《Nano Energy》：Fresnel-inspired Frequency Programmable Self-Focusing Ultrasonic Transducer for Multifunctional Acoustic Manipulation
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•开发了一种频率可编程的自聚焦超声换能器，用于微流道中的多功能粒子操控。•受菲涅尔原理启发的多环压电复合结构将不同的声学聚焦模式编码到 2、3 和 4 MHz 的驱动频率中。•结合声辐射力与流致曳力的净力模型可预测频率依赖和尺寸依赖的捕获行为。•通过频率切换，可在微
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开发了一种频率可编程的自聚焦超声换能器，用于微流道中的多功能粒子操控。
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受菲涅尔原理启发的多环压电复合结构将不同的声学聚焦模式编码到 2、3 和 4 MHz 的驱动频率中。
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结合声辐射力与流致曳力的净力模型可预测频率依赖和尺寸依赖的捕获行为。
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通过频率切换，可在微流道中实现大面积粒子聚集、定向输运以及按尺寸选择性地捕获/分离。
引言
超声波是一种多功能、无创且非接触的工具，可用于操控诸如合成颗粒、微载体和液滴等微观物体 [1], [2], [3], [4], [5]。由于声辐射力可在不透光的介质内部深处产生，且不需要电离辐射或嵌入结构，超声操控在微流控、基于颗粒的样品处理、药物载体控制和微制造等领域引起了极大的关注 [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]。迄今为止，已开发了多种用于微粒操控的声场构型，包括表面声波 (SAWs)、驻波和行波。基于 SAW 的器件可提供较高的空间分辨率，并能在芯片上实现精确的局部驱动，但其有效面积和穿透深度存在固有的限制 [14], [15], [16]。由多个换能器形成的驻波场可以将粒子捕获在压力节点或反节点处，然而复杂的操作通常需要许多换能器，并以精确同步的相位和幅度进行驱动 [17], [18], [19], [20]。相比之下，行波构型能够灵活地在较大区域内导向粒子或液滴，并将其局部约束，特别是在与强聚焦超声换能器结合时 [21], [22], [23], [24], [25]。此外，聚焦超声可透过光学不透明或被约束的介质进行工作，为在直接光学或机械访问受限的环境中非接触地操控微粒提供了基础 [26], [27]。
然而，要充分发挥行波声流控系统的能力，需要提升主动且可编程地塑形声场的能力 [28]。传统的聚焦超声换能器基于曲面 [29], [30], [31] 或固定声透镜 [32], [33], [34]，可提供较高的聚焦效率，但一旦几何形状和材料制造完成，其焦斑图案本质上是固定的，灵活性有限 [35]。对于刚性颗粒或声学阻抗较高的颗粒，焦点附近的强声梯度可能会将颗粒推离焦点中心。因此，它们倾向于积累在非中心压力节点或低势区，而不是被稳定捕获在焦点处。这种径向排斥严重限制了按尺寸选择性的聚焦以及对刚性微粒的稳定操控 [36]。为了克服整体式聚焦元件缺乏灵活性这一问题，人们引入了声学全息技术，其中 3D 打印的相位板（全息透镜）通过调制局部相位在目标平面上重构复杂的压力图案 [37], [38]。与此同时，电子控制的超声相控阵可以通过独立寻址大量换能器单元来生成可重构的三维声场 [39]。然而，声学全息透镜由于材料引起的衰减和散射，能量传输效率通常有限；而相控阵则在需要大量独立驱动通道和复杂电子设备的代价上实现声场重构。这些局限促使人们寻求一种紧凑的换能器架构，无需笨重的外部硬件即可编码多种声学模式 [40]。在这两种方案之间，自聚焦超声换能器——即通过对单个压电元件的孔径进行工程化设计，使其在不借助外部透镜或多单元阵列的情况下生成所需的聚焦图案——在紧凑性和效率方面提供了一个有前景的折中方案 [41]。然而，目前大多数报道的自聚焦器件工作在单一主频率下，具有固定的焦距和图案 [42], [43], [44]，因而缺乏以可编程方式在多种聚焦模式之间切换的内在能力。更重要的是，在传统的自聚焦或受菲涅尔原理启发的设计中，聚焦相位分布通常由所制造的几何形状固定，这限制了它们自身在换能器内编码多种声场构型的能力。因此，需要一种不同的换能器级策略，即在压电孔径中内建频率相关的相位与幅度响应，从而通过改变驱动频率来重构声场，而无需更换外部透镜或使用多通道相位控制。
在此，我们提出一种频率可编程的自聚焦超声换能器，用于微流道中的多功能粒子操控。其核心理念是通过阶梯式多环压电结构在换能器层面编码声场构型，而不是依赖外部声透镜或多通道相控阵电子器件。基于菲涅尔干涉原理，环形压电元件的半径和厚度被协同设计，以引入预设的相位延迟和频率相关的幅度加权。因此，改变驱动频率会改变各环元件的相对相位与幅度贡献，从而在目标区域内重构压力场。作为概念验证，我们设计并制造了一种 fs-UT，其代表性工作频率为 2、3 和 4 MHz，在约 2–4 mm 的深度范围内产生焦区。通过切换激励频率，可在不改变器件几何形状、不更换声透镜、也不使用额外电气互连的情况下，在微流道内生成不同的声场构型。所重构的声场进一步产生不同的声辐射力与流致曳力分布，我们使用净力模型分析并预测了稳定捕获位置和粒子操控行为。利用这些频率选择模式，我们在微流控通道中演示了大面积粒子聚集、结合机械平移时的定向粒子输运，以及按尺寸选择性的粒子捕获。该 fs-UT 架构提供了一个紧凑的平台，可用于对合成微粒进行频率可编程的声流控操控，与微尺度样品处理以及未来的基于颗粒的递送系统具有潜在的相关性。
章节摘要
fs-UT 的设计与优化
fs-UT 可以通过频率对微流道中的声场分布进行编码，从而实现粒子的聚集与输运，以及不同尺寸运动粒子的差异捕获与分离。图 1(a) 展示了在血管内对粒子进行多功能操控的潜在应用。为了实现这种频率可编程的聚焦能力，我们提出了一种多单元自聚焦压电超声换能器（图 1b）。
结论
在本工作中，我们开发了一种频率可编程的自聚焦超声换能器。通过将不同的声学聚焦模式编码到驱动频率中，我们无需复杂的多通道相控阵控制即可实现可切换、可组合的粒子操控功能。该器件的核心是一种受菲涅尔环聚焦概念启发的阶梯式压电复合结构，由同心 PZT 环形元件和环氧树脂填充物组成，并且
fs-UT 的压力场测量
使用水下声压测试平台测试了 fs-UT 产生的压力场。将 fs-UT 连接到信号发生器（AFG3252C, Tektrontech）和功率放大器（AG1020, T&C, 美国），并设置不同频率（2、3 和 4 MHz）的连续正弦脉冲波。压力波由水听器探头（NH2000, Precision Acoustics, 英国）捕获，探头置于去离子水箱中。水听器由三维位移平台定位。所接收的信号
未引用文献
[45], [46], [47], [48], [49], [50]
CRediT 作者贡献声明
Yang Hongyu：可视化。Yu Lihan：数据整理。Cui Meng：数据整理。Chen Xuhao：可视化。Dai Xingyao：可视化，数据整理。Bai Xingyu：撰写—原稿，可视化，验证，方法论，数据整理，概念构思。Liu Jingquan：监督指导，资源提供。Chen Xiang：验证，监督指导。Yang Bin：撰写—审阅与编辑，监督指导，项目管理，方法论，资金获取。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Yang Bin 声明获得了中国国家重点研发计划提供的资金支持。Yang Bin 声明获得了中国国家自然科学基金提供的资金支持。Yang Bin 声明获得了上海交通大学医学与工程交叉研究基金提供的资金支持。如果
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（62674146）、中国国家重点研发计划（编号：2024YFB3212900）以及上海交通大学医学与工程交叉研究基金（编号：YG2025ZD05）的支持。我们还感谢上海交通大学先进电子材料与器件中心（AEMD）在超声换能器制造过程中提供的协助。
Bai Xingyu 于 2022 年获得中国西安交通大学学士学位。目前她在上海交通大学国家先进微纳制造技术重点实验室攻读博士学位。她的研究方向为 MEMS 压电超声换能器。
Bai Xingyu|Dai Xingyao|Yang Hongyu|Yu Lihan|Cui Meng|Chen Xuhao|Liu Jingquan|Chen Xiang|Yang Bin
