利用表面声波驱动的声学逆流微流控器件的制备、操作与流场可视化

以下实验的总体目标是展示一种由表面声波驱动的微流控对流装置的器件制备过程，以及后续的流动可视化。该目标首先通过制备一个双层器件来实现，该器件由一层带有金图案的铌酸锂表面声波层和一层聚甲基丙烯酸甲酯微通道层组成。第二步，使用网络分析仪对器件进行测试，以确保叉指换能器正常工作，并确定对流装置运行所需的共振频率。

接下来，将含有微球的流体加载至装置的入口，并在出口处的叉指换能器上施加射频信号。利用高速显微镜记录由此产生的通道流动，通过分析获得结果，展示出多种流动模式，这些模式主要取决于装置的几何结构和施加的功率。尽管该方法主要针对声控流体装置的制备与操作，但本视频中的步骤也可应用于其他表面声波驱动的微流控装置（如微流控混合泵和优化器）的制备与操作。

通常，初学者在使用表面声波微流控技术时可能会遇到困难，因为该方法涉及微加工操作和分析的多个不同方面，均需熟练掌握。首先，按照随附的书面实验方案，使用两张独立的光刻掩模制作微流控器件：一张用于制作图中粉红色显示的表面声波层，另一张用于制作图中黄色显示的微通道模具。基本器件制备完成后，添加负性光刻胶（如 ARN 43 40），并利用光学光刻技术对微通道区域进行曝光。

然后，在0.14毫巴和100瓦条件下，使用两分钟的氧气等离子体处理暴露的样品表面，使其偏置电压达到约450伏。接着在通风橱内，将35毫升正庚烷（he aec）、15毫升四氯化碳和20微升正辛基三氯硅烷（Okta desal trichlorethylene）混合于烧杯中。将器件放入该溶液中，以实现表面功能化并使其具有疏水性。

将装置置于溶液中覆盖静置两小时，随后用异丙醇冲洗，并在氮气下吹干。干燥后，检测表面水的接触角是否大于90度。若接触角不足，需清洁样品并重新处理表面。

否则，用丙酮去除残留的光刻胶，然后用异丙醇冲洗，并用氮气枪吹干。接着，将样品安装到带有射频波导和标准同轴连接器的印刷电路板上，在样品边缘涂覆声学吸收聚合物，并通过引线键合或使用POGO连接器将叉指换能器连接起来，如图所示。接下来，按照随附文本方案中的描述，制备含有所需尺寸通道的图案化PDMS层。

固化后，使用手术刀沿通道周围切割，注意不要损坏主模具，并将其剥离。然后使用剃刀片修整并弄直复制品的边缘。切割时确保通道侧面至少留出两毫米的间隙，而在通道出口处则需完全切透样品，不留间隙。

接下来，使用Harris独角兽打孔器在微型腔室上打孔，形成流体加样入口，并取下圆柱体。然后在显微镜下进行对准，通过简单的共形键合将PDMS通道与锂卵形基底键合在一起。这样，键合可在流体测试阶段保持稳定，同时仍具有可逆性。

通过首先将声表面波延迟线连接到频谱分析仪的端口，测量该器件的散射矩阵，以测试射频器件。一对单电极换能器的传输特性将类似于以叉指换能器工作频率为中心的同步函数的绝对值。接下来，观察反射谱。

在沿主轴方向以100兆赫运行的器件中，反射谱的下陷频率与透射谱的峰值频率相同。在未使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道的情况下，S11和S22的典型值为负8分贝，S12为负20分贝。为了最佳地观察流动动力学，应将样品置于显微镜下观察。

具体的光学装置取决于待观察的表面声波微流控现象。研究流体填充动力学时，使用配备福雷斯物镜和每秒30帧视频相机的简单倒置显微镜即可。然而，若要研究更复杂的微粒动力学，则应使用20倍物镜和每秒100帧或更高帧率的视频相机。

必须确保物镜和帧率足够高，以捕捉任何在空间和时间上重要的流动特征。接下来，将位于通道出口前方的叉指换能器连接至射频信号发生器和放大器，并在散射矩阵测量中观察到的共振频率下运行。如有必要，可使用高功率UHF放大器。

此处我们使用一个Mini-Circuits ZW-5放大器，其最大输出功率为37 dBm，增益为40分贝。为研究声学逆流现象，总输出功率至少需达到25 dBm。在运行设备时，观察无声学逆流情况下的声流和雾化现象。

在较低功率下，通常在 0 DBM 时开始出现声流再循环现象，而在 14 DBM 以上发生雾化。接下来，通过在每毫升溶液中加入 10 的 10 次方个 500 纳米微珠，并在实验前将溶液涡旋 15 秒，制备用于可视化的微珠加载液。然后将 60 微升微珠悬浮液注入腔室中。

使用微量移液器缓慢操作，液体将被动扩散进入微腔室，以避免颗粒在基底上发生粘附；在加载过程中，对装置施加零介电泳（DBM）信号。通过显微镜开始录制视频，并逐步提高工作功率，以观察声学逆流现象。不同的流动模式将由输入功率、芯片设计以及颗粒直径决定。

为了定性地捕捉动态过程，使用标记物作为空间参考，在通道填充的不同阶段记录弯月面附近及入口处的流体流动情况。然后进行定量分析，通过微粒图像、速度场不对称性（VE asymmetry）或空间-时间图像相关光谱法测量颗粒动力学，具体方法可参考随附的文字版实验方案，以获得准确结果。在感兴趣区域以固定的视场记录流体流动，帧数至少100帧，帧率应根据颗粒动力学特性设定。

为了进行更复杂的分析以获得流线和速度场测量结果，可使用定制的微粒图像微对称性或空间-时间图像相关光谱学代码。以下是键合锂化层之前测得的典型 S 11 和 S 12 谱图。在两个谱图中，共振频率可见为 95 兆赫兹。

S11 谱中中心频率处谷值的深度与射频功率转换为表面声波机械功率的效率相关。因此，谷值最小值的降低将导致器件工作所需功率的减少。S12 谱中的峰值与射频功率转换为表面声波机械功率的效率以及波在延迟线中传播时的衰减有关。

该数值的降低可能源于波延迟线错位或裂纹等缺陷。此处展示了使用500纳米乳胶微球观察到的四种不同特征性流动模式。上方两幅图像显示了在通道入口处的不同结果。

在左侧，由于声流现象，在通道开始填充一段时间后（当通道部分填充时），可观察到两个对称的涡旋，此时流动呈层流状态。此处显示的图像来自弯月面附近的区域。当通道部分填充时，在左侧可观察到颗粒呈线状聚集，并以与弯月面相同的速度移动。

当粒子动力学主要受右侧声辐射力支配时，会发生这种情况。此处可观察到拖曳力和声流的主导作用。粒子包裹两个涡旋，并仅在距弯月面300微米范围内的条带中聚集，且靠近基底表面。

在进行这些操作时，必须始终牢记从器件制备到运行的各个实验阶段都要保持设备高度清洁。观看本视频后，您应能够充分理解表面声波器件的制备与测试方法，并掌握聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控技术的操作，以及宏观流体流动的可视化与分析方法。I.