(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号(43)申请公布日(21)申请号2.0(22)申请日2021.07.28(30)优先权数据20.07.30JP(71)申请人精工爱普生株式会社地址日本东京(72)发明人小岛力小野木智英清濑摄内宫坂满佐佐木美绪(74)专利代理机构北京康信知识产权代理有限责任公司11240代理人李丹(51)Int.Cl.G01F1/667(2022.01)B06B1/06(2006.01)(54)发明名称流体设备(57)摘要本发明提供了能够提高超声波相对于流体的传递效率的流体设备。流体设备(10)具备：流路(20)，供流体(S)流通；以及超声波元件(44)，通过向流体发送超声波，使流路内的流体沿着与流体的流通方向正交的第一方向产生驻波(SW)，超声波元件具有：振动部(421)，具有与流体接触的流体接触面(422)；以及压电元件(43)，设置于振动部，使振动部向流体接触面的法线方向挠曲振动，在将法线方向上的振动部的厚度设为t，将流体的介质的音速设为C，将在振动部内传递的纵波的平均音速设为C’，将第一方向的流路的尺寸设为L，将驻波的模式次数设为n时，满足式权利要求书1页说明书12页附图6页CN114076621A2022.02.22CN114076621A1.一种流体设备，其特征在于，具备：流十大买球的app路，供流体流通；以及超声波元件，通过向所述流体发送超声波，使所述流路内的所述流体沿着与所述流体的流通方向正交的第一方向产生驻波，所述超声波元件具有：振动部，具有与所述流体接触的流体接触面；以及压电元件，设置于所述振动部，使所述振动部向所述流体接触面的法线方向挠曲振动，在将所述法线方向上的所述振动部的厚度设为t，将所述流体的介质的音速设为C，将在所述振动部内传递的纵波的平均音速设为C’，将所述第一方向上的所述流路的尺寸设为L，将所述驻波的模式次数设为n时，满足下式：2.根据权利要求1所述的流体设备，其特征在于，在将与所述振动部的所述法线方向正交的短边方向的尺寸设为W，将泊松比为0.3时的所述振动部的平均杨氏模量设为E’，将所述流体的介质的音速设为C时，满足下式：3.根据权利要求1或2所述的流体设备，其特征在于，所述振动部以与所述驻波中的与任意波腹对应的波腹区域对置的方式配置。4.根据权利要求1所述的流体设备，其特征在于，所述振动部以所述流体接触面的所述法线方向沿着所述第一方向的方式配置。5.根据权利要求1所述的流体设备，其特征在于，与所述流通方向以及所述第一方向分别正交的第二方向上的所述流路的尺寸比所述第一方向上的所述流路的尺寸小。6.根据权利要求1所述的流体设备，其特征在于，所述流体设备还具备：压力室，储存所述流体；以及连通路，沿着所述第一方向形成，并且将所述流路与所述压力室连通，所述超声波元件以所述流体接触面与所述压力室内的所述流体接触的方式配置。权利要求书1/1页2CN114076621A2流体设备技术领域[0001]本发明涉及流体设备。背景技术[0002]以往，已知有使流体中的微粒子声音收敛的流体设备。[0003]例如，非专利文献1所公开的流体设备具备：流路基板，其为形成有流路的玻璃基板等；以及压电元件，其设置于流路基板。由压电元件产生的超声波经由流路基板被传递到流路内，使流路内的流体产生驻波。流体中的微粒子通过由驻波形成的压力梯度而收敛于流路内的规定范围。[0004]现有技术文献[0005]非专利文献[0006]非专利文献1：太田亘俊(Nobutoshi Ota)，其他6名，“微流体设备减薄对于微纳米粒子的声音聚焦的增强(Enhancement in acoustic focusing of micro and nanoparticles by thinning a microfluidic device)”，2019年12月，皇家学会开放科学(Royal Society Open Science)，第6卷，第2号，报道号181776发明内容[0007]但是，在上述非专利文献1所记载的流体设备中，流体的声音阻抗与流路基板的声音阻抗之差较大，因此由压电元件产生的超声波在从流路基板向流体传播时，大部分的超声波在流路基板与流体的边界反射。由此，超声波相对于流体的传递效率降低，其结果为，为了产生驻波，施加于压电元件的驱动电压、驱动频率增大。[0008]本公开的一个方式所涉及的流体设备具备：流路，供流体流通；以及超声波元件，通过向所述流体发送超声波，使所述流路内的所述流体沿着与所述流体的流通方向正交的第一方向产生驻波，所述超声波元件具有：振动部，具有与所述流体接触的流体接触面；以及压电元件，设置于所述振动部，使所述振动部向所述流体接触面的法线方向挠曲振动，在将所述法线方向上的所述振动部的厚度设为t，将所述流体的介质的音速设为C，将在所述振动部内传递的纵波的平均音速设为C’，将所述第一方向上的所述流路的尺寸设为L，将所述驻波的模式次数设为n时，满足下式：[0009]附图说明[0010]图1是示意性地表示第一实施方式的流体设备的一部分的剖视图。[0011]图2是图1的A‑A线是示意性地表示第二实施方式的流体设备的一部分的剖视图。[0013]图4是图3的B‑B线是示意性地表示第三实施方式的流体设备的一部分的剖视图。[0015]图6是图5的C‑C线…流路，30…流路基板，31…上侧壁部，311…贯通孔，32…下侧壁部，33…侧方壁部，331…贯通孔，34…侧方壁部，40…超声波产生部，41…元件基板，411…开口部，42…振动膜，421…振动部，422…流体接触面，43…压电元件，44…超声波元件，51…压力室，52…连通路，H…流路深度，L…流路宽度，M…微粒子，N…波节，A…波腹，RA…波腹区域，RN…波节区域，S…流体，SW…驻波，t…振动部的厚度，W…振动部的短边方向的尺寸。具体实施方式[0018][第一实施方式][0019]以下，参照图1以及图2对第一实施方式的流体设备10进行说明。[0020] 图1是示意性地表示第一实施方式的流体设备10的一部分的剖视图，图2是图1的 A‑A线和设置于流路基板30的超声 波产生部40。 [0022] 在该流体设备10中，超声波产生部40通过对在流路20中流通的流体S施加超声波， 从而沿着与流体S的流通方向正交的一个方向产生任意的模式次数的驻波SW。分散于流体S 中的微粒子M在流路20内流通的过程中受到由驻波SW形成的压力梯度的影响，收敛于流路 20内的规定范围。 [0023] 在这样的流体设备10中，例如，通过设置使流路20中的微粒子M收敛的范围的流体 S选择性地流通的浓缩用流路和使除此以外的范围的流体S选择性地流通的排出用流路，能 够浓缩流体S中的微粒子M的浓度。 [0024] 需要说明的是，在图1中，示意性地例示了通过1次模式的驻波SW收敛的微粒子M的 情形。另外，在图2中，省略微粒子M的图示，将在流路20内产生的驻波SW作为压力波形示出。 [0025] [流体设备10的结构] [0026] 参照图2对流体设备10的简易结构进行说明。 [0027] 流路基板30是在内部形成有流路20的基板。该流路基板30例如可以通过将具有与 流路20对应的槽部的一对基板相互接合来制作。作为构成流路基板30的各基板，没有特别 限定，例如可以利用玻璃基板、硅基板。 [0028] 需要说明的是，虽然省略图示，但在流路基板30上设置有用于将流体S注入到流路 20中的注入口以及用于将流体S从流路20排出的一个以上的排出口。在流路20分别与上述 的浓缩用流路以及排出用流路连接的情况下，在这些流路分别设置有排出口。 [0029] 在本实施方式中，形成于流路基板30的流路20的截面为矩形，流路20的深度方向 与流路基板30的厚度方向一致。另外，在流路20中流动的流体S的流通方向与流路20的深度 方向正交，流路20的宽度方向与流路20的深度方向以及流体S的流通方向分别正交。 [0030] 以下，将流体S的流通方向设为X方向，将流路20的宽度方向设为Y方向，将流路20 的深度方向设为Z方向。X、Y、Z方向相互正交。 说明书 2/12 页 4 CN 114076621 A 4 [0031] 流路基板30具有：在Z方向的一侧构成流路20的壁部的上侧壁部31；在Z方向的另 一侧构成流路20的壁部的下侧壁部32；以及在Y方向的两侧构成流路20的壁部的侧方壁部 33、34。 [0032] 在流路基板30上设置有沿Z方向贯通上侧壁部31的贯通孔311。 [0033] 超声波产生部40以堵塞流路基板30的贯通孔311的方式设置于流路基板30。由此， 超声波产生部40构成流路20的壁部的一部分。 [0034] 具体而言，超声波产生部40具备：元件基板41；被元件基板41支承的振动膜42；以 及设置于振动膜42的压电元件43。 [0035] 元件基板41由Si等半导体基板构成。该元件基板41在流路基板30的贯通孔311内 以元件基板41的厚度方向沿着Z方向的方式配置，元件基板41的外周面与流路基板30的贯 通孔311的内周面液密地接触。 [0036] 另外，在元件基板41上设置有沿着元件基板41的厚度方向贯通元件基板41的开口 部411。 [0037] 振动膜42例如由SiO 2 膜以及ZrO 2 膜等层叠了多种膜的层叠体等构成。该振动膜42 被元件基板41支承，并且将开口部411的一侧(流路20侧的相反侧)封闭。 [0038] 另外，振动膜42中的从元件基板41的厚度方向观察时与开口部411重叠的部分构 成进行超声波的发送的振动部421。振动部421所具有的一对的面中的一个面成为与从流路 20流入开口部411内的流体S接触的流体接触面422。 [0039] 在此，振动膜42以振动膜42的厚度方向(流体接触面422的法线方向)沿着Z方向的 方式配置。 [0040] 压电元件43相对于振动部421设置于流体接触面422的相反侧的面。虽然省略了图 示，但该压电元件43通过在振动部421上依次层叠下部电极、压电膜以及上部电极而构成。 [0041] 在这样的超声波产生部40中，由振动部421和配置在该振动部421上的压电元件43 构成超声波元件44。 [0042] 在该超声波元件44中，压电元件43与省略图示的驱动部连接，当从该驱动部向压 电元件43输入驱动信号时，在下部电极与上部电极之间被施加电压，使得压电膜伸缩。由 此，振动部421以与振动部421的短边方向的尺寸W(开口部411的开口宽度)等相应的规定的 振荡频率向流体接触面422的法线的挠曲振动通过被转换为流体 S的疏密波来进行超声波的传播。传播到流体S的超声波以振动部421为中心呈放射状扩散， 其中朝向Y方向前进的超声波反复被流路20的内壁反射，从而在流路20内产生驻波SW。 [0043] 在此，在流路20内，为了在Y方向上产生驻波SW，流路20的Y方向的尺寸即流路宽度 L[m]满足以下的式(1)。 [0044] [0045] 需要说明的是，n是驻波SW的模式次数，C是流体S的介质的音速[m/sec]，F是压电 元件43的驱动频率[Hz]。需要说明的是，驱动频率F与上述的振动部421的振荡频率对应。 [0046] 根据上述式(1)，假设在介质是水的情况下的介质的音速C为1500m/s、驻波SW的模 式次数n为1、压电元件43的驱动频率F为600kHz的情况下，流路宽度L被设定为1.25mm。 [0047] 另外，为了抑制在流路20内产生Z方向的驻波，流路20的Z方向的尺寸即流路深度H 说明书 3/12 页 5 CN 114076621 A 5 [m]满足以下的式(2)。 [0048]