鄭 利，張 正，李 丹，艾 林，曾 謙，朱紅偉，國(guó)世上

(武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，人工微納結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072)

微流控芯片(又稱微全分析系統(tǒng)或芯片實(shí)驗(yàn)室)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于化學(xué)合成、生物化學(xué)分析、藥物篩選、DNA測(cè)序等領(lǐng)域［1］。這些應(yīng)用需要快速、有效的混合微流體，然而由于大多數(shù)微流控芯片的雷諾系數(shù)很低，流體在微流控芯片中主要是層流流動(dòng)，不同物質(zhì)的混合主要靠分子擴(kuò)散，過(guò)程很緩慢，難以滿足需要快速混合的要求［2］。因此大多數(shù)快速混合借助外力，比如，流體動(dòng)力，介電泳力，電場(chǎng)力、聲場(chǎng)力等［3］。其中，聲能作用下的微流體混合因其器件制作簡(jiǎn)單，操作容易，反應(yīng)快速而引起人們的關(guān)注［4-5］。

聲表面波(SAW Surface Acoustic Wave)技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，是聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。聲表面波器件由于其自身的優(yōu)勢(shì)，在微流體混合方面有了很好的應(yīng)用。Sritharan［6］介紹利用平行聲表面波在微米級(jí)別的微流溝道中進(jìn)行混合，Shilton［7］報(bào)道了利用聚焦聲表面波在微液滴中提高混合的效率。但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)于聲表面波的仿真還很少見，而理論研究對(duì)于微流控芯片的研究又有很重要的意義。本文通過(guò)COMSOL模擬聚焦叉指換能器和平行叉指換能器的聲輻射的理論分布，并通過(guò)對(duì)比來(lái)說(shuō)明聚焦叉指換能器的聚焦能力。設(shè)計(jì)制作了聚焦聲表面波器件并進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基本原理

叉指換能器是聲表面波器件的關(guān)鍵。圖1所示為叉指換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。叉指換能器包括兩個(gè)叉指形狀的金屬圖案(右上)和位于其下的壓電材料基底。兩個(gè)叉指電極分別作為輸入換能器和輸出換能器。其中電極寬度為p且等于兩電極之間的距離(如圖所示)。叉指換能器是根據(jù)逆壓電效應(yīng)，將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲波，聲波沿著垂直于電極的方向傳播。產(chǎn)生聲波的波長(zhǎng)等于電極寬度的四倍即等于4p。產(chǎn)生的聲波頻率等于施加的電場(chǎng)信號(hào)的頻率。當(dāng)聲波到達(dá)輸出換能器時(shí)根據(jù)壓電效應(yīng)將到達(dá)的聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)［8］。

圖1 叉指換能器結(jié)構(gòu)示意圖

其中，Vl和VS分別是聲波在液滴和基底里的傳播速度。漏聲表面波按角度θR輻射能量，產(chǎn)生一個(gè)聲輻射壓力，這個(gè)力促使液滴沿著聲表面波傳播的方向運(yùn)動(dòng)［9-11］。

當(dāng)輸入換能器產(chǎn)生的聲表面波進(jìn)入液滴時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)液滴流動(dòng)。其工作原理如圖2所示。當(dāng)聲波臨近液滴時(shí)，產(chǎn)生漏聲表面波，并以一定的角度θR進(jìn)入液滴，根據(jù)瑞利定律:

圖2 聲表面波驅(qū)動(dòng)液滴原理圖

1.2 數(shù)值模擬聲表面波傳播

使用壓電本構(gòu)方程來(lái)描述聲表面波的產(chǎn)生［12-13］:

其中，T為應(yīng)力，C為彈性勁度常數(shù)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，e表示壓電常數(shù)矩陣，D為電位移，S表示應(yīng)變，ε為介電常數(shù)矩陣，上標(biāo)T表示矩陣的轉(zhuǎn)置。

有限元法是研究聲表面波換能器激勵(lì)中的一種常用的方法。在壓電理論的基礎(chǔ)上，使用有限元模擬分析軟件COMSOL Multiphysics來(lái)模擬叉指換能器在LiNbO3表面形成的聲表面波。數(shù)值模擬中使用的基底材料是LiNbO3，所需的物理參數(shù)從軟件的材料庫(kù)中直接導(dǎo)入。采用的幾何尺寸為:基底長(zhǎng)、寬、高分別為0.001 8 m、0.001 76 m、0.000 19 m，電極寬度為48.75 μm。換能器上施加的電壓為10 V，頻率為20 MHz，聲波在LiNbO3中的傳播速度為3 900 m/s。

1.3 芯片制作

使用軟光刻工藝及磁控濺射工藝制作叉指換能器，光刻膠是AZ50XT。先設(shè)計(jì)出聚焦叉指電極圖形，經(jīng)過(guò)菲林輸出打印模板，在LiNbO3基底上光刻出圖案，然后利用磁控濺射在光刻膠上濺射一層5 nm的鉻和100 nm的金。最后將剩余的光刻膠去除，就得到叉指換能器，實(shí)物圖形如圖3所示，電極寬度為60 μm，其中最里面的電極距離中心為0.005 5 m，整個(gè)電極的夾角為50°，共有18對(duì)電極。

圖3 聚焦叉指換能器

1.4 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

實(shí)驗(yàn)中交流電信號(hào)經(jīng)信號(hào)發(fā)生器(81150A，Agilent.Inc，USA)、功率放大器(Model 25A250A，AR，Inc，USA)連接到芯片上的叉指電極。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)倒置熒光顯微鏡(IX71，Olympus，Japan)和CCD高速攝像機(jī)(Evolution VF，Media Cybernetics，Inc.)觀察，并且拍攝動(dòng)態(tài)圖像。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖4所示。

圖4 混合實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

使用COMSOL模擬聲表面波在LiNbO3晶體上的形成、傳播、分布，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5～圖7所示。其中圖5為聲表面波在LiNbO3晶體上傳播示意圖，圖5(a)為聚焦叉指電極形成的聲表面波，圖5(b)為平行叉指電極形成的聲表面波。圖6為沿傳播方向的切面圖，其中圖6(a)為聚焦叉指電極在聚焦點(diǎn)處獲得，圖6(b)為平行叉指電極在相同位置取得。這兩組圖通過(guò)SAW振幅的分布來(lái)表征聲波的傳播。這兩組圖可以形象的說(shuō)明聚焦叉指換能器將能量聚焦在一個(gè)很小的范圍，而平行叉指則沒(méi)有聚焦作用。為了更加準(zhǔn)確的說(shuō)明聚焦叉指換能器的聚焦作用，圖7顯示了在圖6過(guò)聚焦點(diǎn)平行于切面沿?fù)Q能器的上表面位移圖。從圖7(a)可以看出聚焦換能器能量主要集中在0.2 mm～0.6 mm這一范圍，其中電極整個(gè)寬度為1.8 mm，而平行叉指則沿電極近似均勻分布，如圖7(b)。從峰值也可以說(shuō)明這一問(wèn)題，前者約為1.096×10-9m，后者約為3.028×10-10m。而微流控芯片的尺寸一般較小，所以聚焦叉指換能器由于其良好的聚焦作用，可以更快更高效的混合流體。

圖5 聲表面波在LiNbO3晶體上傳播的示意圖

圖6 沿傳播方向在聚焦點(diǎn)處的切面圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 聲波在聚焦點(diǎn)平行于切面沿電極的上表面位移圖

采用2 μm的聚苯乙烯(Polystyrene，PS)球和去離子水來(lái)觀察混合現(xiàn)象。將含有PS球的液滴放到聚焦換能器的聚焦區(qū)域，加上電信號(hào)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使用的電信號(hào)頻率為19.2 MHz，電壓為10 V。實(shí)驗(yàn)時(shí)先加上電信號(hào)，觀察一段時(shí)間后，切掉電信號(hào)，通過(guò)CCD記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。圖8(a)為未加電信號(hào)時(shí)，由于PS球與去離子水互不相溶，PS球團(tuán)聚在一起。圖8(b)和8(c)是加上信號(hào)1 s和2 s后的實(shí)驗(yàn)圖。此時(shí)由圖可以看到PS球與水在加上信號(hào)后不到1 s，由于聚焦叉指電極的聚焦作用，PS球隨著水滴旋轉(zhuǎn)，時(shí)間越久，旋轉(zhuǎn)的越劇烈，PS球在去離子水里面的分散性越好。圖8(d)為去掉信號(hào)后，PS球恢復(fù)未加信號(hào)時(shí)的團(tuán)聚狀態(tài)。若是用于兩種液體混合，在很短的時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到非常均勻的混合效果。此類裝置在化學(xué)合成、生物化學(xué)分析、藥物篩選等方面具有很大的應(yīng)用潛力。

圖8 混合實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3 結(jié)論

聚焦叉指換能器微流控芯片提供了一種快速混合的新方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，利用聚焦叉指換能器制作的微流控芯片，由于其聲場(chǎng)能量聚焦能力強(qiáng)和集成度高，相對(duì)傳統(tǒng)方法叉指換能器能更高效混合。通過(guò)模擬也驗(yàn)證了聚焦換能器的聚焦作用。

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