Fabrication, l'exploitation et la visualisation des écoulements en surface à ondes acoustiques axées microfluidique-Acoustiques contre-courant

L’objectif général de l’expérience suivante est de montrer le fonctionnement de fabrication du dispositif et la visualisation ultérieure de l’écoulement d’un dispositif microfluidique à contre-courant acoustique de surface, entraîné par des ondes. Ceci est réalisé en fabriquant d’abord le dispositif à deux couches composé d’une couche d’ondes acoustiques de surface ovale de lithium à motifs d’or et d’une couche de microcanaux de polyméthylxine. Dans un deuxième temps, l’appareil est testé avec un analyseur de réseau pour s’assurer du bon fonctionnement du transducteur internumérique, ainsi que pour trouver la fréquence de résonance à laquelle faire fonctionner l’appareil à contre-courant.

Ensuite, l’entrée de l’appareil est chargée d’un fluide ensemencé de microsphères et un signal RF est appliqué au transducteur internumérique à la sortie. L’écoulement du canal résultant est enregistré à l’aide d’un microscope à grande vitesse pour obtenir des résultats d’analyse permettant de montrer divers schémas d’écoulement, qui dépendent principalement des géométries de l’appareil et de la puissance appliquée. Bien que cette méthode soit destinée à la fabrication et à l’exploitation des dispositifs de contrôle acoustique de l’écoulement, la procédure de cette vidéo peut également être appliquée à la fabrication et au fonctionnement d’autres dispositifs microfluidiques pilotés par ondes acoustiques de surface, tels que la microfluidique, les pompes mélangeurs et l’optimiseur.

En général, les personnes qui ne connaissent pas cette méthode peuvent avoir des difficultés car il existe de nombreux aspects différents de la fabrication, de l’opération et de l’analyse qui doivent tous être maîtrisés lorsqu’ils travaillent avec la microfluidique à ondes acoustiques de surface. Pour commencer, créez un dispositif microfluidique tel que décrit dans le protocole écrit ci-joint en utilisant deux masques photo séparés, l’un pour la couche d’ondes acoustiques de surface indiquée en rose et l’autre pour le moule de microcanaux illustré en jaune. Une fois le dispositif de base fabriqué, ajoutez une résine photosensible négative, telle que ARN 43 40, et exposez la zone des microcanaux à l’aide de techniques de lithographie optique.

Activez ensuite la surface exposée de l’échantillon à l’aide de deux minutes de plasma d’oxygène à 0,14 millibar et 100 watts pour donner une tension de polarisation d’environ 450 volts. Ensuite, mélangez 35 millilitres d’aec, 15 millilitres de tétrachlorure de carbone et 20 microlitres de trichloréthylène désal d’Okta dans un bécher à l’intérieur d’une hotte. Placez l’appareil dans la solution pour zéler la surface et la rendre hydrophobe.

Laissez l’appareil dans la solution couverte pendant deux heures, puis rincez-le avec de l’isopropanol et séchez-le sous azote. Une fois séché, vérifiez que l’angle de contact de l’eau sur la surface est supérieur à 90 degrés. Si l’angle de contact est insuffisant, nettoyez l’échantillon et redimensionnez à nouveau la surface.

Sinon, retirez la résine photosensible résiduelle avec de l’acétone, puis rincez à l’isopropanol et séchez avec un pistolet à azote. Ensuite, après avoir monté l’échantillon sur une carte de circuit imprimé avec des guides d’ondes radiofréquence et des connecteurs coaxiaux standard, placez un polymère absorbant acoustique sur les bords de l’échantillon et connectez les transducteurs interdigitaux par liaison de fil ou à l’aide de connecteurs POGO comme illustré ici. Ensuite, préparez la couche PDMS à motifs contenant un canal avec les dimensions souhaitées, comme décrit dans le protocole de texte d’accompagnement.

Une fois durci, coupez autour du canal à l’aide d’une lame chirurgicale, en prenant soin de ne pas endommager le moule maître et de le décoller. Ensuite, affinez et redressez les répliques des bords à l’aide d’une lame de rasoir. Assurez-vous de laisser au moins deux millimètres d’espace sur le côté latéral du canal et aucun dégagement à la sortie du canal en coupant à travers l’échantillon.

Ensuite, percez un trou dans la microchambre à l’aide d’un poinçonneur licorne Harris pour former l’entrée de chargement du fluide et retirez le cylindre. Ensuite, liez le canal PDMS avec le substrat ovale de lithium par simple collage conforme à l’aide d’un microscope pour l’alignement. De cette façon, l’adhérence tiendra tout au long de l’étape d’essai de fluide tout en restant réversible.

Testez le dispositif RF en connectant d’abord la ligne à retard d’ondes acoustiques de surface aux ports d’un analyseur de spectre et mesurez la matrice de diffusion du dispositif. La transmission d’une paire de transducteurs à électrode unique ressemblera à la valeur absolue d’une fonction de synchronisation centrée sur la fréquence de fonctionnement du transducteur internumérique. Ensuite, observez le spectre de réflexion.

Une baisse du spectre de réflexion se produit à la même fréquence que le pic de transmission dans les dispositifs fonctionnant à 100 mégahertz le long du grand axe. Les valeurs typiques sont de moins huit décibels pour S 11 et S 22 et de moins 20 décibels pour S 12 sans canaux PDMS. Afin de visualiser au mieux la dynamique de l’écoulement, placez l’échantillon sous un microscope.

La configuration optique spécifique dépend des phénomènes microfluidiques d’ondes acoustiques de surface à observer. Pour étudier la dynamique de remplissage des fluides, utilisez un simple microscope inversé équipé d’un objectif Forex et d’une caméra vidéo à 30 images par seconde. Cependant, pour étudier la dynamique des microparticules plus complexe, utilisez un objectif 20x et une caméra vidéo de 100 FPS ou plus.

Il est important que l’objectif et la fréquence d’images soient suffisamment élevés pour capturer toutes les caractéristiques d’écoulement importantes dans l’espace et dans le temps. Ensuite, connectez les transducteurs interdigitaux devant la sortie du canal à un générateur de signaux RF et à un amplificateur et fonctionnant à la fréquence de résonance observée dans les mesures de matrice de diffusion. Si nécessaire, utilisez un amplificateur UHF de haute puissance.

Ici, nous utilisons un amplificateur mini circuits zw five avec une sortie maximale de 37 DBM et un gain de 40 décibels. Il est important que la puissance de sortie totale puisse atteindre au moins 25 DBM pour l’étude du contre-courant acoustique. Observez les phénomènes de flux acoustique et d’atomisation sans contre-courant acoustique pendant le fonctionnement de l’appareil.

À une puissance plus faible, la recirculation par flux acoustique commence généralement à zéro DBM et l’atomisation se produit au-dessus de 14 DBM. Ensuite, préparez le fluide de chargement des microbilles pour la visualisation en ajoutant des microbilles de 500 nanomètres à 10 à 10 particules par millilitre et en faisant tourbillonner la solution pendant 15 secondes avant les expériences. Chargez ensuite 60 microlitres de suspension de microbilles dans la chambre.

Lentement, à l’aide d’une micro-pipette, le fluide diffusera passivement dans la micro-chambre pour éviter une éventuelle adhérence de particules sur le substrat, appliquera un signal DBM nul à l’appareil pendant le chargement. Lancez l’enregistrement de la vidéo au microscope et augmentez la puissance de fonctionnement afin d’observer le contre-courant acoustique. Différents schémas d’écoulement seront déterminés par la puissance d’entrée, la conception de la puce et le diamètre des particules.

Afin de saisir qualitativement la dynamique, enregistrez l’écoulement du fluide à proximité du ménisque et de l’entrée à différents stades du remplissage du canal, en utilisant des marqueurs comme référence spatiale. Ensuite, quantitativement, mesurez la dynamique des particules par image de microparticules, asymétrie VE ou spectroscopie de corrélation d’image spatio-temporelle comme indiqué dans le protocole de texte d’accompagnement pour des résultats précis. Enregistrez l’écoulement du fluide au point d’intérêt avec un champ de vision fixe pendant au moins 100 images à une fréquence d’images imposée par la dynamique des particules.

Pour une analyse plus complexe afin d’obtenir des mesures de lignes de courant et de champ de vitesse, utilisez une image de microparticules personnalisée ou un code de spectroscopie de corrélation d’image spatio-temporelle illustré. Voici les spectres typiques de S 11 et S 12 pris avant la liaison de la couche de lithium ate. La fréquence de résonance dans les deux spectres peut être vue à 95 mégahertz.

La profondeur de la vallée à la fréquence centrale dans le spectre S 11 est liée à l’efficacité de conversion de la puissance RF en puissance mécanique des ondes acoustiques de surface. Par conséquent, une réduction du minimum de vallée entraînera une réduction de la puissance nécessaire au fonctionnement de l’appareil. Le maximum du spectre S 12 est lié à l’efficacité de conversion de la puissance RF et de la puissance mécanique des ondes acoustiques de surface, ainsi qu’à l’atténuation des ondes le long de la ligne à retard.

La réduction de cette valeur peut provenir de défauts tels qu’un désalignement de la ligne de retard d’onde ou des fissures. Montré. Voici quatre modèles d’écoulement caractéristiques différents observés à l’aide de vitesses de latex de 500 nanomètres. Les deux images du haut montrent des résultats différents à l’entrée du canal.

Sur la gauche, deux tourbillons symétriques sont observés en raison des phénomènes d’écoulement acoustique au début du remplissage du canal après un certain temps lorsque le canal est partiellement rempli, un écoulement laminaire est obtenu. Les images montrées ici proviennent de la proximité du ménisque. Lorsque le canal est partiellement rempli sur la gauche, on observe que les particules s’accumulent en lignes et se déplacent à la même vitesse que le ménisque.

Cela se produit lorsque la dynamique des particules est dominée par la force de rayonnement acoustique à droite. La dominance de la force de traînée et de l’écoulement acoustique est observée ici. Les particules avalent deux tourbillons et ne s’accumulent qu’en bandes à moins de 300 microns du ménisque et sont situées près de la surface du substrat.

Lors de ces procédures, il est très important de se rappeler de garder l’appareil très propre à toutes les étapes de l’expérience, de la fabrication à l’exploitation. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la fabrication et du test des dispositifs à ondes acoustiques de surface. Travailler avec la microfluidique PDMS et visualiser et analyser les écoulements macrofluidiques.