專利名稱：一種可生成移動電場力的裝置及實現方法
技術領域：
本發明涉及產生電泳力的交變電場(DEP)和移動交變電場(twDEP) 生成技術，具體地說是一種可生成移動電場力的裝置及實現方法，采用本 發明可以通過改變移動交變電場的相位、幅度、頻率，產生用于微納操作 的電泳力。技術背景微納米科技是近年來發展迅速的高技術領域，具有非常重要科學研究 和應用價值。由于微納米尺度極小，傳統的機械傳動和施加外力驅動方法 受到很大限制。尤其對微米粒子、納米粒子如細胞、分子、蛋白、CNT等 基本微納米物質的操控更是十分困難。基于電泳的操作方法在面向的操作 與檢測，微粒的分離與操作，以及面向DNA的檢測與測試都起著十分重要 的作用，已經成為生物醫學、藥品科研與應用的重要方向，具有廣泛的應 用價值。然而，在電泳力的微操作中，可能生成穩定可靠的相位、幅度、 頻率的可調移動電場，從而實現可控電泳的微納操作可起著決定性的作用的思想未見報道。 發明內容為解決基于電泳力(EP、 DEP、 twDEP)機理的微納可控操作移動電 場力的生成與可調節問題，本發明的目的在于提供一種可生成移動電場力 的裝置及實現方法。本發明技術方案如下可生成移動電場力的裝置，包括微處理器，作為程序控制器，與上位機通訊，接收上位機給定的正弦 波頻率及初始相位角參數，輸出與頻率合成模塊通信，對其進行參數設置；通信模塊，作為微處理器與上位機通訊的標準接口；頻率合成模塊，接收微處理器的指令，按指令自動產生具有初始相位 角和頻率的正弦波，輸出信號至幅度調節模塊；幅度調節模塊，將所生成波形進行幅度調節，并輸出至電極，用以產 生交變電場，生成移動電場力。可生成移動電場力的實現方法對有序排列的電極陣列通過信號發生 裝置施加多路交變電壓信號建立交變電場，獲得移動電場力；所施加的多 路交變電壓信號頻率調節范圍為0-10MHz,幅度調節范圍為0-30V;所述信號發生裝置的設計應用微處理器和頻率合成技術構成具有相 位差的多路正弦信號發生裝置，首先微處理器MCU接收上位機的預置波形
頻率、相位指令，將該指令轉換成含有輸出信號頻率與相位信息的控制信 號，并以串行方式發送給頻率合成模塊，頻率合成模塊接收到該控制信號后，其頻率更新控制端等待微處理器的頻率與相位更新控制信號； 一旦頻率合成模塊接收到頻率更新控制信號后，立即輸出與預先設定的頻率、相位相符合的正弦波形；對所述輸出正弦波形的幅度進行放大調整，最后輸出具有指定頻率和相位的多路正弦波波形信號至有序排列的電極陣列，用于在所述電極陣列上生成移動電場；當采用多個頻率合成模塊時，頻率合成模塊分別接收微處理器MCU的預置頻率和初始相位控制信號，然后在同一觸發信號的觸發下，產生一組 同一頻率和具有各自相位的正弦波形。本發明具有如下優點基于本發明的一個實施例為例的4通道的相位差、幅度、頻率均產生連續可調的正弦信號，可施加到相應電極陣列上生成不同的移動電場力。 這種裝置以及相位差、頻率、幅度可調的交變電場實現方法，為基于電泳 力的微納可控操作提供新的研究裝置和技術途徑。
圖l為本發明裝置電路原理圖。圖2為本發明與電極連接的一個裝置實施例電路原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。可生成移動電場力的實現方法建立交變電場，即對有序排列的電極 陣列施加多路交變電壓信號。所述有序電極陣列可以通過平面印刷術 (IC/MEMS工藝)加工方法獲得，施加的多路交變電壓信號則需要有較大 范圍的頻率調節范圍(0-幾十兆赫茲)、較大的幅度調節范圍(0-30V)和各 路信號相位差可調節性，以滿足在電極陣列上生成的電交變場可調節需求。 因而需要特殊設計和制作這樣的信號發生裝置。所述信號發生裝置的設計應用微處理器MCU和頻率合成模塊構成具 有相位差的多路正弦信號發生裝置，首先微處理器MCU接收上位機的預置 波形頻率、相位指令，將該指令根據頻率合成模塊(例如AD9850)的技術要求，轉換成含有輸出信號頻率與相位信息的控制字。并以串行方式發送 給頻率合成模塊。頻率合成模塊接收到該控制字后，其頻率更新控制管腳等待微處理器MCU的頻率與相位更新控制信號。一旦頻率合成模塊接收到 頻率更新控制信號后，立即輸出與預先設定的頻率、相位相符合的正弦波 形。對所述輸出正弦波形的幅度進行放大調整，最后輸出具有指定頻率和 相位的多路正弦波波形信號至有序排列的電極陣列，用于在所述電極陣列 上生成移動電場。當采用多個頻率合成模塊時，頻率合成模塊就可以分別接收微處理器 MCU的預置頻率和初始相位控制字指令，然后在同一觸發信號的觸發下， 產生一組同一頻率和各自相位的正弦波形，輸出正弦波形的幅度可以經過 放大器調整輸出波形幅度，最后輸出波形。 如圖l所示，本發明裝置包括一微處理器MCU，作為程序控制器，與上位機通訊，接收上位機的正弦波頻率及初始相位角等參數，顯示參數設置信息，輸出與波形合成模塊 通信，對其進行參數設置，以控制產生相應正弦波頻率及初始相位角。本實施例微處理器MCU可釆用C8051F120。多個通信模塊，作為微處理器與上位機通訊的標準接口 (MAX3232標 準接口)，完成微處理器與上位機的通訊。多個波形合成模塊，接收微處理器MCU的指令，按指令自動產生指定 初始相位角和頻率的正弦波，并在接收到微處理器MCU的觸發信號后輸出 多路正弦波至幅度調節模塊；本發明可采用多片AD9850作為波形合成模 塊，同時輸出多路不同相位的正弦波，以滿足相差、頻率可調的多路正弦 波輸出要求。用以產生交變電場，多個幅度調節模塊，將所生成波形進行幅度調節，并輸出分別接至電 極(參見圖3)，用以產生交變電場力，生成移動電場力；由于波形合成模 塊要求輸出帶寬大(0-2Mhz)，幅度變化大(最大士10V), —般運算放大器 很難滿足這種要求。所以本發明釆用CD4011作為正弦波形的輸出幅度控制 模塊。如圖2所示，本實施例由4個功能子模塊構成(1) 微處理器(MCU),作為程序控制器，主要功能是與上位機通訊， 接收上位機的設置參數(如頻率為lMhz, 4路信號的初始相位分別為0°、 90°、 180°、 270°),顯示參數設置信息，并對波形合成模塊進行參數設置， 以控制產生相應正弦波頻率及初始相位角。(2) 第一 四通信模塊U2-l U2-4，作為MAX3232標準接口，分別與上位機相連，完成微處理器與上位機的通訊。(3 )第一 四波形合成模塊U3-l~U3-4，可通過接收微處理器MCU的 指令，自動產生指定初始相位角和頻率的正弦波，并在接收到觸發信號后 輸出該正弦波。本實施例釆用四片AD9850作為波形合成模塊，因此可同 時輸出四路(參見第一 四通道)不同相位的正弦波(本實施例產生0。、 90。、 180°、 270。)，以滿足相差、頻率可調的多路正弦波輸出要求。(4)第一 四幅度調節模塊U4-l U4-4，將所生成波形分別接至4組 有序排列的電極陣列，從而產生可移動的交變電場力； 該發明裝置的各功能由下描述(1) 微處理器主要功能包括讀入設定參數，顯示工作狀態，控制合 成波形的頻率、相位。(2) 通信模塊可以用戶選擇在上位機進行參數設定，如各路需要的 頻率、幅度與相位。 (3)數字頻率生成模塊根據MCU的給定參數產生相應頻率和初始 相位的一路或多路正弦波。U)幅度調節功能可根據需要人工或自動進行輸出信號的幅度調節。 該發明裝置的信號特點如下(1) 可以完成多通道信號頻率0-2Mhz范圍內的連續可調。(2) 可以完成多通道信號的任意相位設置(分辨率為U.25度)。(3) 可以完成多通道信號幅度的士5-ilOv的連續可調。
權利要求
1. 一種可生成移動電場力的裝置，其特征在于包括微處理器，作為程序控制器，與上位機通訊，接收上位機給定的正弦波頻率及初始相位角參數，輸出與頻率合成模塊通信，對其進行參數設置；通信模塊，作為微處理器與上位機通訊的標準接口；頻率合成模塊，接收微處理器的指令，按指令自動產生具有初始相位角和頻率的正弦波，輸出信號至幅度調節模塊；幅度調節模塊，將所生成波形進行幅度調節，并輸出至電極，用以產生交變電場，生成移動電場力。
2. 按權利要求l所述可生成移動電場力的裝置，其特征在于幅度調 節模塊釆用CD4011。
3. 按權利要求l所述可生成移動電場力的裝置，其特征在于頻率合 成模塊和幅度調節模塊個數至少2個。
4. 一種可生成移動電場力的實現方法，其特征在于對有序排列的電 極陣列通過信號發生裝置施加多路交變電壓信號建立交變電場，獲得移動 電場力。
5. 按權利要求l所述可生成移動電場力的實現方法，其特征在于所 述有序電極陣列可以通過平面印刷術加工方法獲得。
6. 按權利要求l所述可生成移動電場力的實現方法，其特征在于所 施加的多路交變電壓信號頻率調節范圍為0-10MHz,幅度調節范圍為 0-30V。
7. 按權利要求l所述可生成移動電場力的實現方法，其特征在于所 述信號發生裝置的設計應用微處理器和頻率合成技術構成具有相位差的 多路正弦信號發生裝置，首先微處理器MCU接收上位機的預置波形頻率、 相位指令，將該指令轉換成含有輸出信號頻率與相位信息的控制信號，并 以串行方式發送給頻率合成模塊，頻率合成模塊接收到該控制信號后，其 頻率更新控制端等待微處理器的頻率與相位更新控制信號； 一旦頻率合成 模塊接收到頻率更新控制信號后，立即輸出與預先設定的頻率、相位相符 合的正弦波形；對所述輸出正弦波形的幅度進行放大調整，最后輸出具有 指定頻率和相位的多路正弦波波形信號至有序排列的電極陣列，用于在所述電極陣列上生成移動電場。
8. 按權利要求l所述可生成移動電場力的實現方法，其特征在于當 采用多個頻率合成模塊時，頻率合成模塊分別接收微處理器MCU的預置頻率和初始相位控制信號，然后在同一觸發信號的觸發下，產生一組同一頻 率和具有各自相位的正弦波形。
全文摘要
本發明涉及產生電泳力的交變電場和移動交變電場生成技術，具體地說是一種可生成移動電場力的裝置及實現方法，裝置包括微處理器，與上位機通訊，接收上位機給定的正弦波頻率及初始相位角參數，輸出與頻率合成模塊通信，對其進行參數設置；通信模塊，作為微處理器與上位機通訊的標準接口；頻率合成模塊，接收微處理器的指令，按指令自動產生具有初始相位角和頻率的正弦波，輸出信號至幅度調節模塊。采用本發明可以通過改變移動交變電場的相位、幅度、頻率，產生用于微納操作的電泳力。
文檔編號G01N27/447GK101210903SQ200610135110
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月27日 優先權日2006年12月27日
發明者柱 劉, 磊 周, 王光宏, 王越超, 磊 繆, 董再勵 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所