声学镊子的制作方法

本发明涉及电声装置，该电声装置尤其用于操作尺寸小于10^-2m的浸入流体培养基、优选液体培养基中且特别是与流体培养基相比具有更低的密度和/或更软的对象。

背景技术：

纳米尺寸和微米尺寸的对象的选择性操作是各种技术领域(例如细胞生物学、微流体、纳米尺寸和微米尺寸的系统组件)中的复杂操作。可以使用工具(例如镊子或微量移液管)进行操作。然后通过工具的位移来操作对象。这种通常称为“直接接触”方法的操作方法是不理想的，特别是当对象柔软、发粘或甚至易碎时。此外，有可能改变所操作的对象。最后，对象所在的系统中引入该工具可能修改系统的属性。例如，在对象经受电磁场的情况下，引入工具会产生对所述场的干涉。它还会引入一些污染。在系统是包含细胞的生物培养基的情况下，引入工具会修改细胞行为。

已经开发了替代的非接触式方法，例如介电泳、磁泳或光泳(也称为“光学镊子”方法)。然而，所有这些技术都有很大的缺陷。例如，介电泳取决于对象的极化率，并且需要在待操作的对象附近安装电极。磁泳需要将标记物移植到对象上。光泳可以与移植一起使用或不与移植一起使用，但是由于该方法固有的显著加热和光毒性而限于非常小的力。

已经开发了另一种方法，称为“驻波声泳”，其包括实现在衬底中生成的表面声波(saw)，用于操作横放或重叠衬底的对象。

us7,878,063b1描述了一种电声装置，其包括衬底和衬底上的三对交错式换能器。每对换能器限定用于传播由换能器生成的表面声波的声路。三条声路相交，从而产生用于检测生物物种的中心区域。

wo2013/116311a1公开了一种用于操作颗粒的设备，该设备包括一对可变频率交错式换能器和限定在衬底上的通道，该通道不对称地设置在换能器之间。

wo2015/134831描述了一种声学设备，其包括：用以生成第一声波的第一交错式换能器装置和用以在相对于第一声波的非平行方向上生成第二声波的第二交错式换能器装置、以及至少部分地由干涉图案限定的操作区域，该干涉图案至少部分地由第一声波和第二声波之间的相互作用形成。

文章“用于在微流体通道中对单独的颗粒进行二维操作的快速声学镊子(fastacoustictweezerforthetwo-dimensionalmanipulationofindividualparticlesinmicrofluidicchannels)”(s.b.q.tran,p.marmottantandp.thibault,appliedphysicsletters(应用物理学快报),americaninstituteofphysics(美国物理联合会),2012,101,第114103页)描述了一种装置，其包括围绕中心区域以固定间隔设置在衬底上的四个交错式换能器。每个换能器生成驻表面声波。该装置的实施提供了在中心区域中对颗粒的位移。

us2013/0047728a1教导了一种设备，其包括用于在感兴趣区域内提供可变超声信号的超声源、以及连接到超声源使得其向超声源提供控制信号的控制器。可变超声信号在感兴趣区域内产生压力场，其形状和/或位置可通过改变输入到超声源的控制信号而改变，使得感兴趣区域内的颗粒将响应于压力场的变化而移动。然而，us2013/0047728a1的设备被配置成生成体声波。因此，其需要大尺寸的部件，这防止在芯片实验室上的任何使用。另外，它不适于生成任何表面声波。

所有已知的驻波声泳方法都包括生成用于操作对象的驻声波。然而，这些方法的选择性是有限的。特别地，所有对象都会向波的波节或波腹移动。因此，驻波声泳方法不允许独立于相邻对象而选择性地操作对象。

此外，us4,453,242、us2010/0219910、us2009/01114798和文章“由环形叉指换能器生成的表面声波的亚波长聚焦(subwavelengthfocusingofsurfaceacousticwavesgeneratedbyanannularinterdigitaltransducer)”(v.laude等,appliedphysicsletters(应用物理学快报),卷92,094104(2008年))教导了用于在布置有电极的衬底中生成在衬底中聚焦的表面声波的装置。

技术实现要素：

因此，需要一种电声装置和一种用于操作至少一个对象的方法，其克服现有技术的至少一些缺点。

根据第一方面，本发明的示例性实施方式涉及一种包括至少一个前驱波换能器的电声装置，所述电声装置包括：

-压电衬底，和

-相反极性的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极布置在所述衬底上并配置成在所述衬底中生成未聚焦的前驱超声表面波，

其中，

当流体培养基，优选液体培养基，与所述电声装置声学耦合时，所述前驱超声表面波作为体声波传播到所述流体培养基的大部分中并在其中聚焦。

变得聚焦的波(所谓的聚焦超声波)向干涉导致最大波幅的空间点传播。超声波可以聚焦在各向同性衬底和/或各向异性衬底中。

图1示意性地示出沿着x方向和y方向的2d聚焦超声波的振幅5。聚焦超声波包括由如图1中的虚线所示的低振幅的同心环15(通常称为“暗环”)环绕的高振幅的区域10(通常称为“亮点”)。亮点是高辐射压力的区域，而黑圆圈是低辐射压力的区域。因此，一旦其尺寸基本上等于或小于声波的基波波长时，位于黑圆圈上的与被植入的流体培养基相比较不致密且更柔软的对象被如图1中的箭头20所指示的亮点吸引。

与根据现有技术的装置(例如进行驻波声泳)相比，本发明提供了多个优点。首先，它能够容易地操作比植入它们的流体培养基更不致密且更柔软的对象。因此可以执行例如气泡或软细胞的操作。其次，根据本发明的电声装置易于实施，这是因为它可以仅用单一前驱saw换能器来提供对对象的操作。它也可以用单一低成本供电系统来供电。另外，与现有技术相比，它不需要前驱saw换能器的任何特定设置，其中必须精确地设置换能器组中的每个换能器，使得由换能器生成的saw的干涉导致能够进行对象操作的辐射压力场。而且，本发明不受关于saw传播的任何衬底特性的限制。特别地，衬底优选是各向异性的。此外，电声装置可以被调谐到比现有技术的装置更宽范围的对象尺寸。特别地，该装置可以在相同尺寸的对象上施加比光泳装置更大的力而不会破坏它。在本说明书中，表面声波(saw)被认为具有范围在1mhz和10000mhz之间的频率。术语“表面声波”和“表面超声波”在此认为是等同的。

根据本发明的第一方面的电声装置还可以呈现以下任选特征中的一个或多个：

-流体培养基是液体培养基，优选包括植入溶剂中的对象；

-将其中体声波聚焦的聚焦平面与布置有所述第一电极和所述第二电极的衬底表面隔开的距离与所述前驱超声表面波的基波波长的比率大于10，所述距离是垂直于所述衬底表面而测量的；

-电声装置包括与所述衬底重叠的支撑件，所述支撑件与其声学耦合并且由至少一种不同于衬底材料的材料制成，使得当所述流体培养基设置在所述支撑件上时，所述体声波在到达所述流体培养基之前在所述支撑件中传播；

-支撑件包括堆叠的声学耦合层；

-支撑件具有大于前驱超声表面波的基波波长的10倍的沿垂直于衬底的方向所测量的厚度；例如，它大于100μm且小于1000μm；

-支撑件包括选自玻璃和聚合物的材料，特别是热塑性塑料，最优选聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，优选地所述支撑件包括玻璃；

第一电极和第二电极包括相应的第一轨道和第二轨道，每个轨道绘制由以下等式限定的线：

其中：

·r(θ)是所述线的距中心c且相对于方位角θ的极坐标，

·是一个自由参数，

特别地，为了使第一电极和第二电极的相邻轨道遵循不同的线，设置不同的它们之间的差优选地在3.0和3.3之间，甚至优选地等于π；

特别是当电声装置包括第一电极和相应的第二电极的多个轨道时，优选地在每对相邻轨道之间以6.0和6.6之间的增量递增，所述增量优选地等于2π；

·μ0(θ)由下式给出：

其中z0是所述衬底和所述支撑件之间的界面的高度，zn是所述流体培养基中的焦平面的高度，zi是支撑件包括堆叠的声学耦合层的情况下隔开两个连续层的界面的高度，且i≥1，n>1，在没有堆叠层的情况下，μ0(θ)＝0，

·是在下的的求值

其中依赖于θ如下：

·sr(ψ)是在所述衬底的表面上的沿传播方向ψ的波慢度，而sz(ψ)是在平面外方向上的波慢度，在i为r或z的方向i上的波慢度从波数ki计算为sr(ψ)＝kr(ψ)/ω:和sz(ψ)＝kz(ψ)/ω

·sr′(ψ)是sr(ψ)相对于传播方向的导数，

·α(ψ)是在方向ψ上传播的波相对于相关电场的竖向运动的相位；

-相邻的第一轨道和第二轨道之间的径向步长(δ)包括在0.48λ和0.52λ之间，优选地等于λ/2，λ是前驱超声表面波的基波波长；

-第一电极和第二电极包括相应的第一轨道和第二轨道，每个轨道遵循闭合的线；

-第一轨道和第二轨道包括由阶隔开的两个部分；特别地，尤其当其中衬底的压电耦合消失的方向时，阶沿着所述方向定位，并且优选地，轨道的部分与该阶对齐；

-第一电极和第二电极包括第一轨道和第二轨道所电连接到的相应的第一电源端子和第二电源端子；

-第一电极和第二电极包括多个相应的第一轨道和第二轨道；

-由第一轨道和第二轨道组成的组至少部分地、优选地基本上完全包围中心区域；

-当从中心区域观察时，第一轨道和第二轨道在其长度的超过50％、优选地超过80％上具有凹形形状。

-至少一个前驱波换能器是交错的；

-至少一个前驱波换能器被保护涂层覆盖，优选包含二氧化硅；

-支撑件至少部分地由非不透明且优选透明的材料制成；

-支撑件由非压电材料制成；

-支撑件由关于超声波的传播各向同性材料制成；

-支撑件包括选自玻璃和聚合物的材料，特别是热塑性塑料，最优选聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)；

-支撑件包括玻璃；

-电声装置包括由夹在衬底和支撑件之间的耦合流体制成的层；

-至少一个前驱波换能器的电极夹在衬底和支撑件之间，或者衬底的至少一部分夹在支撑件和前驱波的电极之间；

-至少一个前驱波换能器被配置成生成前驱表面声波，使得流体培养基中的聚焦体声波的亮点影响区域的半径在0.1λ和0.7λ之间，优选地在0.2λ和0.55λ之间的范围，λ是聚焦体声波的波长；“亮点影响区域的半径”例如图1中所观测的、亮点中最高振幅的位置与第一暗环的最小振幅的位置之间的距离限定；

-衬底是厚度大于或等于500μm的板；

-电声装置包括基座，基座优选地由非压电材料制成，衬底设置在基座上；

–基座至少部分地由非不透明的材料、优选透明的材料制成，特别是由玻璃制成；

-衬底是沉积在基座上的层的形态，层厚度小于λ/10，λ是前驱超声表面波的基波波长；

-基座是显微镜物镜的一部分，或者是配置成固定到显微镜物镜上的装置的一部分；

-衬底由各向异性材料制成，优选地选自铌酸锂、钽酸锂、石英、氧化锌、氮化铝、钛酸铅-锆酸盐、及其混合物；优选地，当衬底为层的形态时，衬底优选由选自氧化锌、氮化铝、钛酸铅-锆酸盐、及其混合物的各向异性材料制成；

-衬底至少部分地由非不透明的材料、优选透明的材料制成；

-至少一个前驱波换能器被配置成生成前驱表面声波，其基波波长λ在10^-7m和10^-3m之间的范围；

-前驱表面声波是广义兰姆波或优选广义瑞利波；

-电声装置包括第二前驱波换能器，其相应的第一电极和第二电极布置在与所述至少一个前驱波换能器的第一电极和第二电极相同的衬底上，所述至少一个前驱波换能器和第二前驱波换能器被配置成在所述衬底中生成具有不同的相应基波波长的相应的前驱超声表面波；

-电声装置包括在所述装置的相应的第一布置和第二布置中与相应的所述至少一个前驱波换能器和第二前驱波换能器接触并为其供电的接触刷，所述装置优选地被配置成使得从所述第一布置到所述第二布置的过渡通过所述衬底围绕枢轴的旋转来操作；

-接触刷与至少一个前驱saw换能器和/或第二前驱saw换能器的第一轨道和/或第二轨道重叠；

-在至少一个前驱saw换能器和/或第二前驱saw换能器的第一轨道和/或第二轨道包括阶的情况下，接触刷分别与第一轨道的阶和/或第二轨道的阶重叠；

-至少一个前驱波换能器至少部分地环绕第二前驱波换能器，并且优选地用于在至少一个前驱波换能器和第二前驱波换能器中生成最低基频；

-电声装置包括位于由所述至少一个换能器的第一电极和第二电极围绕的、至少一个换能器的中心区域中的视觉标记物，该视觉标记物优选地由与第一轨道和第二轨道相同的材料制成；

-电声装置是盘形的；

-衬底围绕旋转轴线可旋转地安装在枢轴上；

-电声装置包括配置成相对于至少换能器移动支撑件的机构，优选地通过沿垂直以及平行于衬底的两个轴线中的任何一个平移而相对于至少换能器移动支撑件的机构。

优选地，通过光刻法将第一电极和第二电极沉积在衬底上。特别地，可以在沉积电极之前将包含铬或钛的材料层沉积到衬底上，以改善电极在衬底上的粘附性。

优选地，第一电极和第二电极由金属材料制成，优选地选自金、银、铝及其混合物。对于频率高于100mhz的应用，铝是优选的。当需要良好的导电性时，金和/或银是优选的。

沿第一电极和第二电极的轨道的径向测量的宽度可以相等。在一个变型中，宽度可以不同。

基底可以是平面的或弯曲的。

根据本发明的电声装置可包括流体培养基，优选地与前驱saw换能器重叠。特别地，流体培养基可以是液滴。

流体培养基可包括其中植入颗粒的溶剂。例如，溶剂是水。例如，颗粒是细胞或胶体颗粒。

在一个实施方式中，电声装置还可以包括具有相反极性的电极的旋流波换能器，所述相反极性的电极包括设置在所述衬底上的相应轨道，所述轨道围绕同一中心螺旋，并且被配置成在所述衬底中生成旋流超声表面波。

特别地，在所述旋流波换能器、所述至少一个前驱波换能器和适当时所述第二前驱波换能器组成的组中，所述组中的一个换能器，优选地用于生成具有最低基波波长的波的一个，环绕所述组的另外的换能器中的至少一个。

旋流表面声波(saw)是围绕相位奇点传播自旋的波，在相位奇点处，相消干涉导致波幅的消除。旋流saw可以在各向同性衬底和/或各向异性衬底中传播。

图2示出沿着衬底的方向x和y在各向同性衬底的表面处的旋流saw的振幅21。旋流saw包括由如图2中的虚线所示的高振幅的同心环23(通常称为“亮环”)环绕的低振幅区域22(通常称为“暗点”)。暗点是低辐射压力的区域，而亮圆圈是高辐射压力的区域。因此，在衬底表面处传播的旋流saw是使得一旦其尺寸基本上等于或小于旋流saw的基波波长时，比例如横放在衬底上或位于亮圆圈上的液体培养基更硬和更致密的对象被如图2上的箭头指示的旋流saw的暗点吸引。对象被暗点捕获。

旋流saw换能器优选地包括相反极性的第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极包括设置在衬底上的相应的第一轨道和第二轨道，旋流saw换能器的第一轨道和第二轨道围绕同一中心螺旋，旋流saw换能器被配置成在衬底中生成旋流超声表面波。

旋流saw换能器还可以呈现以下任选特征中的一个或多个：

-由旋流saw换能器的第一电极和第二电极组成的组完全环绕中心，并限定中心区域；

-第一轨道和/或第二轨道围绕旋流saw换能器的中心延伸超过90°，优选地超过180°，甚至优选地超过270°；

-旋流saw换能器的第一轨道和第二轨道中的每一个沿着由等式(2)限定的线螺旋

其中|l|>0是整数，并且等式(2)的项与上面针对等式(1)定义的项相同。等式(2)与等式(1)的不同之处在于术语lθ的存在，l是旋流的阶数。

-旋流saw换能器的相邻的第一轨道和第二轨道之间的径向步长包括在0.48λ'和0.52λ'之间，优选地等于λ'/2，λ'是旋转超声表面波的基波波长；

-旋流saw换能器的第一轨道和第二轨道中的每一个沿至少一圈延伸；

-旋流saw换能器的第一电极和第二电极包括电连接到第一轨道和第二轨道的相应的第一电源端子和第二电源端子；

-旋流saw换能器的第一电极和第二电极包括多个相应的第一轨道和第二轨道；

-旋流saw传感器是交错的；

-旋流saw换能器的两个连续的分别第一、第二轨道沿至少一个半径由至少两个连续的分别第二轨道、第一轨道隔开；

-旋流saw换能器被保护涂层覆盖，优选地包括二氧化硅；

-旋流saw换能器在声学上与支撑件耦合，使得在衬底中生成的旋转超声表面波被传递到支撑件并且在大部分支撑件作为声学涡流或退化的声学涡流而传输，优选地用于产生植入流体培养基中的对象经受的和/或所述流体培养基经受的压力阱；

-旋流saw换能器被配置成生成旋流表面声波，使得旋流表面声波的暗点影响区域的半径范围在0.1λ和0.7λ之间，优选地在0.2λ和0.55λ之间，λ是旋流表面声波的波长；“暗点影响区域的半径”由暗点中最低振幅的位置与第一亮环的最大振幅的位置之间的距离限定。

本发明的示例性实施方式还涉及包括根据本发明的电声装置的光学装置。

根据本发明的光学装置还可以呈现以下任选特征中的一个或多个：

-光学装置是显微镜；

-在光学装置的至少一种配置中，电声装置的至少一个换能器位于显微镜的物镜和支撑件之间；

-电声装置固定到显微镜的物镜上；

-光学装置包括多个物镜，至少两个物镜具有不同的放大率，至少两个、优选地所有物镜各自固定到电声装置；

-固定在多个物镜上的电声装置不同于固定在多个物镜中的另一物镜上的电声装置。

本发明的示例性实施方式还涉及一用于操作流体培养基中的至少一个对象的方法，包括：

-利用根据前述权利要求中任一项所述的电声装置，生成前驱表面声波，和

-将由所述前驱表面声波诱导的体声波传播到所述流体培养基中并将所述体声波聚焦在其中以在其中产生所述对象所经受的辐射压力，并通过所述电声装置的所述前驱波换能器相对于所述流体培养基的位移来操作所述对象。

用于操作流体培养基中的至少一个对象的方法还可以呈现以下任选特征中的一个或多个：

-电声装置是根据本发明的；

-该方法包括在体积波到达流体培养基之前使体积波在大部分固体支撑件中传播；

-前驱波换能器是装置的一部分，该装置包括在单一压电衬底上的具有不同的电极图案的至少两个相应的前驱saw换能器的轨道，优选地该至少两个相应的前驱saw换能器的轨道是交错的；

-该装置绕旋转轴线是可旋转的，并且该方法包括在使用换能器之前或之后旋转该装置；

-该方法包括使用至少一个电致动器使前驱saw换能器相对于培养基移位；

-该装置包括位于前驱saw换能器的中心区域中的视觉标记物，优选地由与第一轨道和第二轨道相同的材料制成，该方法包括布置电声装置使得视觉标记物偏移对象，然后通过为前驱saw换能器供电以在流体培养基中生成体积超声波，例如使对象移位，用以其与视觉标记物重叠；

-该方法包括用根据本发明的光学装置观察对象；

-前驱saw换能器包括电极轨道阵列，该方法包括用单一ac源为电极轨道供电；

-对象是生物材料，优选是细胞，该对象优选无标签。

根据第二方面，本发明的示例性实施方式涉及一种电声装置，包括

-压电衬底，

-布置在所述衬底上的至少两个相反极性的电极并且与所述衬底一起限定旋流波换能器，所述至少两个电极包括围绕同一中心螺旋的相应轨道，并且被配置成在衬底中生成旋流超声表面波，

-布置在所述衬底上的至少两个相反极性的另外的电极并且与所述衬底一起限定前驱波换能器，所述至少两个另外的电极被配置成在所述衬底中生成未聚焦并且与所述旋流超声波不同形式的前驱超声波

根据本发明第二方面的电声装置可以呈现以下任选特征中的至少一个：

-旋流波换能器的至少两个电极的轨道环绕前驱波换能器的至少两个另外的电极的轨道；

-前驱波换能器的至少两个另外的电极的轨道环绕旋流波换能器的至少两个电极的轨道；

-前驱波换能器的至少两个另外的电极的轨道和旋流波换能器的至少两个电极的轨道是同心的。

根据本发明第二方面的电声装置还可以包括根据本发明第一方面的电声装置的特征中的至少一个、甚至全部。

在下文中，除非另有说明，否则术语“换能器”是指前驱saw换能器，术语“电极”和“轨道”分别指前驱saw换能器的电极和轨道。

附图说明

通过阅读下面的详细描述，参考本发明的示例性和非限制性实施方式，并通过研读附图，可以更好地理解本发明，其中：

-图1和图2分别示出聚焦声波的相位和振幅以及旋流表面声波的相位和振幅，

-图3、4和9至13示出根据本发明的电声装置的实施方式，

-图5表示根据传播方向，各向异性衬底中平面前波的垂直横向位移的振幅，

-图6表示根据在具有不同培养基的界面处的传播方向，各向异性衬底中平面前波的瑞利速度，

-图7是-ωμ0的曲线的2d图，

-图8是用于限定图7的电声装置的轨道的曲线r(θ)的2d图，

-图14至19示出电声装置的变型，以及

-图20是用于通过光刻法制造电声装置的掩模。

具体实施方式

在附图中，为了清楚起见，并不总是遵守不同元件的相应比例和尺寸。

图3示出根据本发明的电声装置25，其包括衬底30和设置在衬底上的前驱换能器43的第一电极35和第二电极40。第一电极和第二电极包括相应的第一轨道45和第二轨道50，该第一轨道45和第二轨道50都围绕同一中心c弯曲。

当从中心c观察时，第一轨道和第二轨道看起来基本上是凹的。

第一轨道和第二轨道围绕中心在大于270°的角度ω1和ω2上延伸，但是在不同的角度扇区上延伸。角度ω1和ω2可以相同或不同。

第一电极和第二电极包括用于连接到电源65的相应的第一端子55和第二端子60。第一轨道和第二轨道连接到所述相应的端子。

端子可以由与电极相同的材料并且在相同的沉积工艺期间制成。作为替代方案，端子可以由不同的材料制成。

如图3所示，由第一轨道和第二轨道组成的组完全环绕包括中心c的中心区域70。因此，基本saw由被第一轨道和第二轨道覆盖的几乎每个角度扇区发出，从而在中心区域中干涉生成前驱saw，其在朝向与衬底重叠的液体培养基传输之后可以变得聚焦。

如上所述，支撑件可以设置成与衬底和轨道接触。流体培养基可以布置在流体培养基的顶部，例如衬底位于流体培养基和前驱波换能器之间。

在流体培养基中与衬底重叠的区域(其中聚焦体声波的亮点从前驱saw发展)优选地与中心c重叠。

此外，构成前驱saw换能器的每个电极的轨道的数量的增加导致前驱saw的声功率的增加。

前驱saw的基波波长λ由两个连续的第一电极和第二电极之间的距离确定。如图4所示，两个连续的第一轨道和第二轨道之间的径向步长δ优选地等于λ/2，λ是前驱saw的基波波长。

在整个说明书中，除非另有规定，术语“各向同性”和“各向异性”分别是指关于声波在任何材料中传播的各向同性和各向异性。

在由各向异性材料制成的衬底中，适于在流体培养基中作为聚焦体声波传输和传播的前驱saw的生成是复杂的，因为必须特别地处理与方向相关的波速、耦合系数和光束搅拌角度。这可以修改在不同方向上传播的saw干涉的方式。

在各向异性衬底中，saw的波长、其速度和振幅可取决于saw传播所沿的方向。

此外，在支撑件堆叠在衬底上并与其声学耦合的情况下，前驱saw可以在大部分支撑件中传输。然而，前驱saw在衬底和支撑件之间的界面处退化，这会阻止传输的体声波变得聚焦。saw的形状，即特别是其在不同衬底方向上的相位和振幅，也通过支撑体和衬底之间的任何各向同性失配来修改。特别地，在一个实施方式中，衬底优选地由各向异性材料制成，并且支撑件由各向同性材料制成。

优选地，第一轨道和第二轨道中的每一个沿着由等式(1)限定的线螺旋：

其中：

-r(θ)是线的距中心c且相对于方位角θ的极距坐标；

-是自由选择的参数，用以确定螺旋的中心；在包括形成数位的连续轨道的电极中，每个连续轨道的线优选地通过将2π的倍数加到来获得，

-ω＝2πf是基波角频率，f是前驱saw的基频；

α(θ)是构成衬底的压电材料的耦合系数的相位。

-h(ψ，θ)＝sr(ψ)cos(ψ-θ)，其中sr(ψ)是前驱波的相位慢度，并且由sr(ψ)＝kr(ψ)/ω限定，kr(ψ)是角度θ处波矢的径向分量的范数；

-符号'表示对变量ψ的求导；

-函数由等式限定，以及

-当前驱saw作为体波从衬底传输到大部分所述支撑体以传播时，校正项μ0校正在与衬底声学耦合的支撑件的堆叠的大部分中的saw退化；为了合成前驱波，该前驱波将在所需高度zn处在支撑体上提供的流体培养基中退化为聚焦体声波：

其中是堆叠的每种材料(i)中波的相位慢度，s是堆叠的材料(i)中的相位慢度，c⁽ⁱ⁾(θ)是角度θ处的在材料中的波速，并且

其中z0是衬底和支撑件之间界面的高度，zn是流体培养基中焦平面的高度，zi(i≥1,n>1)是包括堆叠的声学耦合层的支撑件的情况下隔开两个连续层的界面的高度，在没有堆叠层的情况下μ0(θ)＝0。当没有材料与衬底耦合时，则μ0(θ)＝0。

通过选择等式(1)中的角度来定义正电极轨道的位置，然后通过相同的等式(1)将替换为来定义负电极轨道的位置。

如在等式(1)中清楚地看出，尽管轨道绘制的线的图案可以适应于宽范围的衬底材料，并且如果合适的话适应于堆叠到衬底上的任何支撑材料，但是它仍然特定于单组的器件的驱动频率、材料特性和厚度。

特别地，图案形状依赖于前驱saw在衬底中传播的频率。在包括由不同材料制成的多个层的支撑件声学耦合到衬底使得前驱saw在支撑件的材料的体积中作为体声波传输和传播的情况下，图案形状可取决于每一层的特性，特别是该层的材料的特性。

如图5所示，各向异性衬底中(例如在x切割的铌酸锂衬底中)的平面前saw的振幅80取决于波在衬底中的传播的角度ψ。因此，衬底各向异性影响波传播。这种耦合可改变其符号，导致r(θ)曲线上的角度θ＝45°处的阶，这一点将在下文详述。

此外，如图6所示，表面衬底处的平面前saw的瑞利速度也取决于波的传播方向。无论衬底表面是空着并且接触空气(曲线85)还是有支撑件(例如2mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)板(曲线90))或甚至金涂层(曲线95)与所述衬底声学耦合，都观察到这种依赖性。

图7是表示对于角度θ(如沿图的周边所示)的不同值的用98标记的校正项的图。前驱saw需要在各向异性x切割的铌酸锂衬底中传播，传输到声学耦合到衬底上的200μm厚的硼硅酸盐玻璃板支撑件(通常称为玻璃盖玻片#1)中，然后传输到其中变得聚焦的支撑件上所设置的一滴水中。沿图上的θ＝70°的方向的值10至50表示以弧度表示的校正项

图8示出对于各向异性x切割的铌酸锂衬底，由等式(1)计算的用100标记的以mm表示的线r(θ)的轨迹。在图的周边有规律地指示以度表示的角度。线r(θ)的图考虑了如图5至图7所示的校正项μ0(θ)、振幅和瑞利速度的演变。在图8中，由于由衬底中的压电声学耦合的各向异性引起的前驱saw中的相变，在θ＝45°处观察到陡峭过渡102a-b。换句话说，遵循等式r(θ)的线的第一轨道或第二轨道包括由沿着前驱saw的相位奇点定位的至少一个阶102a-b隔开的两个部分103和104，该前驱saw沿着压电衬底的零耦合方向而定位。作为图3的电极的第一轨道和第二轨道中的任一个上的阶26a-26b，也观察到这种陡峭的过渡。

图9示出电声装置25，该电声装置25包括：具有设置在衬底30上且包括多个相应的第一正轨道45和第二负轨道50的第一电极35和第二电极40的前驱saw换能器105。轨道设置在按照上文描述的等式(1)的x切割的铌酸锂衬底上。通过在等式(1)中考虑角度来获得正轨迹，并且通过将等式(1)中的替换为来获得负轨迹。

因此，第一轨道和第二轨道包括相同的中心c并且沿径向方向dr相距等于λ/2的径向步长，λ是前驱saw的基波波长。

如可以观察到的，换能器是交错的。第一轨道和第二轨道彼此叠置。

电极包括具有分别电连接到第一轨道和第二轨道中的每一个的直线形状的第一电源端子55和第二电源端子60。电源端子与分别隔开第一轨道部分和第二轨道部分的陡峭过渡102a-b重叠。

例如，遵循等式(1)的图9的装置的轨道的设计适于在衬底中生成前驱声波，并且在由pmma制成的2mm厚的支撑件中传播频率等于10mhz的体声波，该支撑件设置在换能器的顶部并由夹在衬底和支撑件之间的数微米高的硅油层耦合。硅油层实现了衬底和支撑件之间的耦合，同时它基本上不影响声波的传播，这是因为其厚度远小于声波波长。当流体培养基设置在支撑件的顶部时，体声波从支撑件传输到流体培养基中并在其中聚焦。

根据本发明的装置可以是使得由第一电极的多个轨道(特别是如图9所示的一个轨道110)和/或第二电极的沿着单一第二绕组延伸的多个轨道(特别是如图9所示的一个轨道115)完全环绕中心。

此外，图9的装置的第一和/或第二电源端子和多个第一和/或第二轨道被布置成使得当沿着垂直于衬底的方向观察时，相应的第一电极轨道和第二电极轨道具有叉子的形状。

根据以下方法可以制造如图9所示的换能器。将x切割的1mm厚的铌酸锂衬底抛光并清洁(例如用丙酮-异丙基-乙醇)，然后在100℃下干燥1分钟。通过在衬底面上以4000rpm离心分离来沉积引物层、然后沉积az1512hs树脂，并在100℃下退火1分钟。作为换能器的电极图案的正面的掩模放置在树脂上。图20示出用于制备如下文将描述的包括多个换能器的电声装置的掩模126。然后将引物暴露于uv辐射。然后将衬底置于蒸发器中以沉积50nm厚的铬层，然后沉积200nm的金层。

然后将衬底浸入丙酮浴中，在80khz的频率、45℃的温度下经受超声发射10分钟。

如前所述，电极可以布置在衬底上，例如考虑到其中旨在使体波表面变得聚焦的定位平面的垂直于衬底表面所测量的距离。特别地，在支撑件与衬底重叠的情况下，所述距离可以通过支撑件，尤其是支撑件的高度来修改。

作为说明，图10和11示出包括前驱波换能器108a-b的电声装置25，前驱波换能器108a-b均生成具有30mhz基频的前驱saw。分别具有沿垂直于衬底表面的z方向测量的分别为150μm和1500μm的厚度的支撑件与图10和图11中分别示出的前驱波换能器重叠并声学耦合。旨在使得由图10和11的前驱波换能器所生成的相应前驱波所传输的体声波均变得聚焦在流体培养基中从隔开支撑件和流体培养基的界面相同的高度处的液体培养基中。

图10和11的前驱波换能器之间的电极形状的差异尤其与以下要求相关：与图10相比，在图11的实例中声波必须行进更长距离以变得聚焦。

图12表示电声装置25，其包括如图9中所描述那样的前驱saw换能器140和旋流saw换能器130。旋流saw换能器配置成在衬底中生成旋流saw。

前驱saw换能器和旋流saw换能器共用相同的衬底30。

旋流saw换能器具有设置在衬底上的第一电极160和第二电极165，并且包括多个相应的第一正轨道166和第二负轨道167。轨道设置在按照上文描述的等式(2)的x切割的铌酸锂衬底上。通过在等式(2)中考虑角度来获得正轨迹，并且通过将等式(1)中的替换为来获得负轨迹。

因此，第一轨道和第二轨道包括相同的中心并且沿径向方向dr距离等于λ'/2的径向步长，λ'是旋流saw的基波波长。

如可以观察到的，旋流saw换能器是交错的。旋流saw换能器的第一轨道和第二轨道彼此叠置。

旋流saw换能器的电极包括具有直线形状的第一电源端子170和第二电源端子175，该第一电源端子170和第二电源端子175分别电连接到第一轨道和第二轨道中的每一个。

如可以观察到的，前驱saw换能器和旋流saw换能器共用相同的衬底和相同的电源端子。

由旋流saw换能器的第一电极的沿单一第一螺旋绕组延伸的多个轨道(例如标记为180的轨道)、和/或旋流saw换能器的第二电极的沿着单一第二螺旋绕组延伸的多个轨道(例如标记为185的轨道)组成的组完全环绕中心。

此外，图12的旋流saw换能器的第一和/或第二电源端子以及多个第一和/或第二轨道被布置成使得当沿着垂直于衬底的方向观察时，第一电极轨道或第二电极轨道分别具有叉子的形状。

按照如上所述的等式(1)和(2)的相应线，前驱saw换能器的轨道和旋流saw换能器的轨道设置在衬底上。选择等式(1)的参数，使得前驱saw换能器在衬底中在10mhz的基频处生成前驱saw，并且旋流saw换能器在衬底中在30mhz的基频处生成旋流saw，从而围绕穿过中心c并垂直于衬底的轴线旋流。

如图12所示的旋流saw换能器可以根据上面描述的用于沉积前驱saw换能器的电极的方法制造。

旋流saw换能器用于在衬底中生成旋流表面声波，该旋流表面声波被传输并朝向流体培养基传播，特别是通过在整个支撑件中行进，作为诱导的声学涡流或退化的声学涡流用于在其中产生所述对象经受的辐射压力。

此外，在图12中，前驱saw换能器的第一和第二轨道以及旋流saw换能器的第一和第二轨道具有共同的中心c'。

根据对象刚度和密度，可以通过聚焦声波或旋流saw来捕获对象。因此，图12的电声装置的用户可以在为两个波换能器中的任何一个供电以生成前驱saw或旋流saw之间切换以便捕获对象。因此，图12的电声装置适于操作具有比包括单一前驱saw换能器或单一旋流saw换能器的电声装置更宽范围的机械特性的对象。

在未示出的变型中，图12的旋流saw可以由第二前驱saw换能器代替，使得相应的第一和第二前驱saw换能器的第一和第二电极具有相同的中心c'。优选地，具有不同的相应电极图案的第一和第二前驱saw换能器用于生成不同的相应前驱saw。换句话说，由第一前驱saw换能器生成的saw不同于由第二前驱saw换能器生成的saw。

图13示出包括前驱saw换能器的电声装置25，该前驱saw换能器包括第一和第二电极的两个组145、150。衬底30与图9和12的实例中的相同。

第一组145包括标记为146和148的第一电极和第二电极，第二组150包括标记为152和154的第一电极和第二电极。第一电极和第二电极中的每一个包括遵循等式(1)的线的多个第一和第二轨道。因此，图13中所示的电声装置的前驱saw换能器适于生成分别在10mhz和30mhz的两个基频下操作的前驱saw。由聚焦的体声波捕获的对象的尺寸取决于波长并因此取决于表面波振动的频率。图13的换能器生成具有两个相应工作频率(10和30mhz)的前驱saw，因此适合于仅通过切换致动频率来捕获不同尺寸(例如小尺寸或大尺寸)的对象。它也可适合于捕获和/或操作位于流体培养基中不同高度的对象。

特别地，电声装置是使得沿径向方向的两个连续的第一轨道与第二电极的两个连续的第二轨道在径向方向上交替。

图14示出根据本发明的电装置300，其包括前驱saw转换器和与衬底310重叠的支撑件305。支撑件可以与电极315重叠，或者它可以仅与中心区域320重叠。

此外，支撑件可以从电声装置中移除。

前驱saw换能器的轨道可位于衬底和支撑件之间。

支撑件优选选自玻璃和聚合物，优选热塑性塑料，最优选聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。优选地，支撑件由包含玻璃的材料制成。

优选地，支撑件的材料是各向同性的。优选地，支撑件的材料不是压电的。

为了保护轨道免受支撑件的摩擦并防止损坏，换能器至少部分地、优选地完全被保护涂层325覆盖，保护涂层325优选地包括二氧化硅。优选地，保护涂层的厚度小于λ/20，λ是前驱saw的基波波长。因此，前驱saw的传输不受保护涂层的影响。

优选地，为了最佳地传输声波，优选地由硅油制成的耦合流体层330夹在支撑件和衬底之间。优选地，耦合流体层的厚度小于λ/20，λ是前驱saw的基波波长。因此，前驱saw的传输不受耦合流体层的影响。硅油是优选的，这是因为硅油具有低的介电常数并且因为硅油不崩塌。此外，耦合流体允许支撑件相对于衬底容易移位。

电刷335与电极接触，用于向换能器供电。

如图所示，电声装置还可以包括设置在支撑件上的盖340，并且包括优选地由pdms制成的限定腔室的沟槽345，该沟槽345例如具有微通道的形状，该微通道被配置成容纳包括待操作的对象350的流体培养基，特别是液体培养基。

优选地，在图14的实施方式中，前驱saw是广义瑞利波。优选地，衬底的厚度大于10λ，λ是前驱saw的基波波长。

如前所述，可以将前驱saw的电极的轨道的图案设计成，使得在衬底表面处生成的前驱saw作为体声波在支撑件中传输，直到达到流体培养基和对象。

优选地，在支撑件由各向同性材料制成的情况下，电极的图案是使得由换能器生成的前驱saw在衬底和支撑件之间的界面处的退化实现具有相关辐射压力的体声波，该体声波浓缩作为流体培养基中以方框365表示的聚焦体积中的聚焦波。聚焦体积优选地垂直于衬底定位并且与前驱saw换能器的中心区域的中心重叠。位于流体培养基中的所述体积附近并且具有与前驱saw的波长相当的尺寸的对象(也称为“3d陷阱”)经受吸引力，该吸引力旨在将所述对象捕获在体积中。值得注意的是，在所有三个空间维度中，3d陷阱中的任何位移都是受限制的。

在图15所示的变型中，电极的轨道可以设置在衬底的面370上，该面370与面向支撑件的面375相对。优选地，在图15的实施方式中，前驱波是兰姆波或体波。

在前驱波是兰姆波的情况下，衬底的厚度低于λ/2，λ是前驱saw的基波波长。随着频率的增加，该方案需要更薄的衬底。

值得注意的是，当兰姆频率会生成太薄(例如厚度小于200μm)的衬底时，体声波可以直接生成在更厚的衬底中。在衬底的各向异性的角度处，该体声波可以是在衬底的厚度上辐射的体积纵向声波或体积剪切声波。可以选择前驱saw换能器的第一轨道和第二轨道之间的步骤，以便与波长的投影相匹配。

有利地，在图15的实施方式中，保护换能器免受支撑件的任何损坏和由耦合流体引起的任何污染。此外，当从衬底移除支撑件时，可以容易地清洁与支撑件接触的衬底的面，而没有任何损坏电极的风险。如图15中具有设置在与支撑件相对的面上的轨道的装置可以包括具有高介电常数的耦合流体(例如水基凝胶)，而耦合流体不会负面影响前驱saw的生成和传播。

此外，电连接(例如接触刷)可以设置在与轨道相同的一侧，这简化了装置的制造，并使其对于用户来说更符合人体工程学。

图16描述了根据本发明第一方面的电声装置380的变型，其包括衬底385，衬底385是圆盘形的中心cd。衬底包括设置在衬底上的多个电极图案3901、3902，其限定多个前驱saw换能器3951、3952以及(合适地)旋流saw换能器。优选地，如图所示的，前驱体saw和/或旋流saw换能器均匀地设置在圆盘的中心。

电声装置还包括支撑件400，支撑件400优选地是非透明的，并且更优选地是透明的。支撑件与衬底部分地重叠。提供支撑件和前驱saw和/或旋流saw换能器，使得在装置的至少一个位置中，所述换能器中的至少一个与支撑件完全重叠。优选地，如图16所示，轨道设置在衬底的面向支撑件的面上。

盖403设置在支撑件上。

衬底设置成穿过圆盘的中心cd的枢轴轴线xd是可旋转的。特别地，电声装置被配置成使得通过衬底围绕轴线xd旋转，每个前驱saw和(合适地)多个换能器中的旋流saw换能器可以被定位成例如与支撑件重叠，特别是与由设置在支撑件上的待操作的对象重叠。

此外，如图所示，电声装置可包括连接到支撑件的微操作器405，其允许通过支撑件相对于换能器的平移来精确定位，优选地沿着优选地平行于衬底的两个垂直轴而精确定位。微操作器可以固定到光学装置(例如，显微镜)上。

此外，电声装置包括用于为电极供电的外接触刷410和内接触刷415。电声装置还可以包括电源装置420，接触电刷可以电连接到该电源装置420。优选地，用于接触电极的接触刷的端部425、430可相对于衬底固定。特别地，端部425、430可以设置在相对于衬底中心的恒定的极坐标处。

多个电极中的每个电极包括第一电源端子4351、4352和第二电源端子4401、4402。优选地，相同极性的电极的所有电源端子径向地设置在每个换能器的同一侧。如图16所示，换能器的相应第一电极和第二电极的电源端子分别位于电极轨道的径向外侧和内侧。另外，第一电极的所有电源端子电连接到公共供电轨道450，该公共供电轨道450优选地围绕圆形在衬底的周边延伸。

外接触刷优选地与外轨道接触。顺便提一下，当装置的用户使衬底旋转例如以放置特定换能器(例如其面向支撑件)时，在没有外接触刷移动的情况下实现了所述换能器的第一电极和外接触刷之间的电接触。

优选地，提供换能器之一的第二电源端子的每一个，使得当衬底围绕轴线xd旋转以使换能器面向支撑件时，第二电源端子与内接触刷电接触。

有利地，图16中所示的电声装置需要单一电源装置和单一接触电刷对以连续地为每个换能器供电。该电声装置不需要具有昂贵电子设备的任何复杂控制系统，这因此比现有技术的电声装置便宜。另外，如上所述，包括多个换能器的电装置的制造可以通过基本上便宜的光刻法进行，例如使用如图20所示的掩模126。

此外，该装置易于使用，因为用户可以通过简单的旋转操作而选择该装置的任何换能器。并且，如在图16中可以观察到的，用户可以看到每个换能器，这有助于在操作对象之前进行初始定位。

作为说明，图17示出电声装置460，其与图16的电声装置不同之处在于电极轨道设置在衬底470的与面向支撑件的面相对的面465上，如在图15中已经示出的。

图18示出包括图16的电声装置380的显微镜480的组件。电声装置被固定到显微镜平台上，使得支撑件的区域(其上设置有待操作的对象)与显微镜的物镜485重叠。

光学装置允许在通过电声装置操作的同时观测在中心区域495中所捕获的对象490。

在图19的变型中，本发明的电装置的换能器500设置在光学装置的物镜505上。由于物镜放大率与用于待操作的对象的尺寸直接相关，所以设置在物镜上的换能器优选地适于操作可以用物镜完全观察的对象。优选地，单一换能器设置在物镜上。

换能器可以设置在外透镜上，特别是物镜的保护透镜上。换能器也可以设置在物镜的内透镜中。优选地，电装置的衬底是由沉积在物镜上的压电材料(例如aln，zno)制成的涂层的形式，优选地具有与电装置所用的频率相关的厚度以优化发电效率，在衬底上方设置有电极，优选通过光刻法沉积。该物镜可包括用于为换能器供电的工具。

在一个变型中，衬底可以设置在基座上，该基座构造成固定到透镜。基底可以包括由非不透明的、优选透明的材料制成的部件，基底作为层沉积在该部件上。

优选地，耦合流体夹在物镜和支撑件之间。

在图19的实施方式中，由换能器生成的前驱saw可以被传播，并且作为体声波例如通过浸没油(其中植入物镜的透镜)传输。

如图19所例示的实施方式使光学装置更紧凑，并且使对象的操作更容易。此外，它减少了与厚度大于1mm的衬底中可能遇到的光传播有关的问题。

此外，光学装置可包括多个物镜，每个物镜包括根据本发明的电声装置，这些电声装置彼此不同。优选地，每个换能器具有电极的图案，所述电极图案与多个换能器中的至少一些换能器、优选所有换能器的电极的图案不同。例如，因此可以连续地改变多个物镜，例如将对象分别捕获在更小的陷阱中。

例如，可以如下使用例如包括在光学装置(例如图19所示的显微镜)中的电声装置：

用户可以将包括对象的流体培养基设置在支撑件的顶部上。然后，用户可以首先将流体培养基定位成与物镜的视场重叠(例如通过用微操作器平移支撑件)。

然后，用户可以选择适合于预期的对象操作(例如在位移、混合、聚结和等分中选择)的换能器。如前所述，前驱saw的基频由换能器的电极图案限定。本领域技术人员知道如何根据待操作的对象的尺寸而选择合适的频率。

然后，用户可以旋转衬底，使得对象和支撑件与所选择的换能器重叠。利用微操作器，用户然后可以相对于支撑件和对象而定位指示换能器中心的位置的视觉标记物515，例如图12中所示。视觉标记物还优选地对应于体声学saw的亮点的位置，对象将在该位置的顶部上被捕获。

然后，通过为换能器供电，并生成前驱saw，该前驱saw作为体声波在支撑件中传输并传播到其变得聚焦的流体培养基中，对象在亮点的顶部上被操作、移位并被捕获。

实施方式1：细胞操作

用如图19所示的显微镜进行细胞和液滴的操作，例如以产生均质的或异质的细胞网络，例如由具有相似物理特性的干细胞制成的干细胞龛。

液滴基于用于单细胞生物学领域的基于液滴的微流体。本发明的电声装置允许通过在大量实验中对它们进行取样来深入研究罕见事件，这些事件目前是癌症和药物抗性研究的主要问题。

在该视图中，通过微操作器提供的位移，换能器的中心区域放置在一组待操作的颗粒下方。当颗粒位于换能器的中心区域的中心时，接通电源以生成前驱saw，以便使颗粒经受聚焦体声波的亮点的吸引效应。使用频率为30mhz且电压振幅为5vpp的前驱saw进行操作，这足以捕获10μm尺寸的颗粒。

然后在陷阱(即，颗粒相对于换能器的中心的位置)保持固定在空间的同时，通过微操作器提供的平移移动支撑件，而远离陷阱的其他颗粒遵循支撑件的平移。

一旦移动所选择的对象后，关闭电源。

然后重复该过程以使另一个颗粒移位，例如以预定图案聚集颗粒。

捕获力与声功率成比例并且与波长成反比。对于其密度和/或弹性偏离流体培养基的对象，捕获力也更强。

实施方式2：细胞变形

电声装置还实施成将力施加在生物细胞和颗粒上。

现在可以理解，细胞上的力和压力可以决定它们的结局。体细胞适应压力并可能僵化，干细胞分化可能受外部机械应力的影响。然而，方法限于对细胞施加应力。

通过微操作器所提供的位移，将包含抗体包被的微球和细胞膜的流体培养基置于待操作对象下方。合适的换能器是电动的，以便将抗体包被的微球捕获在换能器中心的顶部。在施加电能的同时，支撑件被移位，使得细胞膜与抗体包被的微球接触并通过所述微球而变形。

毋庸置疑，本发明不限于作为示例提供的实施方式。

本发明还特别用于在显微镜学、生物学、微流体的领域方面的应用，用于芯片实验室，且用于操作纳米系统和微系统的。在生物物理学中，本发明可以用于研究单细胞(例如癌细胞或干细胞)和细胞网络的行为，例如阿尔茨海默病中所隐含的行为。