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。     

压电基片上微液滴沿球形表面输运特性研究

研究了声表面波驱动压电基片上微液滴沿球形表面输运特性。球珠底部采用聚二甲基硅氧烷点粘在128°YX LiNbO3压电基片上,并放在恒温箱中固化。压电基片上微液滴在声表面波驱动力和球珠阻力的共同作用下沿球珠表面输运。为便于观察,采用红墨水溶液为实验对象,对球形表面微液滴声表面波作用下输运特性进行了研究。结果表明,微液滴在球形表面上输运特性取决于激发声表面波的电信号功率、球珠直径和微液滴体积。3 μL微液滴在28.7 dBm电信号功率下,可以输运到直径2 mm的球珠顶端。     

液体-压电晶片界面兰姆波激发的理论研究

对液体 -压电晶片结构中叉指换能器所激发的兰姆波进行了理论研究和数值分析 ,给出了兰姆波的相速度、叉指换能器激发兰姆波的机电耦合系数与压电晶片的归一化厚度、晶体切向之间的关系曲线 ,为液体密度兰姆波声传感器的研究提供了理论基础。     

液体—压电晶片界面兰姆波激发的理论研究

对液体－压电晶片结构中叉指换能器所激发的兰姆波进行了理论研究和数据分析,给出了兰姆波的相速度、叉指换能器激发兰姆波的机电耦合系数与压电晶片的归一化厚度、晶体切向之间的关系曲线,为液体密度兰姆波声传感器的研究提供了理论基础。     

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。     

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。     

兰姆波切向特性理论研究

在兰姆波的激发过程中,一般采用的是各向异性的压电晶体,其不同切向激发出的兰姆波就有不同的特性。文章在兰姆波动方程的基础上,分析研究晶体切向与兰姆波特性之间的关系,从中得出两者之间的关系,为以后在兰姆波器件的设计时选择合适的切向提供了理论基础。     

高阶兰姆波MEMS声表面波谐振器仿真研究

以有限元法为基础,对高阶兰姆波型微机电系统(MEMS)声表面波谐振器进行了仿真。研究了压电材料及其厚度、Si基底厚度对高阶兰姆波声速的影响规律,结果表明,AlN压电薄膜器件的高阶兰姆波的声速比ZnO和LiNbO3器件更大。压电材料较薄时传播兰姆波,太厚时则传播瑞利波。高阶兰姆波的声速随着硅基底厚度增加而逐渐降低,并趋于一个稳定值。在此基础上,提出了在电极上方加载一层压电薄膜来提高兰姆波声速的器件结构,仿真结果表明,通过增加一层AlN薄膜,可提高高阶兰姆波的声速,进而提高器件的谐振频率。     

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。     

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。     

Temperature measurement in rapid thermal processing using theacoustic temperature sensor

Acoustic techniques are used to monitor the temperature of silicon wafers in rapid thermal processing environments from room temperature to 1000°C with ±5°C accuracy. Acoustic transducers are mounted at the bases of the quartz pins that support the silicon wafer during processing. An electrical pulse applied across the transducer generates an extensional mode acoustic wave which is guided by the quartz pins. The extensional mode is converted into Lamb waves (a guided plate mode) in the silicon wafer which acts as a plate waveguide. The Lamb wave propagates across the length of the silicon wafer and is converted back into an extensional mode at the other pin. The extensional mode acoustic wave is detected and the total time of flight is obtained. The time of flight of the extensional mode in the quartz pin is measured using pulse echo techniques and is subtracted from the total time of flight. Because the velocity of Lamb waves in the silicon wafer is systematically affected by temperature, the measurement of the time of flight of the Lamb wave provides the accurate temperature of the silicon wafer. The current implementation provides a ±5°C accuracy at 20 Hz data rate. Further improvements in electronics and acoustics should enable ±1°C measurements. The acoustic temperature sensor (ATS) has several advantages over conventional temperature measurement techniques. Unlike pyrometric measurements, ATS measurements are independent of emissivity of the silicon wafer and will operate down to room temperature. ATS also does not have the contact and contamination problems associated with thermocouples     

基于压电换能器的液滴驱动模型研究

基于智能车辆视觉传感器表面除水的需求,该文提出了一种利用压电换能器激励兰姆波以驱动液滴运动的装置,并建立了压电振子和弹性体平板的二维有限元模型。首先运用COMSOL Multiphysics仿真软件对自由边界条件下的压电振子进行频率分析,得到前4阶特征模态,第2阶模态具有最大的结构相对位移,其特征频率为谐振频率;然后对压电振子所激励的兰姆波在平板中的传播特性进行了分析。结果表明,兰姆波在板中出现明显的频散特性,并通过改变压电振子间隔激励A₀模态占主导的兰姆波,以提高液滴驱动效果。通过实验验证了兰姆波驱动液滴模型的可行性。     

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.     

Lamb波驱动器的最佳激励波形选择

采用高斯窗、海明窗和汉宁窗调制正弦脉冲信号得到不同循环次数的激励波形,分别激励压电式Lamb波驱动器产生Lamb波;引入品质因数(Q)分析信号的频带和频域内强度分布,研究不同窗函数抑制Lamb波频散的效果.实验结果表明,对于相同循环次数不同窗函数调制的激励波形中,经汉宁窗调制的激励信号产生的Lamb波Q值高,频带窄;对于相同窗函数调制的激励波形,随着循环次数的增加,Q值增大.实际应用时可用汉宁窗调制并根据传播距离确定循环次数得到Lamb波最佳激励波形.     

低频小型化兰姆波谐振器的研究

针对低频声学器件的小型化、大带宽问题,该文基于Y切-铌酸锂压电薄膜激发了反对称A0兰姆波模式,并采用有限元法对A0模式进行了结构设计与理论分析。研究了铌酸锂切型、电极材料、金属化比及膜层厚度变化对声速和机电耦合系数等性能的影响。结果表明,特定结构下,与常规声表面波相比,A0模式兰姆波声速较小,机电耦合系数较大,有利于低频声学滤波器小型化设计。通过研究不同结构对谐振器A0模式兰姆波的横向模态的影响,实现了杂波抑制。     

压电MEMS兰姆波器件技术的最新进展与展望

兰姆波谐振器(LWR)作为一种新兴的压电微机电系统(MEMS)声学器件,同时具有高工作频率、高机电耦合系数、高品质因数值及低功耗等特点,其制造工艺与集成电路工艺兼容,可在单片晶圆上实现多频率器件。基于LWR的声学滤波器是实现高性能射频前端组件的有效解决方案之一,能够满足未来通信设备多频率及集成化的发展要求,其相关研究已成为微声器件领域的热点。该文简要介绍了兰姆波的基本原理,综述了近年来基于氮化铝(AlN)薄膜和铌酸锂薄膜(LNOI)的压电MEMS兰姆波器件研究取得的最新成果,并讨论了压电MEMS兰姆波器件的发展趋势。     

超声红外热波检测中的振动特性及声混沌分析

为了消除超声热波检测中的驻波现象对检测结果的不利影响,运用数值仿真方法研究了构件在超声激励下的振动特性和声混沌现象。首先,通过建立含裂纹损伤的复合材料构件的有限元模型,研究了不同激励频率条件下构件的驻波共振模态,发现构件在超声谐波激励下的响应仍是谐波,且响应频率与激励频率相同,容易产生驻波共振。然后,通过改进仿真模型,分析了声混沌对检测结果的影响,结果表明:在相同激励频率条件下,声混沌的产生能够消除驻波,更有助于提高复合材料构件损伤处的表面温差,并且随着激励频率的增加,声混沌现象出现的概率也增加。实际检测过程中,可据此改善检测条件提高检测能力。     

热辐射与对流耦合作用下雾滴的运动与蒸发特性

在假设雾滴为单液滴球形的基础上,通过建立雾滴的运动与蒸发模型,对热辐射与对流耦合作用下的雾滴运动与蒸发特性进行了研究。研究发现,室外环境条件对雾滴寿命的主要影响因素是环境湿度和雾滴的初始粒径,而辐射和强迫对流的影响基本可以忽略。热辐射会造成雾滴的温度升高,甚至使雾滴的温度高于环境温度。雾滴的温度会呈现先增后降的变化规律。强迫对流对雾滴温度的影响可以忽略。较大的雾滴初始粒径有利于形成弥散雾,但粒径过大会因为自由沉降而缩短寿命,因此存在最佳的初始粒径。     

Rapid and Controllable Digital Microfluidic Heating by Surface Acoustic Waves

Fast and controllable surface acoustic wave (SAW) driven digital microfluidic temperature changes are demonstrated. Within typical operating conditions, the direct acoustic heating effect is shown to lead to a maximum temperature increase of about 10 °C in microliter water droplets. The importance of decoupling droplets from other on‐chip heating sources is demonstrated. Acoustic‐heating‐driven temperature changes reach a highly stable steady‐state value in ≈3 s, which is an order of magnitude faster than previously published. This rise time can even be reduced to ≈150 ms by suitably tailoring the applied SAW‐power excitation profile. Moreover, this fast heating mechanism can lead to significantly higher temperature changes (over 40 °C) with higher viscosity fluids and can be of much interest for on‐chip control of biological and/or chemical reactions.