一种微纳物质的环状聚集物成形装置的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种微纳物质的环状聚集物成形装置,属于微纳制造、生物医学领域。

背景技术：
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随着生物医学、微纳制造等领域的快速发展，如何在基板上实现微纳物质的可控图案成形已经成为一种重要而且很有发展前景的新技术。微纳物质的图案成形技术在微纳自组装、高感度生物传感、晶体生长、人工组织培养以及微纳电子器件加工等方面有着广阔的应用前景。已有的微纳物质图案成形方法包括磁镊、光镊、介电泳等，这些方法通常对工作条件有比较苛刻的要求，比如无法直接在基板上进行操控，被操控微纳物质需要带电，需要磁性微粒作为载体，对被操控微纳物质的透明度和折射率等有要求，易受布朗运动、环境温度、ph值等影响，高耗能等。

超声微纳操控技术具有对被操控样品的材料性能几乎无选择性、结构简单、易操作、操控功能多样等优点，已有的基于超声的微纳物质图案成形技术包括利用超声形成微纳物质的圆形斑点、椭圆形斑点和直线带状聚集物等，目前尚未有利用超声实现微纳物质的环状聚集物成形的技术。

技术实现要素：
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针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种微纳物质的环状聚集物成形装置，以解决现有技术中无法在基板上实现微纳物质的环状聚集物成形的问题。

本发明所采用的技术方案有：一种微纳物质的环状聚集物成形装置，包括兰杰文振子、振动传递针、连接段、圆环和设有微纳物质的悬浊液的基板，其中振动传递针粘接在兰杰文振子的辐射面上，通过连接段与圆环相连接，圆环的中心平面平行于基板，且整体插入微纳物质的悬浊液中，通过兰杰文振子对圆环进行励振，利用做单方向面内振动的圆环在流体中产生的声学流涡流，驱动分散在基板上的微纳物质运动并聚集在圆环下方，在基板上形成微纳物质的环状聚集物。

进一步地，所述振动传递针的材料为不锈钢。

进一步地，所述连接段为焊接段或粘接段。

进一步地，所述圆环的材料为铝金属或玻璃纤维柔性材料。

进一步地，所述圆环为实心或空心结构。

进一步地，所述圆环的中心平面与基板之间的距离为0.5mm-1.5mm。

进一步地，所述微纳物质为颗粒状、线状、片状或块状结构，特征尺寸在微米级或纳米级。

进一步地，所述兰杰文振子固定在三维移动平台上，在基板上形成微纳物质的环状聚集物的阵列。

本发明具有如下有益效果：

(1).由于利用声学流涡流来实现微纳物质的环状聚集物成形，本发明对微纳物质的材料性质没有要求，且不会破坏微纳物质；

(2).由于采用兰杰文振子励振并且没有旋转部件，本发明具有操作简单、可靠性好等优点；

(3).本发明涉及到的微纳物质的环状聚集物成形装置还具有易小型化、结构紧凑、低耗能等优点。

附图说明：

图1为本发明微纳物质的环状聚集物成形装置的结构示意图。

图2为圆环部分的结构示意图。

图3为圆环剖面附近的声学流涡流的示意图。

图4为微纳物质的环状聚集物的示意图。

其中：

1—兰杰文振子、2—振动传递针、3—连接段、4—圆环、5—微纳物质的悬浊液、6—基板、7—圆环中心线、8—声学流涡流、9—微纳物质的环状聚集物、10—圆环中心线在基板上的正投影。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明微纳物质的环状聚集物成形装置，包括兰杰文振子1、振动传递针2、连接段3、圆环4和设有微纳物质的悬浊液5的基板6，其中振动传递针2粘接在兰杰文振子1的辐射面上，通过连接段3与圆环4相连接，圆环4的中心平面平行于基板6，且整体插入微纳物质的悬浊液5中。通过兰杰文振子1对圆环4进行励振，利用做单方向面内振动的圆环4在流体中产生的声学流涡流8，驱动分散在基板6上的微纳物质运动并聚集在圆环4下方，在基板6上形成微纳物质的环状聚集物9。

其中，振动传递针2的材料为不锈钢或其它金属。

其中，连接段3为焊接段或粘接段。

其中，圆环4的材料为铝等金属或玻璃纤维等柔性材料。

其中，圆环4为实心或空心结构。

其中，圆环4的中心平面与基板6之间的距离为0.5mm-1.5mm。

其中，微纳物质为颗粒状、线状、片状或块状结构，特征尺寸在微米级或纳米级。

其中，微纳物质的环状聚集物6宽度不均匀。

其中，兰杰文振子1固定在三维移动平台上，在基板6上形成微纳物质的环状聚集物9的阵列。

如图1和图2所示，对兰杰文振子1施加其共振频率的交流电压，兰杰文振子1对圆环4进行励振，圆环4做垂直于振动传递针2方向的面内振动，振动速度为v(恒定值),对于角度θ处的环体，振动可以分解为法向振动(振动速度为vsinθ)和切向振动(振动速度为vcosθ)，其中法向振动可以产生所需的声学流涡流。

如图2和图3所示，图3为角度θ处圆环剖面(与圆心连线形成)附近的声学流涡流的示意图，环体的法向振动在振动传递针2的针身中心平面上下均产生从远处流向针身的声学流涡流8，其中基板上的声学流涡流是从外侧流向针身的正下方，并且声学流涡流的流动速度u正比于环体的法向振动速度vsinθ的平方。

如图2、图3和图4所示，在角度θ位置，基板6上的微纳物质在声学流涡流的拖拽作用下聚集在相应环体位置的下方，聚集物的宽度d(与圆心连线形成)正比于单位时间微纳物质的聚集量，而单位时间微纳物质的聚集量正比于声学流涡流的流动速度u，从而也正比于环体的法向振动速度vsinθ的平方，因此对于四分之一圆环而言，在θ为0的位置，聚集物的宽度也为0，在θ为π/2的位置，聚集物的宽度最大。整个圆环关于振动传递针和垂直于振动传递针的方向均对称，因而微纳物质的聚集物也关于振动传递针和垂直于振动传递针的方向对称，从而形成封闭的微纳物质的环状聚集物9。

下面借助于一个实施例说明本发明提供的微纳物质的环状聚集物成形装置，兰杰文振子1由苏州海纳科技有限公司提供,型号为hnc-2565-59,外形尺寸为24mm*30mm(直径*高度),谐振频率为65.3khz。圆柱形振动传递针2粘接在兰杰文振子1的辐射面上，材料为不锈钢，直径为0.4mm，长度为5cm(不包含与兰杰文振子1粘接的部分)。连接段3为焊接段，长度为1mm，将振动传递针2与圆环4相连接。实心圆环4的材料为铝，内径为5mm，外径为5.4mm，圆环4的中心平面平行于水平放置的光滑硅基板6，其与基板6基板之间的距离为0.6mm，且整体插入浓度为0.079mg/ml的银纳米颗粒(直径400nm)的水性悬浊液中。银纳米颗粒部分沉降在基板6的表面。

当幅值为80vp-p频率为65.3khz的交流电压加到兰杰文振子1上时，经过5min时间的超声处理，可以在圆环4下方的基板5表面形成银纳米颗粒的环状聚集物，其最小宽度为0，最大宽度为280μm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。