一种新的纸基微流开关及其活跃方法

提出了一种新的、基于声表面波的纸基微流开关。通过软光刻技术制作内含两个微孔的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微架,其上固定经折叠、长度可变的纸通道。PDMS微架贴附于压电基片之上,并在待连接的两微通道之下方,折叠纸通道最低端离压电基片间距为2 mm。压电基片上采用微电子工艺光刻一对叉指换能器和反射栅。当足够强度的电信号加到叉指换能器对时,激发两相向声表面波,使得压电基片上微流体输运到折叠纸通道,改变其长度,连接其上待连通的两纸基微通道,完成开关功能。对可编程微流器件提供了一种新的编程和开关控制方法。     

基于声表面波实现数字微流体的产生

数字微流体的产生是压电材料为基片的微流控芯片进行微流分析的前提,报道了在压电基片上应用声表面波技术产生数字微流体的方法.在128°旋转Y切割X传播方向的LiNbO3基片上集成PDMS微通道,在微通道出口一侧为经疏水处理的铝薄片,注射泵产生恒定流量的微流体经PDMS微通道到达铝薄片并聚集,当聚集的微流体体积足够大时,微流体克服表面张力作用下滑到达压电基片,并在中心频率为27.7 MHz叉指换能器激发的声表面波作用下输运,实现微流体的数字化.同时,理论分析了微流体在铝薄片表面上受力状况,并以水为实验对象,进行微流体数字化实验.结果表明,声表面波作用下能精确产生微升量级数字微流体,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基片间输运研究

复杂的生化分析系统往往很难集成于一个微流基片中,而按功能分别集成于两个或多个基片,为此,需要实现质荷在两基片间输运.提出了采用声表面波技术实现数字微流体在压电基片和玻璃基片间输运的新方法,它在128°YX-LiNbO3基片上光刻一个叉指换能器和一个反射栅,经功率放大器放大后频率为27.5 MHz的RF信号加到叉指换能器上,它激发的声表面波驱动其声路径上的数字微流体,使其按声传播方向快速运动,并到达与其相连接且经疏水处理的弧形聚合物表面,数字微流体由于自身重力克服表面张力作用沿弧形聚合物表面滑落到玻璃基片,实现两基片间输运.实验结果表明弧形聚合物曲率半径和微流体体积的大小影响其在两基片间输运.同时,提出了较小体积的微流体采用不相溶的油作为辅助微流体实现目标数字微流体在两基片间输运.     

声表面波为能量源的微通道关闭研究

为控制微通道内微流体流向,提出了一种声表面波关闭微通道方法。在128°旋转Y切割X传播方向的LiNbO3压电基片上制作中心频率为27.5 MHz的叉指换能器,其激发的声表面波熔融聚二甲基硅氧烷微槽内固体石蜡,熔融后的石蜡由于毛细作用力沿微通道输运。当移去激发声表面波的电信号后,熔融石蜡固化并阻塞微通道,实现微通道关闭。以红色染料溶液为实验对象,对微通道进行关闭操作。结果表明,声表面波可以成功地实现微通道关闭操作,当电信号功率为31.7 dBm时,微通道关断时间约为5 min。本文工作对声表面波为驱动源的微阀研究具有一定的借鉴意义。     

发明与专利

一种声表面波无线温度传感器 本实用新型涉及一种声表面波无线温度传感器,包括在压电基片上制作一个具有EWC／SPUDT结构的叉指换能器与11个短路栅结构的反射器,由EWC／SPUDT通过无线天线接收来自于无线读取单元所发射的电磁波信号,并转换成声表面波,在压电基片表面沿个反射器方向传播,并分别由反射器所反射,反射的声波通过EWC／SPUDT2重新转换成电磁波信号,由无线天线传回无线读取单元,并通过信号处理方法,以评价时域响应的相位变化来实现对温度的检测。     

结合金属膜的YZ-LiNbO3压电基片上声表面波陀螺效应分析

在声表面波陀螺效应作用过程中,由于哥氏力的作用比较微弱,导致现有的声表面波陀螺仪的检测灵敏度极低。为了改善哥氏力作用,在声表面波传播路径上分布金属点阵以增加质量负载,将有可能获得良好的灵敏度性能。本文结合研究层状介质中声波传输特性的方法对YZ-LiNbO3压电基片上的金属膜层对陀螺效应的影响做了理论计算。对比分析有无金属膜层的压电基片中陀螺效应的大小,以及不同金属材料对陀螺效应的影响作用,验证了用布置重金属点阵的方法来提高行波模式声表面波陀螺仪检测灵敏度的可行性,从而为高性能行波模式声表面波陀螺仪的研制奠定理论基础。     

基于声表面波微液滴并行加热研究

提出了一种并行加热微液滴的方法。在128°旋转Y切割X传播方向的LiNbO3压电基片上采用微电子工艺制作叉指换能器和反射栅,在其声路径上贴合环形聚二甲基硅氧烷(PDMS)微槽,其内充满石蜡油微流体。设计有多个受热区的图案,经过激光切割转移到导热性良好的、厚度为0.3 mm的铜金属传热片上,并放置于PDMS微槽上。射频电信号加到叉指换能器上激发声表面波,辐射入微槽中的石蜡油微流体,并将能量通过传热片传递到受热区,进而加热受热区上的微液滴。以纯净水微液滴为实验对象,进行了多个微液滴并行加热实验。结果表明,在单个叉指换能器上加电信号激发的声表面波可同时加热多个微液滴,且其温度变化值随射频电信号功率增加而增加,同时,微液滴体积和受热区中并行加热的微液滴数影响其温度变化。     

基于SAW器件的微间隙压力监测传感器

声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)器件能进行无源无线通信,为微间隙等特殊环境下物理量的测量提供了新的解决思路.研究设计了一种基于声表面波延迟线的接触应力传感器.围绕微间隙环境,研究了声表面波器件的结构类型,并确定压力监测的技术方案;根据设计原理,设计一种新型声表面波传感器,并利用有限元分析法对压电基片进行应力仿真;将设计出的传感器进行实验测试并提出温度补偿.通过对声表面波传感器设计的探究,验证了利用声表面波传感器实现微间隙压力监测的可行性.     

基于两相向声表面波快速富集悬液中微粒

为提高生化分析灵敏度,提出了一种快速富集悬液中微粒的新方法.它在127.68°旋转Y切割X传播方向的LiNbO3基片上采用微电子工艺制作了2×2叉指换能器阵列,在该叉指换能器阵列的一对对角叉指换能器上同时加经功率放大器放大后的RF信号,以激发两相向声表面波,采用微量进样器将待富集的微流体(微液滴)进样到两相向传播的声路径上,微液滴中的微粒在该两相向的声表面波作用下快速向心富集.淀粉溶液微液滴富集实验结果表明,两相向声表面波作用下,10秒内实现微液滴中淀粉微粒的快速富集.     

微通道导引下数字微流体快速混合

微流体混合是微流控芯片急需完善的重要操作单元,提出了在声表面波驱动下实现微通道内数字微流体快速混合方法.在1280YX-LiNbO3基片上设计相互垂直排列的两叉指换能器和反射栅,并在其声传播路径上制作微通道且进行疏水处理以防止微流体偏离运动方向,待混合的数字微流体移液于微通道中,分别在两叉指换能器上分时加RF电信号激发相互垂直声表面波,以驱动微通道中微流体输运、合并及快速混合.输运实验结果表明微流体在没有微通道时运动发生严重偏离声传播方向;混合实验表明:相比于自由扩散混合,声表面波作用极大地提高微通道中微流体混合速度且混合程度更高.     

Fabrication of the cyclical fluid channel using the surface acoustic wave actuator and continuous fluid pumping in the cyclical fluid channel

A surface acoustic wave (SAW) device has been reported as a micro fluid device such as a pump of a water droplet so far (Renaudin et al. in μTAS, pp 599–601, 2004, 1:551–553, 2005; Sritharan et al. in Appl Phys Lett 88:054102, 2006; Wixforth in Anal Bioanal Chem 379:982–991, 2004; Yamamoto et al. in μTAS, pp 1072–1074, 2005). The SAW device is an interdigital transducer (IDT) fabricated on the piezoelectric substrate only. IDTs are advantageous in terms of integration, miniaturization, free position setting on the substrate and simple fabrication process because of their simple structure. Therefore, the SAW device is easy to apply to integrated chemical system such as lab-on-a-chip. The SAW drives the liquid homogenously by the transmission of surface vibrations of the substrate. Thus, both ends of the channel for pressure loading are not necessary to pump the liquid by using the SAW. The SAW can pump the liquid in both of a closed channel and an opened channel, although continuous flow pumping using an external pump is difficult for no loading pressure in the closed fluid channel. In this paper, we proposed and fabricated the micro fluid devices combined cyclical fluid channel and SAW actuator for liquid pumping. This device is fabricated on a piezoelectric substrate (LiNbO₃) with UV photolithography and wet etching. Structure material of cyclical fluid channel is epoxy photoresist SU-8 100. Then, it is demonstrated to continuous flow pumping and reciprocal flow pumping in the channel. As a result of optimization of a SAW pump’s structural parameter, 32.5, 71.3 and 108.0 mm/s are achieved in the 500, 1,000 and 2,000 μm channel width as a maximum flow velocity.     

基于压电基片微液滴间隙式驱动研究

连续的声辐射力驱动方式难以在平面内精确操控微流体,报道了单步驱动微流体及其在平面中位置确定的方法.在128°-YX LiNbO3上制作中心频率27.7 MHz叉指换能器组,经方波调制的载波信号加到叉指换能器激发间隙性声表面波,以单步驱动其声路径上的微液滴.垂直方向叉指换能器组确定微液滴平面上位置.采用水和0.1 g/mL的NaCl溶液进行间隙性驱动实验,结果表明,在载波强度达到一定幅度时,微液滴运动速度随调制信号频率增大而减少;当调制信号频率一定时,声路径上微液滴运动速度随载波幅度增大而增大.     

Power consumption analysis of surface acoustic wave sensor systems using ANSYS and PSPICE

The power consumption of a surface acoustic wave (SAW) sensor system was investigated using ANSYS and PSPICE. Simulation results show that several design parameters of the surface acoustic wave sensor, such as the center distance between two interdigital transducers (IDT), the thickness of the piezoelectric substrate, the finger space of the IDT, etc., can greatly affect the power consumption of the whole system. The results of this study will be helpful to optimum design and fabricate the SAW sensor systems with very low-power consumption.     

基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器敏感机理分析

为实现高灵敏度、低温漂的高性能电流传感器,提出将声表面波技术与磁致伸缩效应相结合的电流检测方法,分析了其敏感机理并改善其温度特性.这种声表面波电流传感器采用128°YX-LiNbO3作为压电基片,表面覆盖SiO2薄膜来改善器件温度稳定性,并溅射超磁致伸缩TbDyFe薄膜以响应电流.在电流作用下,TbDyFe薄膜会发生磁致伸缩效应和ΔE效应,引起声表面波相速度的改变.结合层状介质中声传播理论,分析了给定电流下层状结构中声表面波的传播特性,特别分析了TbDyFe和SiO2膜厚对传感器响应的影响.计算结果表明,TbDyFe和SiO2薄膜厚度分别为0.5μm、2μm时,该声表面波电流传感器具有最大检测灵敏度58.2 kHz/A,有良好温度稳定性和较高的灵敏度,从而为高性能声表面波电流传感器的研制奠定理论基础.     

声表面波驱动微流体研究

报道了在128°旋转Y切割X传播方向的LiNbO3基片上研制了微流体驱动器件。RF信号经功率放大器放大后馈入叉指换能器,由它激发的声表面波驱动微流体。为减少由于声波辐射引起微流体温度上升,提出了间接微流体驱动方法,即通过声表面波驱动中间微粒,再由此驱动目标微流体。实验表明:声表面波驱动微流体所需的RF信号功率决定于微流体体积和粘性;采用间接方法驱动1μL50%甘油水液滴,在10V的RF信号持续5min下其温度变化仅0.5℃,而相同条件下直接驱动该液滴,其温度上升12.6℃。