微细超声换能器及其驱动电路研究

论文摘要

在仪器科学、微纳米技术与生物工程的交叉领域内,微细操作作为关键性技术之一,被用于细胞核移植和克隆、胞内信息分析、显微授精以及辅助孵化等方面。本文将功率超声技术与传统显微操作技术相结合,提出了一种超声微细操作的方法,可用于单细胞的穿刺、注射和吸引等微细操作。本文阐述了超声换能器和变幅杆部分的设计理论,选用四端网络法作为复合变幅杆设计的理论依据。利用有限元仿真技术,研究了模态和谐响应分析的实现方法,以ANSYS软件作为仿真平台,对四端网络设计的结果进行了深入分析,对微细超声换能器的各项特征参数进行了校验,为实际的实验操作提供了数据支持。在现有的超声设备驱动电源的基础上,基于大功率运放和自适应滤波技术,采用粗—精调结合的频率跟踪策略,研制了宽频带、高电压、输出信号质量好的功率超声信号源。该信号源能够实现幅值0~200V,频率范围0~1MHz,最大功率达30W的正弦信号输出,具有良好的驱动能力和自动频率跟踪功能。利用该信号源不但可实现微细换能器等中小型功率设备的驱动,也可用于超声手术刀和医用微喷等多种功率超声仪器,同时为超声换能器负载识别的研究提供了平台。本文以激光测振仪和动态信号分析仪为主搭建振幅和导纳测量系统,并研究了数据后处理方法。完成了微细超声换能器的工作模态、谐振振幅等参数的测试和分析,取得了换能器的特征数据。测试结果与设计和仿真结果相吻合显示了其设计、制作的可靠性和实际工作的有效性。完成了功率信号源的性能测试,其结果可达到预期设计指标。在超声谐振驱动方式下,通过对微探针振幅、加速度和穿刺力的数值计算和分析,从理论上证明了利用超声进行微细操作的可行性。对鱼卵细胞的穿刺实验的成功,验证了超声微细操作在实际应用中的有效性。利用20000帧/秒的高速拍摄技术获得穿刺实验的瞬时图像,显示并证明了超声微细操作方法在减小细胞受压变形、降低损伤,提高成功率等方面的优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 功率超声与超声换能器
• 1.2.1 功率超声概述
• 1.2.2 功率超声在医学方面的应用
• 1.2.3 小型功率超声换能器的发展
• 1.2.4 功率超声在细胞微操作领域的应用
• 1.3 功率超声信号源
• 1.3.1 研究现状和不足
• 1.3.2 设计需求和发展趋势
• 1.4 本论文的研究目标和主要任务
• 1.4.1 本论文研究目标
• 1.4.2 本论文主要任务
• 第2章 超声换能器相关理论与系统设计
• 2.1 超声换能器工作原理
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电陶瓷
• 2.2 超声变幅杆的设计理论
• 2.2.1 一维细杆的理论模型
• 2.2.2 变幅杆的选型
• 2.2.3 复合变幅杆的四端网络设计理论
• 2.3 驱动电路的频率跟踪方法设计
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 锁相式频率跟踪
• 2.3.3 电流反馈式频率跟踪
• 2.4 微细超声换能器系统的基本框架
• 2.5 本章小结
• 第3章 微细超声换能器设计及制作
• 3.1 微细超声换能器系统的设计需求
• 3.2 微细超声换能器本体设计
• 3.2.1 换能器功能分析
• 3.2.2 材料选取
• 3.2.3 结构设计
• 3.3 微细超声换能器的有限元设计与分析
• 3.3.1 有限元设计理论基础
• 3.3.2 有限元分析软件和设计流程
• 3.3.3 模型建立
• 3.3.4 网格划分
• 3.3.5 模态分析
• 3.3.6 谐响应分析
• 3.4 微细超声换能器加工与制作
• 3.5 本章小结
• 第4章 功率信号源设计与实现
• 4.1 原有驱动电路
• 4.2 功率信号源总体设计
• 4.2.1 系统框图
• 4.2.2 硬件基板构成
• 4.2.3 系统电源与地线设计
• 4.3 硬件电路设计
• 4.3.1 频率发生模块设计
• 4.3.2 功率放大模块设计
• 4.3.3 信号采样与处理模块设计
• 4.3.4 自适应滤波模块设计
• 4.3.5 微控制器模块设计
• 4.3.6 人机交互模块设计
• 4.4 系统软件设计
• 4.5 制作与装配
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验设计与分析
• 5.1 换能器性能参数测试
• 5.1.1 振幅测试
• 5.1.2 谐振频率和工作模态测试
• 5.1.3 数据分析
• 5.2 功率信号源的性能测试
• 5.2.1 信号发生模块测试
• 5.2.2 功率放大模块测试
• 5.2.3 有效值处理模块测试
• 5.2.4 闭环扫描模块测试
• 5.3 细胞微操作实验研究
• 5.3.1 垂直超声穿刺
• 5.3.2 水平静力穿刺
• 5.3.3 穿刺瞬态响应
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文的主要内容
• 6.2 未来工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 个人简历
• 发表的学术论文
• 研究成果