Name: 制造，操作和表面声波驱动声逆流微流体流动可视化 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-08-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 26 s
Description: 学习表面声波驱动微流体逆流装置的制造与操作方法，使用金图案化铌酸锂层和聚甲基丙烯酸甲酯微通道层进行流动可视化分析。该技术可应用于生物医学研究和化学分析领域。

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作者没有需要致谢的人员。

1. 器件制备
<ol>
	<li>设计两个光刻掩模，第一个用于表面声波（SAW）层的图形化，第二个用于聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道模具的图形化。
	<ol>
		<li>第一个光刻掩模包含一对相对的叉指换能器（IDT）——也称为SAW延迟线——以及用于显微镜下通道对准和空间参考的标记。在我们的标准器件中，采用单电极IDT，指宽 p = 10 μm，孔径为750 μm，共25对直指。该IDT产生的表面声波波长 λ = 4p = 40 μm，在128° YX铌酸锂（LN）基底上对应的中心工作频率 fo = cSAW/λ ≈ 100 MHz。每个IDT的宽度应大于微通道宽度的两倍，以减少层间键合时的错位影响。IDT的设计参数在多本专著中已有详尽讨论9-11。需要指出的是，在声学对流驱动中，仅需一个IDT（置于通道出口处）即可驱动流体进入通道，但制作完整的延迟线有助于器件测试。</li>
		<li>第二个掩模具有简单的微通道结构，需沿SAW延迟线对齐，并包含一个微腔以形成通道入口。在我们典型的器件中，通道宽度 w = 300 μm，长度为5 mm。一般而言，通道宽度应至少为10λ，以避免SAW在微通道中传播时产生衍射效应；然而在我们的测试中发现，宽度约为7λ时对通道内SAW传播的影响并不显著。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>从一块LN晶圆开始，切割出一块2 cm × 2 cm的样品。为实现透射显微成像，必须使用双面抛光的晶圆。需注意，LN因其良好的生物相容性、沿主轴方向的SAW极化特性以及高机电耦合系数而成为标准材料，但其他压电材料也可在适当设计条件下使用。</li>
	<li>用丙酮和2-丙醇冲洗基底，并用氮气枪吹干以清洁表面。</li>
	<li>在样品上以4,000 rpm的转速旋涂Shipley S1818光刻胶，持续1分钟。</li>
	<li>在热板上90 °C下软烘1分钟。</li>
	<li>使用掩模对准仪将样品与SAW层掩模对准，并用55 mJ/cm2的紫外光曝光。应注意将IDT方向与LN基底的主轴方向对齐。</li>
	<li>用Microposit MF319显影液冲洗样品30秒，以去除未曝光区域的光刻胶。</li>
	<li>用去离子水冲洗以终止显影过程，并用氮气枪吹干。</li>
	<li>通过热蒸发沉积一层10 nm厚的钛粘附层，随后沉积一层100 nm厚的金层。</li>
	<li>通过在丙酮中超声处理进行“剥离”（lift-off），然后用2-丙醇冲洗并用氮气枪吹干。</li>
	<li>对器件表面进行硅烷化处理，使微通道区域具有疏水性12。
	<ol>
		<li>根据制造商提供的技术资料，采用负性光刻胶AR-N-4340通过光学光刻法对微腔区域进行掩蔽。</li>
		<li>使用氧气等离子体（Gambetti Kenologia Srl, Colibri）对样品表面进行2分钟的活化处理，气压为0.14 mbar，功率为100 W，产生约450 V的偏置电压。</li>
		<li>在通风橱内，将35 ml十六烷、15 ml四氯化碳（CCl4）和20 μl十八烷基三氯硅烷（OTS）混合于烧杯中。将器件放入该溶液中，加盖静置两小时。</li>
		<li>用2-丙醇冲洗器件，并用氮气枪吹干。</li>
		<li>检测表面水接触角是否大于90°。若接触角不足，需清洗样品并重复步骤1.11中的操作。</li>
		<li>用丙酮和2-丙醇冲洗以去除样品上残留的光刻胶，并用氮气枪吹干。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将样品安装在带有射频波导和标准同轴连接器的印刷电路板（RF-PCB）上，然后在样品边缘贴附声学吸收材料（First Contact聚合物），并通过引线键合或pogo探针连接IDT。</li>
	<li>使用标准光学光刻技术，在一小片硅（Si）晶圆上通过SU-8光刻胶制作通道层的母模。SU-8的类型及光刻工艺参数取决于最终PDMS内部通道所需的高度。</li>
	<li>在母模上浇铸PDMS
	<ol>
		<li>按10:1的比例将PDMS与固化剂混合。</li>
		<li>将PDMS在1,320 × g条件下离心2分钟以脱气。</li>
		<li>将PDMS缓慢倒入培养皿中的SU-8母模上，总PDMS厚度约为1 mm。可将敞口的培养皿置于真空干燥器中约30分钟，以进一步脱除气泡。</li>
		<li>脱气完成后，在烘箱中80 °C加热1小时以固化PDMS。需注意，烘烤时间和温度会影响PDMS的机械性能。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>制备固态PDMS层
	<ol>
		<li>使用手术刀沿通道轮廓切割，注意不要损伤SU-8母模，然后小心剥离PDMS。</li>
		<li>使用剃刀修整并校直复制件边缘，使通道侧边至少保留2 mm的余量，而在通道出口处不留余量（即完全切穿）。</li>
		<li>使用Harris Unicore打孔器在微腔处打孔，形成流体加载入口。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过简单的共形键合将PDMS通道与LN基底键合。该方法可在流体测试阶段保持牢固连接，同时仍具有可逆性。
	<ol>
		<li>在键合前，用压缩氮气吹去两表面的多余碎屑以清洁表面。键合时，必须根据已图形化的对准标记，将通道与LN基底的主轴方向精确对齐。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>完整器件的示意图见图1。将制备完成的器件存放于洁净环境中，待用。</li>
</ol>
注意：所有制备步骤必须在洁净室环境中进行，以避免在使用前对装置造成污染。
注意：任何光学光刻步骤均可由用户根据偏好的方法进行替换。
注意：硅烷化步骤可用其他首选的疏水涂层方法替代13。
2. 射频器件测试
<ol>
	<li>使用射频 PCB 上的开路/短路波导对网络分析仪或频谱分析仪进行校准。</li>
	<li>将SAW延迟线连接到频谱分析仪的端口，并测量器件的散射矩阵。对于一对单电极换能器，其传输特性类似于以IDT工作频率为中心的sinc函数的绝对值。在反射谱中，同一频率处会出现一个凹陷（最小值）9-11。在我们器件中，沿主轴方向工作频率为100 MHz时，典型值为S11和S22约-15 dB，S12约-10 dB（无PDMS通道时）。</li>
</ol>
3. 微流控与颗粒流动动力学可视化实验与分析
<ol>
	<li>将样品置于显微镜下观察。具体的光学设置取决于待观察的声表面波（SAW）微流控现象。例如，使用配备4倍物镜和30帧/秒视频相机的简易反射式显微镜，即可用于研究液体填充动力学。若需研究更复杂的微粒运动行为，则可能需要配备20倍物镜和100帧/秒或更高帧率的视频相机。物镜放大倍数和帧率均需足够高，以捕捉空间和时间上重要的流动特征。</li>
	<li>将位于通道出口前方的叉指换能器（IDT）连接至射频信号发生器，并在散射矩阵测量中观察到的谐振频率下运行。声学逆流实验中的典型工作功率为20 dBm。如有需要，可使用高功率特高频（UHF）放大器。在较低功率下运行器件时，可观察到无逆流现象的声流和雾化现象：通常声流循环起始于0 dBm，而雾化则在14 dBm以上发生。</li>
	<li>使用微量移液器将60 μl液体加载至微腔室中。液体将被动扩散进入微腔室。如有必要，可轻压微腔室表面以促进其填充。
	<ol>
		<li>为可视化流动过程，需在液体中加入微珠。注意，为避免颗粒聚集，实验前应对颗粒悬浮液进行超声处理。为防止颗粒在基底表面粘附，可在加载过程中对器件施加0 dBm的信号。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过显微镜开始录像，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、芯片设计及颗粒直径共同决定。
	<ol>
		<li>为定性捕捉流动动力学，需在通道填充的不同阶段，以标记物作为空间参考，在弯月面和入口附近区域记录流体流动情况。</li>
		<li>若需通过微粒子图像测速技术（μPIV）14,15 或时空图像相关光谱法（STICS）16,17 对颗粒动力学进行定量测量，则需在感兴趣区域以固定视场记录流体流动，帧数至少100帧，帧率应根据颗粒动力学特性设定。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用图像处理软件分析视频。所选软件取决于具体研究的现象。例如，若需量化雾化液滴的尺寸分布、颗粒聚集的空间周期性或对稀疏颗粒进行手动追踪，可使用Fiji等简单的免费图像分析软件18；而若需获得流线图和速度场测量结果，则需使用定制的mPIV19或STICS20代码。在本研究中，定制的STICS代码使用MATLAB编写，但其他编程语言同样可接受。</li>
</ol>

<ol><li>Masini, L., Cecchini, M., Girardo, S., Cingolani, R., Pisignano, D., Beltram, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface-acoustic-wave+counterflow+micropumps+for+on-chip+liquid+motion+control+in+two-dimensional+microchannel+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Surface-acoustic-wave counterflow micropumps for on-chip liquid motion control in two-dimensional microchannel arrays.</a> Lab on a Chip. 10 (15), 1997-2000 (2010).</li>
<li>Travagliati, M., De Simoni, G., Lazzarini, C. M., Piazza, V., Beltram, F., Cecchini, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interaction-free%2C+automatic%2C+on-chip+fluid+routing+by+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Interaction-free, automatic, on-chip fluid routing by surface acoustic waves.</a> Lab on a Chip. 12 (15), 2621-2624 (2012).</li>
<li>Wixforth, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustically+driven+planar+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Superlattices+and+Microstructures%22%5BJournal%5D)">Acoustically driven planar microfluidics.</a> Superlattices and Microstructures. 33 (5), 389-396 (2003).</li>
<li>Friend, J., Yeo, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microscale+acoustofluidics%3A+Microfluidics+driven+via+acoustics+and+ultrasonics%5BTitle%5D)+AND+%22Reviews+of+Modern+Physics%22%5BJournal%5D)">Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics.</a> Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647-64 (2011).</li>
<li>Tan, M. K., Yeo, L. Y., Friend, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+fluid+flow+and+mixing+induced+in+microchannels+using+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Europhysics+Letters%22%5BJournal%5D)">Rapid fluid flow and mixing induced in microchannels using surface acoustic waves.</a> Europhysics Letters. 87, 47003(2009).</li>
<li>Glass, N., Shilton, R., Chan, P., Friend, J., Yeo, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Miniaturised+Lab-on-a-Disc+%28miniLOAD%29%5BTitle%5D)+AND+%22SMALL%2C+Small%22%5BJournal%5D)">Miniaturised Lab-on-a-Disc (miniLOAD).</a> SMALL, Small. 8 (12), 1880-1880 (2012).</li>
<li>Madou, M. J., Kellogg, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((LabCD%3A+a+centrifuge-based+microfluidic+platform+for+diagnostics%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+SPIE%22%5BJournal%5D)">LabCD: a centrifuge-based microfluidic platform for diagnostics.</a> Proceedings of SPIE. 3259, 80(1998).</li>
<li>Cecchini, M., Girardo, S., Pisignano, D., Cingolani, R., Beltram, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustic-counterflow+microfluidics+by+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Acoustic-counterflow microfluidics by surface acoustic waves.</a> Applied Physics Letters. 92 (10), 104103(2008).</li>
<li>Campbell, C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCampbell%2C+C+%22Surface+acoustic+wave+devices+for+mobile+and+wireless+communications%22">Surface acoustic wave devices for mobile and wireless communications</a>. 1, Academic Press. San Diego, Toronto. (1998).</li>
<li>Hashimoto, K. Y. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHashimoto%2C+KY+%22Surface+acoustic+wave+devices+in+telecommunications%3A+modelling+and+simulation%22">Surface acoustic wave devices in telecommunications: modelling and simulation</a>. , Springer. (2000).</li>
<li>Royer, D., Dieulesaint, E. Elastic Waves in Solids II. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRoyer%2C+D+%22Generation%2C+Acousto-Optic+Interaction%2C+Applications%22">Generation, Acousto-Optic Interaction, Applications</a>. 2, Springer. (2000).</li>
<li>Renaudin, A., Sozanski, J. P., Verbeke, B., Zhang, V., Tabourier, P., Druon, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monitoring+SAW-actuated+microdroplets+in+view+of+biological+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+B%3A+Chemical%22%5BJournal%5D)">Monitoring SAW-actuated microdroplets in view of biological applications.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 138 (1), 374-382 (2009).</li>
<li>Glass, N. R., Tjeung, R., Chan, P., Yeo, L. Y., Friend, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organosilane+deposition+for+microfluidic+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">Organosilane deposition for microfluidic applications.</a> Biomicrofluidics. 5 (3), 036501(2011).</li>
<li>Wereley, S. T., Meinhart, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+advances+in+micro-particle+image+velocimetry%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Recent advances in micro-particle image velocimetry.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 42, 557-576 (2010).</li>
<li>Augustsson, P., Barnkob, R., Wereley, S. T., Bruus, H., Laurell, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+and+temperature-controlled+micro-PIV+measurements+enabling+long-term-stable+microchannel+acoustophoresis+characterization%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Automated and temperature-controlled micro-PIV measurements enabling long-term-stable microchannel acoustophoresis characterization.</a> Lab on a Chip. 11 (24), 4152-4164 (2011).</li>
<li>Hebert, B., Costantino, S., Wiseman, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatiotemporal+image+correlation+spectroscopy+%28STICS%29+theory%2C+verification%2C+and+application+to+protein+velocity+mapping+in+living+CHO+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Spatiotemporal image correlation spectroscopy (STICS) theory, verification, and application to protein velocity mapping in living CHO cells.</a> Biophysical Journal. 88 (5), 3601(2005).</li>
<li>Rossow, M., Mantulin, W. W., Gratton, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatiotemporal+image+correlation+spectroscopy+measurements+of+flow+demonstrated+in+microfluidic+channels%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Spatiotemporal image correlation spectroscopy measurements of flow demonstrated in microfluidic channels.</a> Journal of Biomedical Optics. 14 (2), 024014(2009).</li>
<li>Schindelin, J., Arganda-Carreras, I., Frise, E., Kaynig, V., Longair, M., Pietzsch, T., Preibisch, S., Rueden, C., Saalfeld, S., Schmid, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fiji%3A+an+open-source+platform+for+biological-image+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Fiji: an open-source platform for biological-image analysis.</a> Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).</li>
<li>mpiv - MATLAB PIV Toolbox. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.oceanwave.jp/softwares/mpiv/">http://www.oceanwave.jp/softwares/mpiv/</a> (2012).</li>
<li>mpiv - MATLAB PIV Toolbox. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://wiseman-group.mcgill.ca/software.php">http://wiseman-group.mcgill.ca/software.php</a> (2012).</li>
<li>Rogers, P. R., Friend, J. R., Yeo, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exploitation+of+surface+acoustic+waves+to+drive+size-dependent+microparticle+concentration+within+a+droplet%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Exploitation of surface acoustic waves to drive size-dependent microparticle concentration within a droplet.</a> Lab on a Chip. 10 (21), 2979-2985 (2010).</li>
<li>Muller, P. B., Barnkob, R., Jensen, M. J. H., Bruus, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+numerical+study+of+microparticle+acoustophoresis+driven+by+acoustic+radiation+forces+and+streaming-induced+drag+forces%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">A numerical study of microparticle acoustophoresis driven by acoustic radiation forces and streaming-induced drag forces.</a> Lab on a Chip. 12 (22), 4617-4627 (2012).</li>
<li>Luo, J. K., Fu, Y. Q., Li, Y., Du, X. Y., Flewitt, A. J., Walton, A. J., Milne, W. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Moving-part-free+microfluidic+systems+for+lab-on-a-chip%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micromechanics+and+Microengineering%22%5BJournal%5D)">Moving-part-free microfluidic systems for lab-on-a-chip.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 19 (5), 054001-05 (2009).</li>
<li>Lindken, R., Rossi, M., Große, S., Westerweel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-particle+image+velocimetry+%28%CE%BCPIV%29%3A+recent+developments%2C+applications%2C+and+guidelines%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Micro-particle image velocimetry (μPIV): recent developments, applications, and guidelines.</a> Lab on a Chip. 9 (17), 2551-2567 (2009).</li>
<li>Gedge, M., Hill, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Acoustofluidics+17%3A+Theory+and+applications+of+surface+acoustic+wave+devices+for+particle+manipulation%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Acoustofluidics 17: Theory and applications of surface acoustic wave devices for particle manipulation.</a> Lab on a Chip. 12 (17), 2998-3007 (2012).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

微流控领域面临的最大挑战之一是开发出真正便携式即时检测设备的驱动平台。在已提出的集成微泵中23，基于表面声波（SAW）的微泵尤为引人关注，因其在流体混合、雾化以及颗粒浓缩与分离方面具有独特能力4。本文展示了如何制备和操作一种芯片实验室装置，其中流体在封闭的PDMS微通道中通过集成在芯片上的SAW执行器进行操控，该方法最初由Cecchini et al. 8 报道。
关于上述步骤中所示的器件制备过程，必须在整个制备流程的每个环节保持清洁，否则会导致叉指换能器（IDTs）、微通道形状以及表面润湿性出现缺陷。IDTs 的缺陷可能导致所需工作功率升高，甚至导致表面声波（SAW）转换效率降低或失效。微通道的制备需特别注意，显微观察需要平整且洁净的表面。微通道边缘的缺陷会引起弯月面钉扎，从而降低通道填充速度和芯片可靠性。这些缺陷还可能成为气泡成核点，改变流动特性，甚至完全阻碍流体的泵送。表面功能化过程中也需格外谨慎。若由基底底部界面以及PDMS侧壁和顶部表面构成的通道壁整体呈亲水性，则毛细作用驱动的填充会抑制S...

微流控领域持续面临的挑战之一是需要一种能够微型化并集成到真正便携式微全分析系统（μTAS）中的高效泵送机制。传统的宏观泵送系统由于在通道尺寸减小至微米级甚至更小时，体积流量的缩放性能不佳，因而无法满足μTAS对便携性的要求。相比之下，声表面波（SAW）作为流体驱动机制正受到越来越多的关注，并显示出解决其中部分问题的潜力1,2。
SAWs 被证明可为能量向流体中的传输提供一种非常高效的机制3当声表面波在压电基底上传播时， 例如 铌酸锂（LN），波将以瑞利角 θ 向其传播路径中的任何流体辐射R = sin−1 (cf /cs由于基底中声波速度不匹配， cs，以及液体 cf辐射泄漏进入流体从而产生压力波，该压力波驱动 声流 在流体中。根据器件的几何结构和施加的功率，该机制已被证明可驱动多种芯片上的过程，例如流体混合、颗粒分选、雾化和泵送1,4尽管利用声表面波（SAW）驱动微流体具有结构简单且高效的优势，但迄今为止已报道的SAW驱动微流体泵送机制仍较少。首个实现方式是将自由液滴置于压电基底上的声表面波传播路径中，实现液滴的简单平移。3这一新方法在利用声表面波（SAW）作为微流控驱动手段方面引起了广泛关注，然而仍需实现流体在封闭通道内的驱动，这是一项更具挑战性的任务。Tan 等 在直接通过激光烧蚀于压电基底上制备的微通道内，实现了流体泵送。通过调整微通道与叉指换能器（IDT）的几何尺寸，成功实现了均匀流动与混合流动。5玻璃 等 最近展示了一种通过结合声表面波驱动旋转与离心微流控技术来推动流体在微通道和微流控组件中流动的方法，以此实现了对广受欢迎的微流控技术真正的微型化演示 芯片实验室 概念6,7然而，迄今为止唯一被证实的完全封闭式声表面波驱动泵送机制仍是 Cecchini et al. 的 SAW 驱动声学逆流装置8——本视频的重点。该方法利用流体的雾化与聚并现象，使流体在封闭通道中沿特定方向流动 相对的 声波的传播方向。该系统可在微通道内引发出人意料的复杂流动。此外，根据器件几何结构的不同，可实现多种流动模式，从层流到以涡旋和颗粒聚集区域为特征的更复杂流动状态。能够便捷地调控器件内部的流动特性，为芯片上高级颗粒操控提供了新的机遇。
本方案旨在阐明基于声表面波（SAW）微流控技术的主要实践要点：器件制备、实验操作以及流动可视化。尽管本文明确描述的是SAW驱动的声学对向流器件的制备与操作流程，但这些部分可轻松修改后应用于多种SAW驱动的微流控体系。

<table><tbody><tr><td>双面抛光 128&amp;deg; YX 铌酸锂晶圆</td><td>Crystal Technology, LLC</td><td></td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>硅晶圆</td><td>Siegert Wafers</td><td></td><td>我们使用 &amp;lt;100&gt;</td></tr><tr><td>带对准标记的叉指电极（IDT）光刻掩模（正性）</td><td>任意供应商</td><td></td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>通道光刻掩模（负性）</td><td>任意供应商</td><td></td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>正性光刻胶</td><td>Shipley</td><td>S1818</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>正性光刻胶显影液</td><td>Microposit</td><td>MF319</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>负性光刻胶</td><td>Allresist</td><td>AR-N-4340</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>负性光刻胶显影液</td><td>Allresist</td><td>AR 300-475</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>SU8 厚膜负性光刻胶</td><td>Microchem</td><td>SU-8 2000 系列</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>SU8 厚膜负性光刻胶显影液</td><td>Microchem</td><td>SU-8 显影液</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>十六烷</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>H6703</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>四氯化碳（CCl&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>107344</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>十八烷基三氯硅烷（OTS）</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>104817</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>CMOS 级丙酮</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>40289</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>CMOS 级 2-丙醇</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>40301</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>钛</td><td>任意供应商</td><td>纯度 99.9%</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>金</td><td>任意供应商</td><td>纯度 99.9%</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>聚二甲基硅氧烷（PDMS）</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 184 硅弹性体固化剂套装</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>培养皿</td><td>任意供应商</td><td></td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>5 mm 内径 Harris Uni-Core 多用途打孔工具</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z708895</td><td>任何直径大于 2 mm 的工具均适用</td></tr><tr><td>声学吸收剂</td><td>Photonic Cleaning Technologies</td><td>First Contact 常规套装</td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>射频印刷电路板（RF-PCB）</td><td>任意供应商</td><td></td><td>&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>匀胶机</td><td>Laurell Technologies Corporation</td><td>WS-400-6NPP</td><td>任何匀胶机均可使用</td></tr><tr><td>紫外光刻对准曝光机</td><td>Karl Suss</td><td>MJB 4</td><td>任何对准曝光机均可使用</td></tr><tr><td>热蒸发镀膜仪</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>Nano 38</td><td>任何热蒸发、电子束蒸发或溅射系统均可使用</td></tr><tr><td>氧气等离子体去胶机</td><td>Gambetti Kenologia Srl</td><td>Colibr&amp;igrave;</td><td>任何等离子体去胶机或反应离子刻蚀（RIE）设备均可使用</td></tr><tr><td>离心机</td><td>Eppendorf</td><td>5810 R</td><td>任何离心机均可使用</td></tr><tr><td>引线键合机</td><td>Kulicke & Soffa</td><td>4523AD</td><td>若不使用弹簧探针连接器，则任何引线键合机均可使用</td></tr><tr><td>接触角测量仪</td><td>KSV</td><td>CAM 101</td><td>任何接触角测量仪均可使用</td></tr><tr><td>频谱分析仪</td><td>Anritsu</td><td>56100A</td><td>任何频谱分析仪或网络分析仪均可使用</td></tr><tr><td>射频信号发生器</td><td>Anritsu</td><td>MG3694A</td><td>任何射频信号发生器均可使用</td></tr><tr><td>射频高功率放大器</td><td>Mini Circuits</td><td>ZHL-5W-1</td><td>任何射频高功率放大器均可使用</td></tr><tr><td>微珠悬浮液</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>L3280</td><td>可根据实验目的选用不同直径和材料特性的悬浮液</td></tr><tr><td>光学显微镜</td><td>Nikon</td><td>Ti-Eclipse</td><td>任何空间分辨率满足实验需求的光学显微镜均可使用</td></tr><tr><td>视频摄像机</td><td>Basler</td><td>A602-f</td><td>任何帧率和灵敏度满足实验需求的视频摄像机均可使用</td></tr><tr><td>相机采集软件</td><td>Advanced Technologies</td><td>Motion Box</td><td>任何支持高帧率且可精确控制采集的软件均可使用</td></tr></tbody></table>

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

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Surface-acoustic-wave-driven Acoustic-counterflow Microfluidics

利用声学逆流现象，表面声波（SAW）可用于驱动便携式微流控芯片中的液体。本视频展示了多层表面声波声学逆流装置的制备方案。该装置以铌酸锂（LN）基底为起始材料，在其上加工出两个叉指换能器（IDT）及相应的标记。随后，将基于SU8主模具复制的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道结构键合至已图形化的基底上。在完成装置制备后，我们展示了对该声学逆流装置进行表征与操作的技术，以实现通过PDMS通道网络输送流体。最后，我们介绍了在通道内可视化液体流动的实验方法。该方案用于展示在不同流动状态下的片上流体驱动过程，包括层流以及更为复杂的流动行为，后者以涡旋和颗粒聚集区域为特征。

图2 显示了将LN层与微通道层键合前进行的器件射频测试的代表性结果：典型的S11 和 S12 谱图在面板中展示 a) 和 b) 分别为。S 中心频率处谷值的深度11 频谱与射频功率转换为声表面波机械功率的效率相关。因此，对于固定对数的叉指电极（IDT）指状电极对，谷值最低点的降低将导致器件工作所需功率的减少。在该最低点频率处，器件产生用于驱动流体泵送的声波的效率最高，因此我们选择在此点运行器件。在我们沿主轴方向以100 MHz工作频率运行的器件中，S参数的典型值低于-10 dB11-10 dBm 以上的值可能表示换能器已损坏或短路，若其仍能工作，则需要增加输入功率。可通过匹配叉指换能器（IDT）阻抗、使用外部匹配网络或优化 IDT 设计来降低该值。9-11S 的最大值12 频谱特性既与叉指换能器（IDTs）将射频功率转换为声表面波机械功率的效率相关，也与声表面波在延迟线中传播时的衰减有关。该值的降低（在本实...

在本视频中，我们首先介绍表面声波（SAW）声学对流装置的 fabrication 和操作流程。随后，我们展示了一种实验装置，该装置能够同时实现对 SAW 泵送装置内复杂流动的定性流动可视化和定量分析。

表面声波（SAWs）可通过声学逆流现象在便携式微流控芯片中驱动液体。在本视频中我们……

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操作及其后续的流动可视化过程。该过程首先制备一个双层器件，包括一层带有金电极图案的钽酸锂表面声波层，以及一层聚甲基丙烯酸甲酯微通道层。第二步，使用网络分析仪对器件进行测试，以确认叉指换能器正常工作，并确定驱动对流装置所需的共振频率。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，初学者在接触该方法时可能会遇到困难，因为表面声波微流控技术涉及多个不同的制备操作与分析环节，均需熟练掌握。首先，按照配套书面实验方案所述，使用两张独立的光刻掩模制作微流控装置：一张用于制作图中粉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。基本装置制备完成后，添加负性光刻胶（如 ARN 43 40），并通过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瓦的条件下使用氧气等离子体处理暴露的样品表面2分钟，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、15毫升四氯化碳和20微升八氯三乙烯加入烧杯中混合。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。将设备置于溶液中覆盖放置两小时，然后用异丙醇冲洗，并在氮气下干燥。干燥后，检测表面水的接触角是否大于90度。如果接触角不足，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。然后，按照随附的文字实验方案，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和校直复制品的边缘。切割时需确保通道侧面至少留出两毫米的间隙，而在通道出口处则应直接切透样品，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，通过简单的保形键合将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。通过首先将表面声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 sinc 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，反射谱的下降峰出现的频率与透射谱的峰值频率相同。在无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，使用配备福瑞克斯物镜和每秒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，可使用高功率特高频（UHF）放大器。这里我们使用一个Mini-Circuits ZW-5放大器，其最大输出为37 dBm，增益为40分贝。为研究声学逆流现象，总输出功率必须至少达到25 dBm。在运行设备时，观察无声学逆流条件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 以上则发生雾化。接下来，通过加入粒径为 500 纳米的微珠（浓度为每毫升 10¹⁰ 个微珠）制备用于可视化的微珠加载液，并在实验前将溶液涡旋震荡 15 秒。然后将 60 µL 的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和入口附近区域的流体流动情况。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（spatial temporal image correlation spectroscopy）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，可使用所示的定制微粒图像互不对称性或时空图像相关光谱代码。以下是键合锂酸盐层之前测得的典型 S 11 和 S 12 谱。在两个谱图中，共振频率可见为 95 兆赫。S11 谱中中心频率处的谷值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，谷值最小点的降低将导致器件工作所需功率的减少。S12 谱的峰值与射频功率和表面声波机械功率之间的转换效率以及波在延迟线中的衰减有关。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的典型流动模式。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，便会发生这种情况。此处可观察到拖拽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微米以内的条带中聚集，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的高度清洁。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.

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科研

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Engineering

工程

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本文描述了两种在压电基底铌酸锂上制备叉指电极换能器的加工技术：剥离法和湿法刻蚀。铌酸锂是一种广泛用于产生表面声波的材料，目前在微米至纳米尺度的微流控领域具有广泛应用。所制备的电极能够高效激发兆赫级的瑞利表面声波。...

在铌酸锂上制备表面声波器件

本文介绍了一种实验方案，并对两种适用于高压条件的微流控器件制备技术进行了比较研究，这两种技术分别为光刻/湿法刻蚀/热键合技术与选择性激光诱导刻蚀（SLE）技术。这些技术为在储层条件下直接观察多孔介质和裂缝系统中流体流动提供了关键平台。...

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用于在微通道中产生亚千赫兹振荡流的外置驱动器的组装与表征

学习表面声波驱动微流体逆流装置的制造与操作方法，使用金图案化铌酸锂层和聚甲基丙烯酸甲酯微通道层进行流动可视化分析。该技术可应用于生物医学研究和化学分析领域。

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

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