一种用于检测细胞机械特性与电学特性的驱动装置

本发明涉及精密超精密加工、微机械电子系统工程研究领域，特别涉及一种检测细胞机械特性与电学特性的驱动装置。

背景技术：

1、随着科学技术的发展，微/纳米级的精密驱动技术是精密超精密加工和测量、微机械电子系统、航空航天、生物医学等研究领域的关键技术。每类驱动器都具有各自的优势，压电驱动器具有结构简单、控制方便、分辨率高、定位精确等特点，尤其在微机械电子系统、微纳米压痕、生物细胞操作的工程中展示了良好的应用效果和光明前景。

2、现有的检测细胞特性的装置，大多只具备一种检测效果，即只检测细胞的机械特性或只检测细胞的电学特性，两者没有结合。目前，检测细胞机械特性通常采用原子力显微镜、微管吮吸技术、光镊技术、微流技术等；检测细胞电学特性通常采用膜片钳、电化学阻抗分析法、旋转电场技术等，这些技术存在结构复杂、不易操作、研究成本过高等不足。因此，有必要设计一款驱动装置同时具备检测细胞机械特性与电学特性的功能，解决现有技术存在的壁垒，降低研究成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于检测细胞机械特性与电学特性的驱动装置，解决了现有存在的上述问题。本发明具有结构简单且紧凑，且具备同时检测细胞机械特性与电学特性的功能。

2、本发明通过两个驱动单元进行直线运动，较大位移的输出采用丝杠导轨实现，微小位移的输出通过压电叠堆和两个柔性铰链机构的变形实现向下的直线运动，本发明采用力传感器和陶瓷针的组合检测细胞的力学特性，为了观测驱动装置实际下降的微小位移采用了直线位移传感器获得微米级位移,同时通过电极的连接采用电阻抗分析仪检测细胞的电学特性。

3、本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

4、一种用于检测细胞机械特性与电学特性的驱动装置，主要包括压电叠堆(5)、桥式柔性铰链机构(4)、平行铰链机构(6)、丝杠导轨(2)、步进电机(1)、直线位移传感器(20)、力传感器(8)、陶瓷针(16)、电极一(9)、电极二(10)、细胞容器(11)、xy轴位移平台(14)、定位孔(15)、金属底座一(13)、金属底座二(12)、金属连接板一(3)、金属连接板二(7)、预紧楔块一(17)、预紧楔块二(18)、预紧螺钉(19)、螺钉(21),所述驱动装置实现了微米级的精密直线驱动。丝杠导轨(2)固定于金属底座一(13)上，驱动器主体包括桥式柔性铰链机构(4)和平行铰链机构(6)，通过螺钉固定在金属连接板一(3)上，金属连接板一(3)通过螺钉(21)固定在丝杠导轨(2)上；力传感器(8)和陶瓷针(16)通过金属连接板二(7)固定在驱动器主体下方；细胞容器(11)置于xy轴位移平台(14)上方，通过xy轴位移平台(14)调节到合适的位置；预紧楔块一(17)和预紧楔块二(18)通过预紧螺钉(19)进行预紧，并通过螺钉固定在金属底座一(13)上,直线位移传感器(20)安装在预紧楔块一(17)内，金属底座一(13)与金属底座二(12)起支撑和安装固定其他零件的作用。所述力传感器(8)和陶瓷针(16)连接，陶瓷针(16)采用氧化锆、氧化铝、碳化硅材料制备，陶瓷针(16)上贴有电极一(9),细胞容器(11)底部贴有电极二(10)，电极一(9)与电极二(10)连接电阻抗分析仪，在驱动装置向下的直线运动中，陶瓷针(16)下压到细胞容器(11)中，对细胞进行力学特性与电学特性的检测；

5、检测的力学特性包括弹性模量、泊松比、剪切模量、变形度，检测的电学特性包括阻抗、迟滞频率、导电率、介电常数、细胞膜比电容。

6、所述驱动装置位移分为两步，首先，通过丝杠导轨(2)和连接在上方的金属转接板(3)带动压电叠堆(5)、桥式柔性铰链机构(4)、平行铰链机构(6)、金属连接板一(3)、金属连接板二(7)、力传感器(8)、陶瓷针(16)向下位移，其次，压电叠堆(5)设置在桥式柔性铰链机构(4)中,驱动压电叠堆(5),桥式柔性铰链机构(4)伸长，从而带动平行铰链机构(6)伸长并向下做直线运动；

7、所述驱动装置的位移检测机构是通过所述的直线位移传感器(20)实现的，通过对驱动装置微小位移的检测，能够得出驱动装置的位移数据；驱动装置对细胞的力学检测采用力传感器(8)；xy轴位移平台(14)实现了细胞容器(11)在x轴和y轴两方向上的定位;

8、所述桥式柔性铰链机构(4)和平行铰链机构(6)可采用高强度的铝合金制造，通过两个柔性铰链连接，刚度输出特性好，输出载荷较大，尺寸结构也更加紧凑。

9、所述预紧楔块一(17)和预紧楔块二(18)将直线位移传感器(20)固定于金属连接板二(7)上，实现楔紧连接，直线位移传感器(20)初始的预紧力通过预紧楔块一(17)、预紧楔块二(18)、预紧螺钉(19)调节，预紧楔块一(17)和预紧楔块二(18)可采用塑料材质制造。

10、所述压电叠堆(5)设置在桥式柔性铰链机构(4)中，驱动压电叠堆(5)使桥式柔性铰链机构(4)伸长，同时下方的平行铰链机构(6)也伸长起导向作用，能够使驱动主体做直线精密运动且不变形。

11、本发明的主要优势在于：采用两个驱动单元，实现位移的粗略测量以及精确测量；通过丝杠导轨得到驱动器主体的第一个位移；再对压电叠堆的驱动下，通过直线位移传感器得到驱动器主体的第二个位移；两位移之和便是整个驱动装置的总位移；采用力传感器得到细胞的力学特性；采用电阻抗分析仪得到细胞的电学特性；本发明结构简单，方式新颖，驱动可靠性高，投资少、效益高，适用于精密超精密加工、微机械电子系统、现代医学与生物遗传工程、生物技术等重要科学工程领域。

技术特征：

1.一种用于检测细胞机械特性与电学特性的驱动装置，其特征在于：主要包括压电叠堆(5)、桥式柔性铰链机构(4)、平行铰链机构(6)、丝杠导轨(2)、步进电机(1)、直线位移传感器(20)、力传感器(8)、陶瓷针(16)、电极一(9)、电极二(10)、细胞容器(11)、xy轴位移平台(14)、定位孔(15)、金属底座一(13)、金属底座二(12)、金属连接板一(3)、金属连接板二(7)、预紧楔块一(17)、预紧楔块二(18)、预紧螺钉(19)、螺钉(21),丝杠导轨(2)固定于金属底座一(13)上，驱动器主体包括桥式柔性铰链机构(4)和平行铰链机构(6)，通过螺钉固定在金属连接板一(3)上，金属连接板一(3)通过螺钉(21)固定在丝杠导轨(2)上；细胞容器(11)置于xy轴位移平台(14)上方，通过xy轴位移平台(14)调节到合适的位置；所述力传感器(8)和陶瓷针(16)通过金属连接板二(7)固定在驱动器主体下方，陶瓷针(16)上贴有电极一(9),细胞容器(11)底部贴有电极二(10)，电极一(9)与电极二(10)连接电阻抗分析仪，在驱动装置向下的直线运动中，陶瓷针(16)下压到细胞容器(11)中，对细胞进行力学特性与电学特性的检测。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测细胞机械特性与电学特性的驱动装置，其特征在于检测的力学特性包括弹性模量、泊松比、剪切模量、变形度，检测的电学特性包括阻抗、迟滞频率、导电率、介电常数、细胞膜比电容。

技术总结本发明涉及一种用于检测细胞机械特性与电学特性的驱动装置。本驱动装置的结构主要包括压电叠堆、桥式柔性铰链机构、平行铰链机构、丝杠导轨、步进电机、直线位移传感器、力传感器、陶瓷针、电极一、电极二、细胞容器、XY轴位移平台、定位孔、金属底座一、金属底座二、金属连接板一、金属连接板二、预紧楔块一、预紧楔块二、螺钉、预紧螺钉。驱动装置工作时，在驱动电场信号的激励作用下，驱动压电叠堆，使桥式柔性铰链机构伸长，经过平行铰链机构，带动陶瓷针向下移动。本发明的优势在于驱动装置不仅结构简单，控制系统集成化，而且能够检测细胞的机械特性和电学特性。技术研发人员：李建平,蒋舒琪,万嫩,胡意立,马继杰,陈松受保护的技术使用者：浙江师范大学技术研发日：20231024技术公布日：2024/6/18