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微细超声换能器及其驱动电路研究

作　者: 邬婷
导　师: 王群
学　校: 中国地质大学（北京）
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 微细超声换能器单细胞微穿刺有限元功率信号源
分类号: TB552
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-12
第1章引言  12-22
  1.1 课题背景  12-14
  1.2 功率超声与超声换能器  14-18
    1.2.1 功率超声概述  14
    1.2.2 功率超声在医学方面的应用  14-16
    1.2.3 小型功率超声换能器的发展  16-17
    1.2.4 功率超声在细胞微操作领域的应用  17-18
  1.3 功率超声信号源  18-21
    1.3.1 研究现状和不足  18-20
    1.3.2 设计需求和发展趋势  20-21
  1.4 本论文的研究目标和主要任务  21-22
    1.4.1 本论文研究目标  21
    1.4.2 本论文主要任务  21-22
第2章超声换能器相关理论与系统设计  22-33
  2.1 超声换能器工作原理  22-24
    2.1.1 压电效应  23
    2.1.2 压电陶瓷  23-24
  2.2 超声变幅杆的设计理论  24-27
    2.2.1 一维细杆的理论模型  24-26
    2.2.2 变幅杆的选型  26
    2.2.3 复合变幅杆的四端网络设计理论  26-27
  2.3 驱动电路的频率跟踪方法设计  27-31
    2.3.1 概述  27-28
    2.3.2 锁相式频率跟踪  28-30
    2.3.3 电流反馈式频率跟踪  30-31
  2.4 微细超声换能器系统的基本框架  31-32
  2.5 本章小结  32-33
第3章微细超声换能器设计及制作  33-49
  3.1 微细超声换能器系统的设计需求  33-34
  3.2 微细超声换能器本体设计  34-37
    3.2.1 换能器功能分析  34-35
    3.2.2 材料选取  35-36
    3.2.3 结构设计  36-37
  3.3 微细超声换能器的有限元设计与分析  37-47
    3.3.1 有限元设计理论基础  37-39
    3.3.2 有限元分析软件和设计流程  39-40
    3.3.3 模型建立  40-42
    3.3.4 网格划分  42-43
    3.3.5 模态分析  43-44
    3.3.6 谐响应分析  44-47
  3.4 微细超声换能器加工与制作  47-48
  3.5 本章小结  48-49
第4章功率信号源设计与实现  49-64
  4.1 原有驱动电路  49-50
  4.2 功率信号源总体设计  50-52
    4.2.1 系统框图  50-51
    4.2.2 硬件基板构成  51-52
    4.2.3 系统电源与地线设计  52
  4.3 硬件电路设计  52-61
    4.3.1 频率发生模块设计  52-54
    4.3.2 功率放大模块设计  54-56
    4.3.3 信号采样与处理模块设计  56-58
    4.3.4 自适应滤波模块设计  58-59
    4.3.5 微控制器模块设计  59-60
    4.3.6 人机交互模块设计  60-61
  4.4 系统软件设计  61-62
  4.5 制作与装配  62
  4.6 本章小结  62-64
第5章实验设计与分析  64-79
  5.1 换能器性能参数测试  64-68
    5.1.1 振幅测试  64-66
    5.1.2 谐振频率和工作模态测试  66-67
    5.1.3 数据分析  67-68
  5.2 功率信号源的性能测试  68-73
    5.2.1 信号发生模块测试  68-69
    5.2.2 功率放大模块测试  69-70
    5.2.3 有效值处理模块测试  70-72
    5.2.4 闭环扫描模块测试  72-73
  5.3 细胞微操作实验研究  73-78
    5.3.1 垂直超声穿刺  74
    5.3.2 水平静力穿刺  74-76
    5.3.3 穿刺瞬态响应  76-78
  5.4 本章小结  78-79
第6章总结与展望  79-81
  6.1 论文的主要内容  79-80
  6.2 未来工作的展望  80-81
致谢  81-82
参考文献  82-86
附录  86
  个人简历  86
  发表的学术论文  86
  研究成果  86

微细超声换能器及其驱动电路研究

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