Page 121 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 张扬等： 基于环阵超声的高精度微量移液平台 117

多通道相位控制。与预先设定的值相比，各项数据 维声场扫描平台的定位精度 ±0.006 mm，实验采用
误差均小于6%。 0.0125 mm的声场扫描步进。
在实际应用中，微量液体转移一般用于两块微
表 1 10 MHz 通道输出实测参数
Table 1 Measured parameters of the 10 MHz 孔板之间，常用 384 微孔板孔深约 10 mm，在使用
channel output 过程中，为了确保孔中溶液不会溢出或造成交叉
污染，添加少于 5 mm 深度的溶液体积是比较常见
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 MAE
的做法，移液过程中的实际液面变化大概在 4 mm。
频率/MHz 9.98 9.98 9.96 9.97 9.96 0.98×10 −4
另外，焦距设计范围的考虑因素主要包括换能器的
占空比/% 49.72 52.33 52.74 51.96 51.56 3.87
孔径尺寸和微孔板的尺寸。结合应用实际，本文中
延时/ns −108 112 272 432 692
使用的换能器用于移液的合理焦距范围在3 mm 左
∆t(C n − C n−1 )/ns 0 220 160 160 160 1.035
右。所以本实验分别测试了焦距为 28 mm、30 mm、
为了确定不同设计焦距下换能器的聚焦效果 32 mm处的声场数据。
以及实际焦距大小，对换能器的声场进行了扫描测 图 6 展示了设计焦距分别为 28 mm、30 mm 和
试。首先采用研制的五通道高精度相控延时超声 32 mm 的声场扫描结果，在不同的焦距下都能实现
信号发射系统驱动环阵换能器的各个阵元，发射信 较好的聚焦效果，且焦点能够按照预期设计在轴向
号频率为 10 MHz 的方波信号，脉冲宽度为 500 ns， 上调节。由于换能器材料和制作工艺等因素会导致
信号峰峰值 (V pp ) 为 16 V，脉冲间隔为 10 ms。然 同一阵元不同区域以及不同阵元之间存在灵敏度
后将固定在三维声场扫描平台 (Precision Acous- 差异，从而使得换能器声场分布存在微小的不对称。
tic，UMS3s) 上的针式水听器 (Precision Acoustic， 但是在移液过程中，液滴的大小主要与液面处的声
NH0500)，沿换能器轴向 (Z 轴方向) 进行声压的扫 场分布以及声压幅度有关，焦点外围区域和远离焦
描以确定实际焦距大小，并在焦点区域声压最大 点区域的声场不对称不影响移液液滴的尺寸。图 7
值处进行横截面 (XY 面)扫描以评估声场聚焦效果 展示了焦距为 28∼32 mm 时焦点附近的声压曲线，
和焦点区域大小。针式水听器直径为 0.5 mm，三 表 2 列出了不同焦距下焦点轴向、横向尺寸及焦点

/kPa /kPa /kPa
-2 -2 -2
500
500
-1 500 -1 -1
Y/mm 0 Y/mm 0 Y/mm 0

1 1 1

2 60 2 60 2 60
-2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2
X/mm X/mm X/mm
/kPa /kPa /kPa
36 36 36
500
500
33 500 33 33
Z/mm 30 Z/mm 30 Z/mm 30

27 27 27

24 60 24 60 24 60
-2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2
X/mm X/mm X/mm
(a) F=28 mm (b) F=30 mm (c) F=32 mm

图 6 不同焦距下的声场分布图
Fig. 6 The acoustic field distribution maps at different focal lengths