基于聲表面波技術(shù)的微流體混合及仿真*

鄭 利，張 正，李 丹，艾 林，曾 謙，朱紅偉，國世上

(武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，人工微納結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，武漢430072)

微流控芯片(又稱微全分析系統(tǒng)或芯片實驗室)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于化學(xué)合成、生物化學(xué)分析、藥物篩選、DNA測序等領(lǐng)域［1］。這些應(yīng)用需要快速、有效的混合微流體，然而由于大多數(shù)微流控芯片的雷諾系數(shù)很低，流體在微流控芯片中主要是層流流動，不同物質(zhì)的混合主要靠分子擴(kuò)散，過程很緩慢，難以滿足需要快速混合的要求［2］。因此大多數(shù)快速混合借助外力，比如，流體動力，介電泳力，電場力、聲場力等［3］。其中，聲能作用下的微流體混合因其器件制作簡單，操作容易，反應(yīng)快速而引起人們的關(guān)注［4-5］。

聲表面波(SAW Surface Acoustic Wave)技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，是聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。聲表面波器件由于其自身的優(yōu)勢，在微流體混合方面有了很好的應(yīng)用。Sritharan［6］介紹利用平行聲表面波在微米級別的微流溝道中進(jìn)行混合，Shilton［7］報道了利用聚焦聲表面波在微液滴中提高混合的效率。但是目前國內(nèi)對于聲表面波的仿真還很少見，而理論研究對于微流控芯片的研究又有很重要的意義。本文通過COMSOL模擬聚焦叉指換能器和平行叉指換能器的聲輻射的理論分布，并通過對比來說明聚焦叉指換能器的聚焦能力。設(shè)計制作了聚焦聲表面波器件并進(jìn)行了驗證。

1 實驗

1.1 基本原理

叉指換能器是聲表面波器件的關(guān)鍵。圖1所示為叉指換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。叉指換能器包括兩個叉指形狀的金屬圖案(右上)和位于其下的壓電材料基底。兩個叉指電極分別作為輸入換能器和輸出換能器。其中電極寬度為p且等于兩電極之間的距離(如圖所示)。叉指換能器是根據(jù)逆壓電效應(yīng)，將輸入的電信號轉(zhuǎn)化為聲波，聲波沿著垂直于電極的方向傳播。產(chǎn)生聲波的波長等于電極寬度的四倍即等于4p。產(chǎn)生的聲波頻率等于施加的電場信號的頻率。當(dāng)聲波到達(dá)輸出換能器時根據(jù)壓電效應(yīng)將到達(dá)的聲信號轉(zhuǎn)化為電信號［8］。

圖1 叉指換能器結(jié)構(gòu)示意圖

其中，Vl和VS分別是聲波在液滴和基底里的傳播速度。漏聲表面波按角度θR輻射能量，產(chǎn)生一個聲輻射壓力，這個力促使液滴沿著聲表面波傳播的方向運(yùn)動［9-11］。

當(dāng)輸入換能器產(chǎn)生的聲表面波進(jìn)入液滴時，會驅(qū)動液滴流動。其工作原理如圖2所示。當(dāng)聲波臨近液滴時，產(chǎn)生漏聲表面波，并以一定的角度θR進(jìn)入液滴，根據(jù)瑞利定律:

圖2 聲表面波驅(qū)動液滴原理圖

1.2 數(shù)值模擬聲表面波傳播

使用壓電本構(gòu)方程來描述聲表面波的產(chǎn)生［12-13］:

其中，T為應(yīng)力，C為彈性勁度常數(shù)，E為電場強(qiáng)度，e表示壓電常數(shù)矩陣，D為電位移，S表示應(yīng)變，ε為介電常數(shù)矩陣，上標(biāo)T表示矩陣的轉(zhuǎn)置。

有限元法是研究聲表面波換能器激勵中的一種常用的方法。在壓電理論的基礎(chǔ)上，使用有限元模擬分析軟件COMSOL Multiphysics來模擬叉指換能器在LiNbO3表面形成的聲表面波。數(shù)值模擬中使用的基底材料是LiNbO3，所需的物理參數(shù)從軟件的材料庫中直接導(dǎo)入。采用的幾何尺寸為:基底長、寬、高分別為0.001 8 m、0.001 76 m、0.000 19 m，電極寬度為48.75 μm。換能器上施加的電壓為10 V，頻率為20 MHz，聲波在LiNbO3中的傳播速度為3 900 m/s。

1.3 芯片制作

使用軟光刻工藝及磁控濺射工藝制作叉指換能器，光刻膠是AZ50XT。先設(shè)計出聚焦叉指電極圖形，經(jīng)過菲林輸出打印模板，在LiNbO3基底上光刻出圖案，然后利用磁控濺射在光刻膠上濺射一層5 nm的鉻和100 nm的金。最后將剩余的光刻膠去除，就得到叉指換能器，實物圖形如圖3所示，電極寬度為60 μm，其中最里面的電極距離中心為0.005 5 m，整個電極的夾角為50°，共有18對電極。

圖3 聚焦叉指換能器

1.4 實驗觀測

實驗中交流電信號經(jīng)信號發(fā)生器(81150A，Agilent.Inc，USA)、功率放大器(Model 25A250A，AR，Inc，USA)連接到芯片上的叉指電極。整個實驗過程通過倒置熒光顯微鏡(IX71，Olympus，Japan)和CCD高速攝像機(jī)(Evolution VF，Media Cybernetics，Inc.)觀察，并且拍攝動態(tài)圖像。實驗裝置圖如圖4所示。

圖4 混合實驗裝置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

使用COMSOL模擬聲表面波在LiNbO3晶體上的形成、傳播、分布，并對結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5～圖7所示。其中圖5為聲表面波在LiNbO3晶體上傳播示意圖，圖5(a)為聚焦叉指電極形成的聲表面波，圖5(b)為平行叉指電極形成的聲表面波。圖6為沿傳播方向的切面圖，其中圖6(a)為聚焦叉指電極在聚焦點處獲得，圖6(b)為平行叉指電極在相同位置取得。這兩組圖通過SAW振幅的分布來表征聲波的傳播。這兩組圖可以形象的說明聚焦叉指換能器將能量聚焦在一個很小的范圍，而平行叉指則沒有聚焦作用。為了更加準(zhǔn)確的說明聚焦叉指換能器的聚焦作用，圖7顯示了在圖6過聚焦點平行于切面沿?fù)Q能器的上表面位移圖。從圖7(a)可以看出聚焦換能器能量主要集中在0.2 mm～0.6 mm這一范圍，其中電極整個寬度為1.8 mm，而平行叉指則沿電極近似均勻分布，如圖7(b)。從峰值也可以說明這一問題，前者約為1.096×10-9m，后者約為3.028×10-10m。而微流控芯片的尺寸一般較小，所以聚焦叉指換能器由于其良好的聚焦作用，可以更快更高效的混合流體。

圖5 聲表面波在LiNbO3晶體上傳播的示意圖

圖6 沿傳播方向在聚焦點處的切面圖

2.2 實驗結(jié)果

圖7 聲波在聚焦點平行于切面沿電極的上表面位移圖

采用2 μm的聚苯乙烯(Polystyrene，PS)球和去離子水來觀察混合現(xiàn)象。將含有PS球的液滴放到聚焦換能器的聚焦區(qū)域，加上電信號觀察實驗現(xiàn)象，使用的電信號頻率為19.2 MHz，電壓為10 V。實驗時先加上電信號，觀察一段時間后，切掉電信號，通過CCD記錄實驗現(xiàn)象。實驗結(jié)果如圖8所示。圖8(a)為未加電信號時，由于PS球與去離子水互不相溶，PS球團(tuán)聚在一起。圖8(b)和8(c)是加上信號1 s和2 s后的實驗圖。此時由圖可以看到PS球與水在加上信號后不到1 s，由于聚焦叉指電極的聚焦作用，PS球隨著水滴旋轉(zhuǎn)，時間越久，旋轉(zhuǎn)的越劇烈，PS球在去離子水里面的分散性越好。圖8(d)為去掉信號后，PS球恢復(fù)未加信號時的團(tuán)聚狀態(tài)。若是用于兩種液體混合，在很短的時間內(nèi)可以達(dá)到非常均勻的混合效果。此類裝置在化學(xué)合成、生物化學(xué)分析、藥物篩選等方面具有很大的應(yīng)用潛力。

圖8 混合實驗結(jié)果圖

3 結(jié)論

聚焦叉指換能器微流控芯片提供了一種快速混合的新方式。實驗結(jié)果說明，利用聚焦叉指換能器制作的微流控芯片，由于其聲場能量聚焦能力強(qiáng)和集成度高，相對傳統(tǒng)方法叉指換能器能更高效混合。通過模擬也驗證了聚焦換能器的聚焦作用。

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