Другим аналогом является микронасос, свободный от указанных недостатков (Y. Takamura, H. Onoda, H. Inokuchi, S. Adachi, A. Oki, Y. Horiikc, Lowvoltage electroosmosis pump for stand-alone microfluidic devices, Electrophoresis, 2003, 24, pp. 185-192.). В этом микронасосе в качестве электрода используется электропроводящий полимерный гель в контакте с металлической платиной. Вместо образования газов в результате электролиза в таком устройстве имеет место химическая перегруппировка органических веществ в составе полимерного геля. Однако недостатком такого устройства является то, что плотность электрического тока, которую можно обеспечивать с помощью таких электродов, настолько низкая, что устройство может быть использовано только для целей химического анализа с применением аналитических микрочипов.
Однако общим недостатком всех перечисленных конструкций является использование в соединении нескольких разнородных материалов, имеющих разные температурные коэффициенты расширения, что может нарушить их работоспособность в широком диапазоне положительных и отрицательных температур.
Еще одним аналогом является акустоэлектронный микронасос (Патент РФ 2408795), состоящий из не менее чем одного акустоэлектронного преобразователя. Акустоэлектронные преобразователи установлены на полой трубке, которая является звукопроводом. При этом акустоэлектронный преобразователь может быть сформирован на торце трубки.
Другим аналогом является микронасос, состоящий из не менее чем одного акустоэлектронного преобразователя (JP 2006090155 A, 06.04.2006). Насос состоит из пластины пьезоэлектрика с нанесенным на его поверхности встречно-штыревым преобразователем (ВШП) и профилированной в виде канала крышкой, соединенной с пластиной пьезоэлектрика.
Недостатком известных акустических микронасосов является использование нескольких акустоэлектронных преобразователей, что усложняет устройство и  делает невозможным  перемещение малых объемов жидкости.
Известен акустический насос (Патент SU 696181), содержащий установленные в торцевых стенках рабочей камеры два обратимых электроакустических преобразователя, подключенных через электрическую цепь к генератору электрических колебаний, а один из преобразователей подключен к генератору электрических колебаний через фазосдвигающий блок.
Недостатком акустического насоса является использование нескольких акустоэлектронных преобразователей, что усложняет устройство и его низкая эффективность, а также невозможность перемещения малых объемов жидкости.
Известен акустический вибронасос (Патент SU 663891), содержащий канал для перекачиваемой среды, в котором в зоне входного окна установлен акустический излучатель, подключенный к системе управления с генератором электрических колебаний и ориентированный в сторону выходного окна, а в зоне выходного окна установлен дополнительный излучатель, ориентированный в сторону противоположную первому.
Недостатком акустического насоса является использование нескольких акустоэлектронных преобразователей, что усложняет устройство и его низкая эффективность, а также невозможность перемещения малых объемов жидкости.
Известен микронасос на поверхностных акустических волнах (Florian G. Strobl, Dominik Breyer, Phillip Link, Adriano A. Torrano, Christoph Bräuchle, Matthias F. Schneider and Achim Wixforth. A surface acoustic wave-driven micropump for particle uptake investigation under physiological flow conditions in very small volumes // Beilstein J. Nanotechnol. 2015, 6, 414-419. doi:10.3762/bjnano.6.41), состоящий из источника ультрозвуковых колебаний и акустической линзы.
Недостатком такой конструкции является ее низкая эффективность, обусловленная невозможностью сфокусировать акустическое излучение в фокальную область с поперечными размерами менее длины волны излучения.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является акустический микронасос (Патент США 6010316 ACOUSTIC MICROPUMP), содержащий впускной и выпускной каналы, конусообразную полость соединенную вершиной с выпускным каналом, источник ультразвуковых волн, облучающий фокусирующее устройство, фокусирующее ультразвуковое излучение на входе выпускного канала.
Недостатком этого акустического микронасоса является его низкая эффективность, обусловленная невозможностью сфокусировать акустическое излучение в фокальную область с поперечными размерами менее длины волны излучения. Кроме того, ни в одной из упомянутых конструкций не решается проблема повышения уровня давления и скорости перемещения жидкости в акустическом микронасосе за счет сверхфокусировки акустического излучения.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков.
Технический результат достигается тем, что в акустическом микронасосе, содержащем впускной и выпускной каналы, конусообразную полость, соединенную вершиной с выпускным каналом, источник ультразвуковых волн, облучающий фокусирующее устройство, фокусирующее ультразвуковое излучение на входе выпускного канала, новым является то, что в области фокусировки излучения фокусирующего устройства размещают мезоразмерную звукопроводящую частицу с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0,5 до 0,83, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения область с повышенной интенсивностью звука, с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ, и размещают вход выпускного канала в этой области.
На Фиг. 1 приведена схема устройства. Обозначения:
1 - источник ультразвуковых волн (пьезоэлектрический преобразователь, встречно-штырьевой преобразователь), 2 - фокусирующее устройство (акустическая линза, зонная пластина Френеля, фокусирующий пьезоэлектрический преобразователь), 3 - впускной канал, 4 - конусообразная полость, 5 - мезоразмерная звукопроводящая частица; 6 - акустоструя, формируемая на теневой поверхности мезоразмерной частицы; 7 - выпускной канал.
2
В результате проведенных исследований было обнаружено, что мезоразмерная звукопроводящая частица, например, в форме куба или сферы, или цилиндра, или диска с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0,5 до 0,83, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения и с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью не более 10λ. Существует связь между интенсивностью и звуковым давлением: Ι=р/2ρv где ρ - плотность среды, v - скорость звука (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И. П. Голямина. - М.: «Советская энциклопедия», 1979, страницы 25-26).
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) акустического поля с помощью линзовых систем (Борн М., Вольф Э., Основы оптики - М.: Наука, 1970)
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mn>2.44</mn><mi>λ</mi><mfrac><mi>F</mi><mi>D</mi></mfrac><mo>,</mo></mrow>
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.
Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства.
Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет область концентрации акустической энергии для идеального фокусирующего устройства: линзы или зеркальной антенны. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.
Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978).
,
,
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); Y.F. Lu, L. Zhang, W.D. Song, Y.W. Zheng, and B.S. Lukyanchuk // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B.S. Lukyanchuk, Z.B. Wang, W.D. Song, and M.H. Hong, Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning, // Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79(4-6), 747-751 (2004)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.
Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема (Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356).
,
Позднее возможность получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например эллиптических наночастиц (Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Т. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).), многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления (Cesar Mendez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.), дисков (B. S. Lukyanchuk, N.I. Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. 9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).), цилиндра-сферы (Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445).
Также было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. (I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu.E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910(2015); Yu.E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, № 4, с. 4-10).
Повышенная интенсивность акустического излучения в области фокусировки и повышенное давление в этой области приводит к направленному движению жидкости в направлении от излучателя, появлению так называемого эффекта «звукового ветра».
Звуковой ветер является гидродинамическим эффектом второго порядка, связанным с вязкостью среды, в которой распространяется звук. Ультразвуковой ветер проявляется в виде сильных течений, приводящих к перемешиванию среды. Акустические течения (акустический, звуковой или ультразвуковой ветер) - вихревые течения, возникающие в интенсивном звуковом поле в жидкостях и газах. Природа акустических течений объясняется законом сохранения импульса. Звуковая волна, проходящая через среду, несет в себе импульс, который постепенно передается частицам среды, вызывая их упорядоченное движение.
Скорость акустических течений зависит от интенсивности звука и вязкости среды. При относительно малых интенсивностях скорость акустического течения пропорциональна интенсивности ультразвука и квадрату частоты (J. E. Piercy, J. Lamb. Acoustic streaming in liquids // Proc. Roy. Soc., A226, 1164, 43, 1954).
При выполнении мезоразмерной звукопроводящей частицы с размерами более поперечных размеров области фокусировки излучения формирующей системы увеличиваются габариты устройства. При характерных размерах мезоразмерной частицы менее λ/2 локальная концентрация акустического поля вблизи поверхности частицы не возникает.
При относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы относительно скорости звука в окружающей среде менее 0,5 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка дифракционного предела и не может быть обеспечен формирующей системой.
При относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы относительно скорости звука в окружающей среде более 0,83 локальная концентрация акустического поля возникает внутри частицы и не может быть использована для перемещения жидкости в микронасосе.
Уменьшение поперечных размеров области фокусировки приводит к одновременному повышению интенсивности акустического поля исследования без повышения интенсивности излучения источника акустического поля.
Устройство работает следующим образом. Акустический микронасос содержит источник ультразвуковых волн 1 (пьезоэлектрический преобразователь или встречно-штырьевой преобразователь), фокусирующее устройство 2 (акустическая линза, зонная пластина Френеля, фокусирующий пьезоэлектрический преобразователь), впускной канал 3, конусообразную полость 4, мезоразмерную звукопроводящую частицу 5, выпускной канал 7. Источник ультразвуковых волн 1 облучает фокусирующее устройство 2.
В фокальной плоскости фокусирующего устройства 2 установлена мезоразмерная звукопроводящая частица 5. При облучении ее акустическим излучением, на ее теневой поверхности формируется акустоструя 6 - область повышенной концентрации акустической энергии. Формируемая акустоструя 6 размещается на входе выпускного канала 7. Из-за возникающего градиента давления возникает поток жидкости направленный в выпускной канал 7. Для упрощения сопряжения выпускного канала 7 с областью повышенной концентрации акустической энергии 6, конусообразная полость 4 соединена вершиной с выпускном каналом 3, а ее основание направлено в сторону фокусирующего устройства 2. Впускной канал 3 служит для поступления жидкости в конусообразную полость 4.
Материал звукопроводящей частицы может быть различным, однородным и композиционным, и зависит от акустических свойств окружающей линзу среды. Например, в воде со скоростью звука с=1480 м/с и с акустическим волновым сопротивлением ρc=1,48 линза может быть выполнена, например, из акрила со скоростью звука в материале с=2670 м/с (относительная скорость звука 1,8) и ρc=3,15 (относительное волновое сопротивление 2,1) или полиамида (относительная скорость звука 1,77) и ρc=2,88 (относительное волновое сопротивление 1,95). Здесь ρ плотность материала.
Звукопроводящая мезоразмерная частица может быть выполнена в форме шарика, цилиндра, диска, кубика, усеченного шарика, кругового конуса, пирамиды и т.д., например, (Патент РФ 175684, акустический датчик).
Сравнение прототипа и предлагаемого устройства производилось на частоте 1 МГц с жидкостной ячейкой из воды при 25°С (скорость звука 1490 м/с) и звукопроводящей частицы из рексолита (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0,645, формы частиц шарик, кубик, усеченный шарик, круговой конус с характерным размером 1,5 λ. Было установлено, что в предлагаемом устройстве достигнута локализация акустического поля, превышающего область фокусировки акустической линзы по прототипу в 3-3,5 раза, что приводит к одновременному повышению интенсивности акустического излучения в области фокусировки микронасоса без повышения интенсивности излучения источника акустического поля в 7-9 раз. С увеличением характерного размера мезоразмерной звукопроводящей частицы интенсивность акустического излучения в области фокуса возрастает еще сильнее.