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.     

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.     

基于声表面波技术的数字微流体微加热器研究

设计了在128°旋转Y切割X传播方向LiNbO3基片上研制了数字微流体微加热器。它由压电基片上两个叉指换能器构成,当由功率放大器放大后的射频电信号加到叉指换能器时,其激发的声表面波经微流体后转化为径向表面波,并辐射入微流体达到加温效果。停止加电信号后,微流体能量向外界辐射迅速降温。采用2μL的甘油微液滴进行升温实验,结果表明:微流体温度变化由外加电信号强度和持续时间决定,在电信号强度为19V时,微流体的温度上升速率为1.5℃/s,与理论6.2℃/s结果基本相符。     

基于声表面波介质辅助输运微流体

提出了介质辅助下压电基片上微流体输运新方法,以避免声表面波(SAW)直接辐射引起的水溶液样品中水蒸发或潜在的生物大分子活性降低问题。小钢珠表面涂覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,并放置于128°YX-LiNbO3压电基片上,微小水液滴进样于小钢珠与压电基片之间,确保小钢珠在声表面波作用下滑移。同时,对小钢珠上微流体的受力进行了理论分析。以红墨水溶液作为实验对象,进行介质辅助输运微流体实验。结果表明,30.2 dBm电信号功率激发的声表面波可成功地实现直径2 mm小钢珠上1μL红墨水微流体的输运,其输运速度为0.58 mm/s,且小钢珠上红墨水微流体的输运速度随施加的电信号功率增加而增加。     

基于声表面波纸基微流器件研究

研制了压电基片上能实现样品前处理的纸基微流器件.在128°YX-LiNbO3基片上制作了1个叉指换能器和1个反射栅;亲水性纸用来制作微流器件的微通道,浸有指示剂滤纸作为微反应器,一同粘附于透明胶带上,并采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)贴合于压电基片上.叉指换能器激发的声表面波驱动压电基片上的样品,使其输运到纸基微通道,并在纸基微反应器进行微流分析.在研制的纸基微流器件上实现了NO2-浓度的快速检测.     

基于声表面波微通道内微液滴选择性输运研究

提出了声表面波实现微通道内微液滴选择性输运的方法,并研制了相应的微器件。它包括128°YXLiNbO3基片上光刻有两叉指换能器的压电子器件、微隔板和聚二甲基硅氧烷微通道。通过软光刻工艺制作聚二甲基硅氧烷微通道,采用内嵌塑料薄片微隔板,将微通道分割为两分支微通道,并贴合于压电基片上。叉指换能器激发的声表面波结合进样器进样的石蜡油驱使待输运微液滴向目标分支微通道运动,实现微通道内微液滴选择性地输运到目标分支微通道。以水液滴为研究对象,进行了微液滴选择性输运实验,结果表明,声表面波可以实现微通道内微液滴选择性输运到目标分支微通道,从而为压电微流器件进行微流分析提供前提条件。     

基于声表面波技术实现微通道内微流体的融合

提出了一种新的油相微通道内微流体融合方法.在128°YX-LiNbO3基片上光刻叉指换能器(IDT)和反射栅,模塑法制作的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道贴合于压电基片的声路径上,在PDMS微通道内采用微量进样器注入石蜡油和待融合微流体.经功率放大器放大后的射频(RF)电信号加到IDT上,激发声表面波(SAW),驱动微通道内的待融合微流体,实现其融合.实验结果表明,在SAW作用下,微通道内微流体的融合决定于加到IDT上RF信号功率、待融合微流体直径和待融合微流体间距.     

声表面波延迟线

声表面波延迟线是在雷达和通信系统中应用非常广泛的器件.文中结合实用声表面波延迟线器件的设计实例,介绍了折叠式固定延迟线结构原理和设计计算,克服了传统延迟线受基片材料长度和器件尺寸的限制,满足了雷达、通信等电子设备中对电信号的长延迟需求;同时还讨论了为满足超高频的应用需求和增加相对带宽,所采用的谐波和倒相换能器的设计方法.     

基于声表面波纸基微流器件研究

为了降低工艺要求和制作成本,提出了压电基片上纸基微流器件制作方法。采用焊锡丝构建微通道图案,通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)固化、剥离焊锡丝、填入棉线、棉线吸收未固化PDMS等工艺过程,将图案转印于纸基片,并贴合于128°YX-LiNbO_3压电基片上。实验结果表明,电信号功率为27.3 dBm时,在研制器件上实现淀粉显色反应,验证其微流分析功能。     

一种低损耗声表面波滤波器

本文从声表面波滤波器的基本原理出发，介绍了我们研制的低损耗声表面波滤波器，给出了实验结果，经实验证实有较好的频率特性。     

声表面波标签的设计、制作和测试

与IC标签相比,声表面波标签有其独特的优势.在仿真研究的基础上,对声表面波标签进行了设计、制作和测试.标签设计主要体现在压电基片材料选择、叉指换能器设计、反射栅设计3个方面;实际制作了6组结构各不相同的标签并进行了封装;通过网络分析仪对设计制作的标签进行了测试,包括特征频率测试、反射栅编码测试、叉指换能器激发效率测试3个部分.测试结果表明,标签特征频率与设计要求一致;通过对回波脉冲幅值的判别可实现对标签编码的识别;叉指换能器对数增多和孔径增大都会增加其激发效率.     

基于声表面波微流转换微器件研究

提出了压电基片上液滴转换为微通道内微流体的方法。在128°YX-LiNbO3基片上采用微电子工艺制作两叉指换能器,软光刻工艺制作聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道,镂空印刷电路板,内嵌压电子器件和微通道。两叉指换能器激发声表面波控制液滴与带细孔钢针的接触时间,实现一定量的微流转换。当两叉指换能器上电信号切换时间为9.667s,水微流体输运速度为0.365μL/s时,微流转换量为3.525μL。     

基于纵向耦合结构的宽带声表面波滤波器设计

基于纵向耦合五换能器结构,采用41°-YX-LiNbO3基片材料,通过优化设计,研制出中心频率232 MHz,3 dB带宽23.5 MHz的声表面波滤波器。该产品的插入损耗-3 dB,相对带宽达到10.1%,矩形系数小于2.5,阻带抑制大于40 dB,产品综合性能指标优异,有很好的实用性。     

聚二甲基硅氧烷薄膜对声表面波传播特性影响

研究了压电基片上聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜对声表面波(SAW)传播特性影响。在128°YXLiNbO3压电基片上光刻叉指换能器(IDT),其声传播路径上涂覆PDMS薄膜,IDT激发的SAW加热PDMS薄膜上石蜡油微流体,并测量不同PDMS薄膜厚度时石蜡油微流体的温度,进而计算薄膜对SAW的衰减量。实验结果和理论计算表明,压电基片上涂覆PDMS薄膜将衰减辐射入石蜡油微流体的声表面波强度,衰减幅度随基片上PDMS薄膜厚度的增加而增加。当压电基片上涂覆的PDMS薄膜厚度为100μm和150μm时,薄膜对SAW衰减量分别为23.3%和36.0%。     

声表面波器件体波效应抑制理论研究

针对声表面波器件中体波效应的影响,介绍了叉指换能器激发声体波的机理。根据声体波在基片上的不同传播方式,提出了不同的抑制方法。对在基片表面传播的声体波,利用声体波与声表面波有不同的能量传播角改变接收叉指换能器的位置来抑制体波效应。对在基片体内传播的声体波,则根据其传播和反射原理确定接收叉指换能器的位置来抑制。结果对声表面波器件的设计和工作性能提高具有指导意义。     

基于延迟线理论的无源声表面波气体传感器

针对单输入、单输出及双输入、双输出换能器构成的声表面波(SAW)气体传感器存在的缺陷,研究一种无线无源、温度可测的气体传感器。基于声表面波的延迟线理论,利用叉指换能器的转换能量原理,对叉指换能器及反射器进行合理布局,并使3个反射器之间互为参考反射器,获得一种新型的声表面波气体传感器。该设计减少了传感器中信号间及环境温度等因素对测量的干扰,提高了传感器的灵敏度和测量准确度。该传感器具有结构简单、无线无源等特点,适合在不宜接触的复杂工程环境下工作。