制造，操作和表面声波驱动声逆流微流体流动可视化

Summary

在这段视频中，我们首先描述的表面声波（SAW）声逆流装置的制造和运行程序。然后，我们证明实验装置，允许流量可视化进行定性和定量分析复杂的流量泵送装置内的SAW。

Abstract

表面声波（声表面波）可用于驱动便携式微流体芯片中的液体通过声学逆流现象。在这个视频中，我们提出了一个多层的SAW声逆流装置的制造协议。该设备制作从铌酸锂（LN）的图案化基板上两个叉指式换能器（叉指换能器）和适当的标记。聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道蒙上上SU8主的模具终于结合图案的衬底上。随着制造过程中，我们显示技术，让声逆流装置以液体泵通过的PDMS通道电网的特性和操作。我们终于提出的程序可视化的通道中的液体流。该协议是用于显示根据不同的流型，其特征在于由涡流和颗粒堆积域的层流和更加复杂的动态芯片上的流体排出。

Introduction

微社会面临的一个持续挑战是需要有一个高效的抽水机制，可以小型化，融入真正的便携式微计分析系统（μTAS）。标准的宏观泵送系统根本无法提供所需的可移植性μTAS，由于体积流速的不利缩放通道的大小减小到微米范围内或低于。相反，锯已获得了越来越大的兴趣，流体驱动机制，并出现一些这些问题^1,2的解决方案作为一个有前途的途径。

锯进行能源运输到流体³提供了非常高效的机制。到一个压电基片上， 例如铌酸锂（LN） ​​的SAW传播时，波将被辐射到的任何流体在其路径中以一个角度被称为瑞利角_θR =罪722 1（三_F / _C），由于在衬底中_，C S，流体_C F声速的不匹配。这种辐射泄漏到流体中产生的压力波在流体驱动声流 。根据适用于该设备上的设备的几何形状和功率，这种机制被示出致动片上的过程，如流体混合，颗粒的分选，雾化，抽水^1,4各种各样的。尽管SAW微流体驱动的简单性和有效性，也有只有少数锯驱动微泵机制已被证明日期。第一个示范的免费的液滴放置在表面声波传播路径上的压电基片³的简单的翻译。这种新方法产生了很大兴趣在使用锯作为一种微流体驱动方法，但仍然是一个需要流体被驱动通过封闭的渠道，更艰巨....

Protocol

1。设备制造

1. 设计光掩模的图案化中，第一表面声波（SAW）层，和第二的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流道模具。
   1. 的第一光掩模具有一对相对的叉指式换能器（叉指换能器），也被称为一个SAW延迟线和信道对应的标记和空间参考，在显微镜。在我们的标准设备，我们有单电极叉指换能器与P = 10微米，孔径为750微米，25个直手指对手指 ​​的宽度。产生所得到的IDT的声表面波的波长为λ= 4 p值=40μm的相应的工作频率F _O = C _SAW /λ≈100 MHz的128°YX铌酸锂（LN）。每个IDT的宽度应该是两倍以上的宽度的微粘结层的同时，以减少任何未对准的影响。 IDT设计参数进行了讨论COMPRehensively几本书^9-11。我们说只有一个IDT（通道出口下）是必要的驱动声逆流的通道中流体进入，但图案形成一个完整的延迟线有助于在设备测试。
   2. 第二个有一个简单的微通道结构SAW延迟线，形成一个微腔的通道入口沿。在我们的典型设备中，通道的宽度 w = 300毫米，长度为5毫米。作为一般规则，该通道的宽度应至少为10λ，以避免在微通道中的声表面波的传播期间的衍射效应，但是在我们的测试中，我们发现，宽度为7〜λ不会显着影响表面波传播通道内的。

Results

图2示出的移动设备的RF测试之前采取对LN层键合到微通道层的有代表性的结果:典型的S ₁₁和S ₁₂光谱分别面板a）和b）中报告。在S ₁₁的频谱的中心频率的谷的深度相关的RF功率转换效率，声表面波的机械功率。因此，对于IDT手指对固定数量的，在山谷中的最低的减少将导致操作设备所需的功率减少。在这个最低的频率，该装置将最有效地产生的弹性波致动的流体排出，因此我们选择操作的移动设备在该点。在我们的装置在100兆赫的工作频率沿其长轴的典型值是小于-10分贝为S _11。 -10 dBm以上的值，可能意味着传感器损坏或短路，如果工作ING，将需要增加输入功率。这个值可以被减少匹配的IDT阻抗，使用外部的匹配网络，或由IDT设计^9-11。的S ₁₂的频谱的最大值是两个相关的RF功率转换效率和SAW机械动力沿延迟线由叉指换能器的声表面波的衰减。减少这个值（通常约为-10 dBm在我们的设备）可以源于叉指换能器中的缺陷.......

Discussion

微社区所面临的最大挑战之一是实现真正的便携式点护理设备驱动平台。其中所提出的集成微型泵^23，基于表面声波（声表面波）是特别有吸引力，因为其相关功能流体混合，雾化和粒子浓度和分离^4。在本文中，我们已经演示了如何制作和运行流体芯片上的实验室设备是在一个封闭的PDMS微流芯片上集成转向执行器SAW首次描述切基尼等^。8。

关于器件的制造，如在上述步骤中示出，这是非常重要的，以保持清洁的制造协议在每一点上，否则在叉指换能器中的缺陷，微流路的形状，并可能出现的表面润湿性。叉指换能器中的不完善之处可以导致增加THê需要经营权或转导的SAW甚至无效。必须重视制造微通道。平坦干净的表面所需要的显微镜。微通道中的边缘缺陷可以导致半月板钉扎，并减少两个通道填充速度和芯片的可靠性。这些缺陷也可以改变的流动特性和核气泡可能共禁用流体排出。必须采取谨慎的表面功能。如果该通道的墙壁包括接口和PDMS基板底部侧面和顶面的整体的亲水性，毛细管驱动灌装防止SAW主动抽吸。相反，如果基板的表面过于疏水性，雾化液滴的弯液面不会有效地凝聚，.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
双面抛光 128°;YX 铌酸锂晶片	Crystal Technology， LLC
硅片	Siegert Wafers		我们使用 <100>
IDT 光学光刻掩模，带对准标记（正极）	任何供应商
通道光学光刻掩模（负片）	任何供应商
正性光刻胶	Shipley	S1818
正性光刻胶显影	Microposit	MF319
负性光刻胶	Allresist	AR-N-4340
负性光刻胶显影	Allresist	AR 300-475
SU8 厚负离子光刻胶	Microchem	SU-8 2000 系列
SU8 厚负极色光刻胶显影	Microchem	SU-8 显影	剂
十六烷	Sigma-Aldrich	H6703
四氯化碳 （CCl4）	Sigma-Aldrich	107344
十八烷基三氯硅烷 （OTS）	Sigma-Aldrich	104817
丙酮 CMOS 级	Sigma-Aldrich	40289
2-丙醇 CMOS 级	Sigma-Aldrich	40301
钛	任何供应商	99.9% 纯度
金	任何供应商	99.9% 纯度
PDMS	道康宁	Sylgard 184 有机硅弹性体套件与固化剂
培养皿	任何供应商
5毫米内径的Harris Uni-Core多用途取芯工具	Sigma-Aldrich	Z708895	任何大于2毫米的直径都是合适的
声学吸收器	光子清洁技术	First Contact常规套件
RF-PCB	任何供应商
旋转器	Laurell technologies corporation	WS-400-6NPP	任何旋转器都可以使用
紫外线遮罩对准器	Karl Suss	MJB 4	可以使用任何对准器
热蒸发器	Kurt J. Lesker	Nano 38	可以使用任何热、电子束蒸发器或溅射系统
氧气等离子体 asher	Gambetti Kenologia Srl	Colibrì	可以使用任何等离子烧碎机 或 RIE 机器
离心机	Eppendorf	5810 R	任何离心机均可使用 引线
键合机	Kulicke Soffa	4523AD	任何引线键合机，如果使用 PCB 时没有弹簧连接器
接触角计	KSV	CAM 101	任何接触角计 光谱
分析仪	Anristu	56100A	任何光谱或网络分析仪均可使用
射频信号发生器	Anristu	MG3694A	任何射频信号发生器均可使用
射频高功率放大器	Mini Circuits	ZHL-5W-1	射频高功率放大器
Microbeads suspension	Sigma-Aldrich	L3280	根据实验目的，可采用不同直径和不同材料特性的不同悬浮液
光学显微镜	Nikon	Ti-Eclipse	任何具有满足实验目的的空间分辨率的光学显微镜
可以使用	Basler	A602-f	任何具有足够帧速率和灵敏度满足实验目的的摄像机
相机采集软件	先进技术	Motion Box	任何可实现高帧率和受控帧率采集的软件