声表面波技术在微流控研究领域中的应用

介绍了声表面波(SAW)器件的基本构造及工作原理,分析了声表面波进入微流体后所产生的复杂的流-固耦合效应。根据液滴随着声表面波功率的增大所出现的不同响应,将声表面波技术在微流控研究领域中的应用具体分为液滴振动及粒子聚集、液滴平移及粒子收集、微流体喷射、微流体雾化四大类。分别讨论了各类应用的工作原理及其在相关研究领域中典型的应用实例,指出了声表面波相比其他驱动方式在微流控研究领域中的优势。综合国内外研发现状,分析了目前研究过程中存在的问题,提出了声表面波驱动微流体今后的研究方向。     

继往开来,再创辉煌庆贺《军医进修学院学报》创刊30周年

在减少昂贵试剂消耗和提高生产能力的需求驱动下,微泵技术得到了广泛的关注和发展.利用声表面波流驱动的微泵在流体雷诺数很小的微尺度下具有一定优势,成为微流控系统中一种重要的补充技术.该文介绍了声表面波在微泵的研究现状,分析了基于表面波的微泵的基本原理,并设计了聚焦型叉指换能器实现微泵功能.对实验器件的设计、选择以及实验过程进行了介绍和分析,并对未来研究工作作出了总结.     

基于声表面波技术数字微流体微混合器研究

报道了在128°旋转Y切割X传播方向LiNbO3基片上研制了数字微流体微混合器.它由压电基片上叉指换能器和反射栅组成,当由功率放大器放大后的射频电信号加到叉指换能器时,它激发的声表面波经微流体后转化为径向表面波驱动微流体,使其与同一路径上的另一微流体合并,在反射栅反射回的声表面波共同作用下,加速微流体内分子扩散运动,提高了微流体混合效率.采用1 μL的水和1 μL红墨水以及1 μL的红墨水和1 μL甘油各自进行混合实验,结果表明:在声表面波作用下,微混合器能快速混合微流体.为片上实验室提供了廉价、易集成的微混合单元,具有潜在的应用价值.     

压电基片上集成微通道数字微流体微混合器研究

微流体在压电基片上输运往往偏离声表面波传播方向,尤其是当压电基片表面疏水层不很均匀时,给微流体诸如混合等操作带来不便。在1280旋转Y切割X传播方向的LiNbO3基片上研制了集成有聚二甲基硅氧烷为材料T型微通道的微混合器,压电基片上采用光刻工艺制作相互垂直叉指换能器及反射栅。待混合的两微流体采用微量进样器分别进样到声路径微通道中,依次在两叉指换能器上加RF电信号,它激发的声表面波驱动其声路径上微通道中的微流体沿微通道输运、合并,并快速混合。对2μl水-2μl蓝色染料微流体和2μl甘油-2μl蓝色染料微流体进行混合实验,结果表明,声表面波的作用可以提高微通道中微流体的混合速度,且混合程度更高。     

微流体系统驱动技术的研究进展

微流体驱动大致可以分为两类:一类是从宏观流体驱动移植过来的驱动方式;另一类是根据微尺度下流体特性设计的驱动方式。对两类不同的驱动方式进行了介绍与比较,前者原理成熟,基本都符合经典流体理论,在亚微米以上级微流体流道尺寸中的应用较广;相比之下,后者设计原理新颖,常用于微米甚至纳米级的微流体系统中,具有更好的发展前景。     

基于声表面波技术实现微流体数字化

微流体的数字化是压电微流控芯片进行微流分析的前提,提出了采用声表面波(SAW)实现微流体数 字化的方法.在128°YX-LiNbO3基片上研制了中心频率为27.7 MHz的叉指换能器,在压电基片上方固定一细针,它经由Teflon软管与注射泵相连,注射泵提供恒定流量的微流体到达细针孔端并聚集,当聚集的微流体高度达到细针孔端与压电基片间距时,叉指换能器激发的声表面波驱动微流体实现微流体数字化.提出了计算细针孔端与压电基片间距的方法和微流体实现数字化的条件.以水为实验对象进行数字化实验,结果表明,声表面波作用下能实现微流体数字化,为压电微流控芯片提供了一种新的微流体引入方法.     

第一讲 声表面波的类型与性质

十九世纪八十年代英国物理学家瑞利从理论上研究了波在弹性固体表面上的传播特性并首先发现了声(弹极)表面波,这就是现在已为人所熟知的瑞利波.第二次世界大战以后由于电子设备迫切需要多功能和小型化,有人就试图利用声表面波技术来研制电子元件.六十年代中期美国怀特等人提出用叉指换能器在压电基片上激励和检测声表面波的方法从而加速了声表面波技术的发展,使许多各具特色的声表面波器件如同雨后春笋般相继涌现.十多年来声表面波器件凭借其设计灵活性和独特的信号处理功能而崭露头角,现在已成为电子元、器件界独树一帜的新秀.声表面波器件得以问世,实有赖于电子计算机和微电子技术两大技术基础的发展.这一事实也表明声表面波器件的研制无论在设计和工艺上都有许多独特的问题需要解决.为了充分发挥这类器件的设计灵活性和信号处理功能,器件设计人员有必要对固体声学、声表面波物理以及模拟信号处理技术等有较多的了解.近年来声表面波技术在我国颇受重视,器件的研制和应用日益广泛,有些民用器件即将大量生产,为了适应这种形势,本刊举办《声表面波技术讲座》,邀请国内知名学者较系统地介绍各种声表面波的特性,叉指换能器的特征以及各种声表面波器件的设计原理和应用等,深望它能有助于声表面波技术的推广     

MEMS技术在流体控制中的应用

微机电系统(MEMS:Micro Electro-Mechanical System)技术或微传感器与微执行器(MicromachinedTranducers)技术,它是在微电子技术的基础上发展起来的,融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术,并利用IC技术把控制和信号处理电路与机械部件集成的微型系统。这种技术所涉及的器件的特征尺寸一般小于1mm而大于1μm,它为流体控制研究开辟了一个崭新的领域。简述了流体控制技术的基本原理以及应用MEMS技术实现流体控制的机理和途径,分别介绍了国外研究机构近年来在微传感、微执行技术的研究工作。     

先进微陀螺器件及微惯性测量单元最新研究进展

微纳加工技术与振动惯性技术的结合使惯性仪表技术发生了重大的变革,拓展了惯性技术在军用和民用领域的应用。高性能微惯性器件对军事装备和国民经济的发展起着越来越大的作用。该文基于美国国防高级研究计划局(DARPA)近年来在微惯性传感器技术领域的资助项目,综合研究了微机电系统(MEMS)谐振陀螺、微光学陀螺(MOG)、声表面波(SAW)陀螺等微惯性传感器技术及微惯性测量单元的最新发展现状,并对其发展面临的技术挑战进行了详细地分析与评述。     

基于声子晶体的声表面波器件研究进展

本文基于研究和发展基于声子晶体的声表面波器件技术,其在电子工程、通信技术等领域有着广泛的应用,通过对国内外基于声子晶体的声表面波器件研究的分析与总结,介绍并讨论了目前基于声子晶体的声表面波器件的理论和实验研究现状及进展.     

扭转微镜光学致动器研究

应用基于表面硅、体硅微电子工艺的混合微加工技术研制了新型扭转微镜光学致动器 ,实现了致动器结构与具有光纤自固定、自对准功能的新型光纤定位保持结构的单片集成。新型扭转微镜光学致动器的机电和光学特性研究表明 ,其工作寿命超过 10 8次动作 ,最小动作时间估计可低于2ms ,存在驱动微镜自然地翻转 90°角的静电阈值电压和维持微镜处于已翻转 90°角状态的静电最低保持电压 ;其微镜的表面粗糙度及其分布基本满足光的波分复用技术等的应用要求。新型扭转微镜光学致动器可在光纤网络中作为光开关或可变光衰减器使用。设计、制作及研究了由新型扭转微镜光学致动器组成的 2× 2光开关阵列     

Microwave Acoustic Devices for Pulse Compression Filters

The ability of devices based on the phenomena of magnetoelastic waves, acoustic bulk waves, acoustic surface waves, and the optoacoustic interaction to fulfill the requirements for a dispersive filter for a pulse compression RADAR are reviewed. The performance and current limitations of devices that use techniques employing these effects are described. The discussion is generally limited to devices which have been operated in the frequency range above 100 MHz. For comparison, other solid-state techniques that do not employ acoustic waves which can be used to make dispersive filter are described.     

Micro mechatronics and micro actuators

Micro mechatronics is the synergetic integration of both mechanical and electronic systems based on scaling effects in the micro world. A micro mechatronics system is expected to be the key component of the mechanical system, such as in electronic automotive technologies. Micro mechatronics requires the organic combination of micro devices such as micro processor, micro sensor, and micro actuator. Among the micro devices, the micro processor and micro sensor have been widely employed in advanced mechatronics products, but not the micro actuator. This paper surveys the state of the art of micro mechatronics and deals with micro actuators as new devices for micro mechatronics and advanced mechatronics, which play an important role in today's integrated mechanical products. Since micro actuators are still under development, the authors focus on micro actuators for further research and development in this paper.     

平行板式静电微执行器动态Pull-in现象分析

基于求不考虑边缘电容的静电微执行器动态Pull-in参数的能量分析法,并结合边缘电容的模型推导出考虑边缘电容情况下静电微执行器的动态Pull-in参数的计算方法。将不考虑边缘电容条件下的静电微执行器的动态Pull-in参数和考虑边缘电容条件下的静电微执行器的动态Pull-in参数进行比较,得到这两种条件下静电微执行器的动态Pull-in参数的不同以及边缘电容对静电微执行器动态Pull-in参数的影响:考虑边缘电容的Pull-in电压小于不考虑边缘电容的Pull-in电压;在边缘电容模型下,平行板长度的变化对Pull-in电压的影响很大,但是对Pull-in位移却没有影响,平行板宽度的变化对Pull-in电压的影响较小,但是对Pull-in位移的影响很大。     

Promising materials of acoustoelectronics

The results of the investigation of multicomponent piezoelectric crystals of the group of galliumlanthanum silicate (langasite) are presented. The synthesis processes and the structure of crystals are investigated. The acoustic properties of the crystals are investigated using X-ray topography and diffractometry. The possibility of applying these piezoelectric crystals in high-temperature sensor devices based on surface acoustic waves is shown.     

Microwave acoustic materials, devices, and applications

This paper surveys applications of acoustic waves in microwave devices. After a general and historical introduction to bulk acoustic waves (BAWs), surface acoustic waves (SAWs), practical wave types, and acoustoelectric transducers, a review is given of technologically important materials for microwave acoustic applications. Following this, we discuss BAW and SAW microwave devices and their technologies. Specifically reviewed are thin-film resonators and filters, transversal filters, and filters for correlative analog signal processing. Finally, an overview of the most important microwave applications is given, along with manufacturing and packaging issues     

Electrically Tunable Surface Acoustic Wave Propagation at MHz Frequencies Based on Carbon Nanotube Thin-Film Transistors

Surface acoustic waves (SAWs) that propagate on the surface of a solid at MHz frequencies are widely used in sensing, communication, and acoustic tweezers. However, their properties are difficult to be tuned electrically, and current devices suffer from complicated configurations, complicated tuning mechanisms, or small ranges of tunability. Here a structure featuring a thin-film transistor configuration is proposed to achieve electrically tunable SAW propagation based on conductivity tuning. When a DC gate voltage is applied, the on-site conductivity of the piezoelectric substrate is modulated, which leads to velocity and amplitude tuning of SAWs. The use of carbon nanotubes and crystalline nanocellulose as the channel and gate materials results in high tuning capacity and low gate voltage requirement. The tunability is manifested by a 2.5% phase velocity tuning and near 10 dB on/off switching of the signals. The proposed device holds the potential for the next generation SAW-based devices.     

MEMS流体陀螺的研究进展

随着微机电技术（MEMS）的快速发展,惯性器件微陀螺得到了广泛的发展和应用,其中微流体陀螺具有体积小、重量轻、成本低和抗高冲击等独特优点。根据陀螺原理的不同介绍了几种微流体陀螺,包括气体对流微陀螺、射流微陀螺、ECF流体微陀螺和超流体陀螺,气体对流陀螺和射流微陀螺属于常用的典型流体陀螺,而ECF流体陀螺和超流体陀螺属于新型的流体陀螺,分别分析了它们的原理和应用情况,并对它们的应用前景进行了展望,微流体陀螺将在惯性导航和自动控制等方面发挥越来越重要的作用。     

A Control-Oriented and Physics-Based Model for Ionic Polymer--Metal Composite Actuators

Ionic polymer-metal composite (IPMC) actuators have promising applications in biomimetic robotics, biomedical devices, and micro/nanomanipulation. In this paper, a physics- based model is developed for IPMC actuators, which is amenable to model reduction and control design. The model is represented as an infinite-dimensional transfer function relating the bending displacement to the applied voltage. It is obtained by exactly solving the governing partial differential equation in the Laplace domain for the actuation dynamics, where the effect of the distributed surface resistance is incorporated. The model is expressed in terms of fundamental material parameters and actuator dimensions, and is thus, geometrically scalable. To illustrate the utility of the model in controller design, an H_infin controller is designed based on the reduced model and applied to tracking control. Experimental results are presented to validate the proposed model and its effectiveness in real-time control design.     

尺蠖型压电驱动器结构及其特性

由于微纳米级精密定位技术在原位测试、精密光学、超精加工等领域的作用无可替代,因此具有精密定位功能的各种新型驱动器受到国内外学者的广泛关注,其中尺蠖型压电驱动器的研究尤为活跃。该类驱动器定位精度高,结构紧凑,输出力大,运动稳定,具备较大工作行程的同时拥有较高的运动分辨率,在各类驱动器中综合优势明显。首先,介绍了尺蠖型压电驱动器的原理和关键部件;其次,对直线型、旋转型和一体型三类代表性尺蠖驱动器的研究进展进行了总结和归纳,分析了各自的主要结构、动作原理、性能特点和适用场合。结果表明,实用性问题是未来研究重点,可从构型设计、控制系统、补偿算法以及温度控制等方面加以改进。