Fabrication, Operation and Flow Visualization in Oberflächenschallwellen-wave-driven Acoustic-Gegenstrom Mikrofluidik

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, den Betrieb der Bauelementherstellung und die anschließende Strömungsvisualisierung einer oberflächenakustischen, wellengetriebenen mikrofluidischen Gegenstromvorrichtung zu zeigen. Dies wird erreicht, indem zunächst das zweischichtige Gerät hergestellt wird, das aus einer goldgemusterten akustischen Oberflächenschicht aus Lithium-Eizellen und einer Polymethyl-Xin-Mikrokanalschicht besteht. In einem zweiten Schritt wird das Gerät mit einem Netzwerkanalysator getestet, um die ordnungsgemäße Funktion des Interdigitalwandlers sicherzustellen und die Resonanzfrequenz zu ermitteln, mit der das Gegenstromgerät betrieben werden soll.

Als nächstes wird der Einlass des Geräts mit Mikrokugel-Seeding-Flüssigkeit beladen und ein HF-Signal an den Interdigitalwandler am Auslass angelegt. Die resultierende Kanalströmung wird mit einem Hochgeschwindigkeitsmikroskop aufgezeichnet, um Analyseergebnisse zu erhalten, um verschiedene Strömungsschemata zu zeigen, die in erster Linie von den Gerätegeometrien und der angelegten Leistung abhängen. Während dieses Verfahren auf die Herstellung und den Betrieb der akustischen Kontrollflussgeräte abzielt, kann das Verfahren aus diesem Video auch auf die Herstellung und den Betrieb anderer oberflächenakustischer wellengetriebener mikrofluidischer Geräte wie Mikrofluidik, Mischpumpen und Optimierer angewendet werden.

Im Allgemeinen können Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, da es viele verschiedene Aspekte des Herstellungsbetriebs und der Analyse gibt, die bei der Arbeit mit der Mikrofluidik der akustischen Oberflächenwellen gemeistert werden müssen. Erstellen Sie zunächst ein mikrofluidisches Gerät, wie im begleitenden schriftlichen Protokoll beschrieben, unter Verwendung von zwei separaten Fotomasken, eine für die akustische Oberflächenwellenschicht, die in Rosa dargestellt ist, und eine zweite für die Mikrokanalform, die in Gelb dargestellt ist. Sobald das Basisgerät hergestellt ist, fügen Sie einen negativen Fotolack hinzu, z. B. ARN 43 40, und belichten Sie den Mikrokanalbereich mit optischen lithographischen Techniken.

Dann wird die exponierte Probenoberfläche mit zwei Minuten Sauerstoffplasma bei 0,14 Millibar und 100 Watt aktiviert, um eine Vorspannung von etwa 450 Volt zu erzeugen. Anschließend werden 35 Milliliter Heec, 15 Milliliter Tetrachlorkohlenstoff und 20 Mikroliter Okta-Entsalzungstrichlorethylen in ein Becherglas in einem Abzug gegeben. Legen Sie das Gerät in die Lösung, um die Oberfläche zu isieren und sie hydrophob zu machen.

Lassen Sie das Gerät zwei Stunden lang zugedeckt in der Lösung und spülen Sie es dann mit Isopropanol ab und trocknen Sie es unter Stickstoff. Überprüfen Sie nach dem Trocknen, ob der Kontaktwinkel des Wassers auf der Oberfläche über 90 Grad liegt. Wenn der Kontaktwinkel nicht ausreicht, reinigen Sie die Probe und ändern Sie die Größe der Oberfläche erneut.

Andernfalls entfernen Sie den restlichen Fotolack mit Aceton, spülen Sie ihn in Isopropanol ab und trocknen Sie ihn mit einer Stickstoffpistole. Nachdem Sie die Probe auf einer Leiterplatte mit Hochfrequenz-Wellenleitern und Standard-Koaxialsteckverbindern montiert haben, legen Sie ein akustisches Absorberpolymer auf die Probenkanten und verbinden Sie die Interdigitalwandler durch Drahtbonden oder mit POGO-Steckverbindern, wie hier gezeigt. Bereiten Sie als Nächstes die gemusterte PDMS-Schicht vor, die einen Kanal mit den gewünschten Abmessungen enthält, wie im beigefügten Textprotokoll beschrieben.

Schneiden Sie nach dem Aushärten mit einer chirurgischen Klinge um den Kanal herum und achten Sie darauf, die Urform nicht zu beschädigen und sie abzuziehen. Verfeinern und glätten Sie dann die Kanten der Replik mit einer Rasierklinge. Achten Sie darauf, dass an der Seitenseite des Kanals mindestens zwei Millimeter und am Kanalauslass kein Freiraum bleibt, indem Sie die Probe durchschneiden.

Stanzen Sie als Nächstes mit einem Harris Unicorn Puncher ein Loch in die Mikrokammer, um den Flüssigkeitsladeeinlass zu formen und den Zylinder zu entfernen. Verbinden Sie dann den PDMS-Kanal mit dem Lithium-Ei-Substrat durch einfaches konformes Bonden mit einem Mikroskop zur Ausrichtung. Auf diese Weise hält die Verbindung in der Phase der Flüssigkeitsprüfung und bleibt gleichzeitig reversibel.

Testen Sie das HF-Gerät, indem Sie zuerst die akustische Wellenverzögerungsleitung an die Anschlüsse eines Spektrumanalysators anschließen und die Streumatrix des Geräts messen. Die Übertragung für ein Paar Einzelelektroden-Wandler ähnelt dem Absolutwert einer Synchronisationsfunktion, die bei der Betriebsfrequenz des Interdigital-Wandlers zentriert ist. Beobachten Sie als Nächstes das Reflexionsspektrum.

Ein Einbruch des Reflexionsspektrums tritt bei der gleichen Frequenz auf wie die Spitze der Übertragung in Geräten, die mit 100 Megahertz entlang der Hauptachse arbeiten. Typische Werte sind minus acht Dezibel für S 11 und S 22 und minus 20 Dezibel für S 12 ohne PDMS-Kanäle. Um die Strömungsdynamik bestmöglich sichtbar zu machen, legen Sie die Probe unter ein Mikroskop.

Der spezifische optische Aufbau hängt von den zu beobachtenden akustischen Wellen-Mikrofluidik-Phänomenen der Oberfläche ab. Um die Dynamik der Flüssigkeitsfüllung zu untersuchen, verwenden Sie ein einfaches inverses Mikroskop, das mit einem Forex-Objektiv und einer Videokamera mit 30 Bildern pro Sekunde ausgestattet ist. Um jedoch die Dynamik komplexerer Mikropartikel zu untersuchen, verwenden Sie ein 20-fach-Objektiv und eine Videokamera mit 100 FPS oder höher.

Es ist wichtig, dass sowohl das Objektiv als auch die Bildrate hoch genug sind, um alle räumlich und zeitlich wichtigen Strömungsmerkmale zu erfassen. Schließen Sie als Nächstes die Interdigitalwandler vor dem Kanalausgang an einen HF-Signalgenerator und -verstärker an und arbeiten Sie mit der Resonanzfrequenz, die bei den Streumatrixmessungen beobachtet wurde. Verwenden Sie bei Bedarf einen Hochleistungs-UHF-Verstärker.

Hier verwenden wir einen Mini-Schaltkreise zw fünf Verstärker mit einer maximalen Leistung von 37 DBM und einer Verstärkung von 40 Dezibel. Es ist wichtig, dass die Gesamtausgangsleistung mindestens 25 DBM erreichen kann, um die akustische Gegenströmung zu untersuchen. Beobachten Sie akustische Strömungs- und Zerstäubungsphänomene ohne akustische Gegenströmung, während Sie das Gerät betreiben.

Bei geringerer Leistung beginnt die akustische Strömungsrezirkulation in der Regel bei null DBM, und die Zerstäubung erfolgt oberhalb von 14 DBM. Bereiten Sie als Nächstes die Mikrokügelchen-Ladeflüssigkeit für die Visualisierung vor, indem Sie 500-Nanometer-Mikrokügelchen mit 10 bis 10 Partikeln pro Milliliter hinzufügen und die Lösung vor den Experimenten 15 Sekunden lang vortexen. Laden Sie dann 60 Mikroliter der Mikrobead-Suspension in die Kammer.

Wenn Sie langsam eine Mikropipettenflüssigkeit verwenden, die passiv in die Mikrokammer diffundiert, um eine mögliche Partikelanhaftung auf dem Substrat zu vermeiden, legen Sie während des Ladens ein Null-DBM-Signal an das Gerät an. Starten Sie die Aufnahme des Videos durch das Mikroskop und erhöhen Sie die Betriebsleistung, um die akustische Gegenströmung zu beobachten. Unterschiedliche Strömungsschemata werden durch die Eingangsleistung, das Chipdesign und den Partikeldurchmesser bestimmt.

Um die Dynamik qualitativ zu erfassen, wird die Fluidströmung in der Nähe des Meniskus und des Einlasses in verschiedenen Stadien der Kanalfüllung mit Markern als Raumbezug aufgezeichnet. Messen Sie dann quantitativ die Partikeldynamik durch Mikropartikelbild, VE-Assymmetrie oder räumlich-zeitliche Bildkorrelationsspektroskopie, wie im begleitenden Textprotokoll referenziert, um genaue Ergebnisse zu erhalten. Zeichnen Sie die Fluidströmung am Point of Interest mit einem festen Sichtfeld für mindestens 100 Frames mit einer Bildrate auf, die durch die Partikeldynamik vorgegeben wird.

Für kompliziertere Analysen zur Erzielung von Stromlinien und Geschwindigkeitsfeldmessungen verwenden Sie den gezeigten Code für die Mikropartikel-Bild-Malsymmetrie oder den gezeigten räumlich-zeitlichen Bildkorrelationsspektroskopie-Code. Hier sind typische S 11- und S 12-Spektren, die vor der Bindung der Lithiumatschicht aufgenommen wurden. Die Resonanzfrequenz in den beiden Spektren ist bei 95 Megahertz zu sehen.

Die Tiefe des Tals bei der Zentralfrequenz im S 11-Spektrum hängt mit der Effizienz der Umwandlung von HF-Leistung in die mechanische Leistung der akustischen Oberflächenwelle zusammen. Daher führt eine Verringerung des Talminimums zu einer Verringerung der für den Betrieb des Geräts erforderlichen Leistung. Das Maximum des S 12-Spektrums hängt mit der Effizienz der Umwandlung der HF-Leistung und der mechanischen Leistung der akustischen Oberflächenwelle sowie der Dämpfung der Welle entlang der Verzögerungsleitung zusammen.

Eine Verringerung dieses Wertes kann auf Defekte wie eine Fehlausrichtung der Wellenverzögerungsleitung oder Risse zurückzuführen sein. Gezeigt. Hier sind vier verschiedene charakteristische Strömungsmuster, die mit Latexgeschwindigkeiten von 500 Nanometern beobachtet wurden. Die oberen beiden Bilder zeigen unterschiedliche Ergebnisse am Kanaleinlass.

Links sind zwei symmetrische Wirbel zu beobachten, die auf die akustischen Strömungsphänomene zu Beginn der Kanalfüllung zurückzuführen sind: Nach einiger Zeit, wenn der Kanal teilweise gefüllt ist, wird eine laminare Strömung erreicht. Die hier gezeigten Bilder stammen aus der Nähe des Meniskus. Wenn der Kanal auf der linken Seite teilweise gefüllt ist, beobachtet man, wie sich die Partikel in Linien ansammeln und sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Meniskus bewegen.

Dies tritt auf, wenn die Teilchendynamik von der akustischen Strahlungskraft auf der rechten Seite dominiert wird. Hier wird die Dominanz der Widerstandskraft und der akustischen Strömung beobachtet. Die Partikel schlucken zwei Wirbel und sammeln sich nur in Banden innerhalb von 300 Mikrometern vom Meniskus an und befinden sich nahe der Substratoberfläche.

Bei diesen Verfahren ist es sehr wichtig, daran zu denken, das Gerät in allen Phasen des Experiments von der Herstellung bis zum Betrieb sehr sauber zu halten. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man akustische Oberflächenwellengeräte herstellt und testet. Arbeiten Sie mit PDMS Mikrofluidik und visualisieren und analysieren Sie makrofluidische Strömungen.