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。     

基于声表面波油包水微液滴分裂研究

提出了声表面波(SAW)实现油包水微液滴的分裂方法,并在128°YX-LiNbO3基片上研制了分裂油包水微液滴的微器件。在压电基片上采用微电子工艺制作叉指换能器,其激发的SAW部分作用于油包水微液滴,瞬间降低电信号幅度,油相内水微液滴在惯性力作用下发生分裂,油相微液滴由于较大的表面张力发生形变而不分裂。以石蜡油包裹蓝色水相微液滴为研究对象,进行了油包水微液滴分裂实验和理论分析,结果表明,当电信号从功率为12.3dBm瞬间关断时,可实现油相内水微液滴分裂。     

声表面波跨越式输运数字微流体

研究了声表面波实现数字微流体在压电基片上跨越障碍物的方法。在128°-YX-LiNbO3压电基片上采用微电子工艺制作了中心频率为25.5 MHz的叉指换能器和反射栅,在声传播路径上涂覆Teflon AF 1600疏水薄膜,聚二甲基硅氧烷垫块贴合于压电基片上。经功率放大器放大的射频信号加于叉指换能器激发声表面波,并作用在声路径上的数字微流体,在其内产生声流,当瞬间减少射频信号功率,部分液体因惯性力大于表面张力而飞离微流体,跃过聚二甲基硅氧烷障碍物,实现在压电基片上跨跃障碍输运。采用油包红色染料溶液微流体进行了实验,结果表明,当射频信号功率从12.3 dBm瞬间下降到-3.98 dBm时,油包红色染料溶液微流体可跃过高度1 mm的障碍物。     

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。     

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。     

微机械叉指换能器声表面波陀螺

回顾了声表面波(SAW)陀螺发展史，总结了声表面波陀螺设计思想的变迁，重点介绍了一种新型微机械-叉指换能器(MEMS—IDT)声表面波陀螺。它具有适合标准IC工艺生产的简单二维结构，具备体积小、成本低、便于批量生产以及不用真空封装的特点。由于没有普通微机械陀螺的悬浮机构，抗冲击及振动的能力较普通微机械陀螺显著提高。同时，提出了一些迫待解决的问题。     

ZnO单晶声表面波谐振器传播特性的研究

基于有限元压电材料中表面波传播的有限元分析原理,利用有限元分析软件COMSOL对基于ZnO单晶材料的声表面波器件进行多物理域耦合建模与仿真,提取出了符合声表面波振型的对称模态变形图和反对称模态变形图。通过谐振频率分析,计算出了ZnO单晶的相速度和机电耦合系数;通过频率响应分析,得出谐振器输入导纳、阻抗与频率之间的关系图;最后讨论了叉指换能器的结构对谐振频率、反谐振频率的影响,得出输入、输出叉指换能器(IDT)的叉指电极对数越大,插入损耗值越大,信号衰减越小。     

倾斜型声表面波滤波器的模拟与设计

简述了倾斜型声表面波(SAW)滤波器的研究进展,介绍了倾斜型SAW叉指换能器的工作原理,并提出了多段倾斜结构,基于脉冲响应模型模拟的结果显示,通过将SFIT指条分段倾斜,改变倾斜斜率可以实现各种幅度频率响应.     

基于声表面波热膨胀微阀研究

研制了一种新的声表面波控制开关的微阀。在128°YX-LiNbO3基片上光刻叉指换能器,其激发的声表面波加热微槽内石蜡油,熔融其上方微腔内固体石蜡,石蜡由于相变化而体积膨胀,使得微腔顶部的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜发生形变,微阀由开态转变为关态。红色染料溶液微流体为实验对象进行微阀操作实验,结果表明,声表面波可有效实现微阀的控制,且微阀开关时间随所加电信号功率增加而减少,在32dBm电信号功率作用下,微阀关闭时间为3min。     

基于声表面波形状记忆合金微阀研究

研制了一种声表面波控制的形状记忆合金微阀。在128°YX-LiNbO3基片上光刻叉指换能器,其激发的声表面波加热压电基片上石蜡油,使弯曲的形状记忆合金线伸展,促使与其连接的聚二甲基硅氧烷微通道壁发生形变,截止微通道,实现微阀从开态向关态转变。撤除电信号,形状记忆合金线温度下降,恢复软性,在硬质塑料薄片的恢复力作用下,微阀重新由关态转为开态。以流体输运为实验对象进行微阀开关实验,结果表明,声表面波可有效控制形状记忆合金微阀的开关操作,在28.5dBm电信号功率作用下,微阀关闭时间为40.4s。     

基于声表面波的微型液滴雾化器技术

采用微细加工技术在127.8°YX型LiNbO3压电基底上制造出周期为400μm的铜叉指结构的微型雾化器。该雾化器利用声表面波(SAW)对液滴表面产生的表面张力波作用实现对液滴的雾化。对叉指结构(IDT)周期长度的确定和器件的制作工艺进行了详细说明。利用对液滴驱动速度的测定得出了该雾化器的实际中心频率,并指出实际中心频率与理论值存在差异的原因。得出雾化微粒直径与叉指结构周期之间的关系,并计算得出在施加驱动频率为10.1MHz、功率为24W的电信号时,其雾化颗粒直径为2.61μm,雾化速度达到了1μL/s。     

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。     

基于倾斜换能器的高性能声表面波滤波器设计

基于倾斜换能器结构,采用112°XY-LiTaO3基片材料,加入群延时波动优化。同时对器件孔径、膜厚、占空比、换能器、反射器的波长及指对数进行优化,得到通带波动小于0.2dB,群延时波动小于22ns,矩形系数小于1.6的高性能声表面波滤波器。该文研制的器件具有通带平坦,群延时波动小和矩形度高等特点,有很好的实用性。     

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。     

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。