表面弾性波駆動型アコースティック·逆流マイクロフルイディクスで製作、操作と流れの可視化

次の実験の全体的な目標は、表面音響波駆動マイクロ流体向流デバイスのデバイス製造操作とその後の流れの視覚化を示すことです。これは、まず、金模様の卵形リチウム表面弾性波層とポリメチルxinマイクロチャネル層からなる2層デバイスを作製することによって達成されます。第2のステップとして、デバイスをネットワークアナライザでテストして、デジタル間トランスデューサが適切に機能することを確認し、向流デバイスを動作させる共振周波数を見つけます。

次に、デバイスの入口にマイクロスフェア播種流体がロードされ、RF信号が出口のデジタル間トランスデューサに印加されます。得られたチャネルフローは、分析結果を得るために高速顕微鏡で記録され、主にデバイスの形状と印加電力に依存するさまざまなフロースキームを示します。この方法は音響制御フローデバイスの作製と操作を対象としていますが、このビデオの手順は、マイクロ流体、ミキサーポンプ、オプティマイザーなどの他の弾性表面波駆動マイクロ流体デバイスの製造と操作にも適用できます。

一般に、弾性表面波マイクロ流体工学を使用する際には、製造操作と分析の多くの異なる側面を習得する必要があるため、この方法に不慣れな個人は苦労する可能性があります。まず、添付の書面によるプロトコルに記載されているように、ピンクで示されている表面弾性波層用と黄色で示されているマイクロチャネルモールド用の2つの別々のフォトマスクを使用してマイクロ流体デバイスを作成します。基本的なデバイスを作製したら、ARN 43 40などのネガ型フォトレジストを追加し、光リソグラフィー技術を使用してマイクロチャネル領域を露光します。

次に、0.14ミリバールと100ワットの2分間の酸素プラズマを使用して、露出したサンプル表面を活性化し、約450ボルトのバイアス電圧を与えます。次に、35ミリリットルのAEC、15ミリリットルの四塩化炭素、および20マイクロリットルのOktaデザルトリクロロエチレンをヒュームフード内のビーカーに混合します。デバイスを溶液に入れて表面を化石化し、疎水性にします。

デバイスを溶液に2時間蓋をしておいてから、イソプロパノールですすぎ、窒素下で乾燥させます。乾燥したら、表面の水の接触角が90度を超えていることを確認してください。接触角が不十分な場合は、サンプルを清掃し、表面のサイズを再度変更します。

それ以外の場合は、アセトンで残留フォトレジストを除去し、イソプロパノールですすぎ、窒素ガンで乾燥させます。次に、無線周波数導波管と標準同軸コネクタを備えたプリント回路基板にサンプルを取り付けた後、サンプルの端に吸音ポリマーを配置し、ここに示すようにワイヤボンディングまたはPOGOコネクタを使用してデジタル間トランスデューサを接続します。次に、付属のテキストプロトコルに記載されているように、目的の次元のチャネルを含むパターン化されたPDMSレイヤーを準備します。

硬化したら、マスターモールドを傷つけて剥がさないように注意しながら、外科用刃で溝の周りを切り取ります。次に、かみそりの刃を使用してレプリカの端を洗練し、まっすぐにします。サンプルを切断して、チャネルの側面に少なくとも2ミリメートルのクリアランスを残し、チャネル出口にクリアランスを空けないようにしてください。

次に、ハリスユニコーンパンチャーを使用してマイクロチャンバーに穴を開けて、流体ローディング入口を形成し、シリンダーを取り外します。次に、顕微鏡を使用した単純なコンフォーマルボンディングにより、PDMSチャネルを卵形リチウム基板に結合してアライメントします。このようにして、ボンドは可逆性を保ちながら、流体試験段階を通じて保持されます。

まず、弾性表面波遅延材をスペクトラムアナライザのポートに接続してRFデバイスをテストし、デバイスの散乱行列を測定します。一対の単一電極トランスデューサの伝送は、デジタル間トランスデューサの動作周波数を中心とする同期関数の絶対値に似ています。次に、反射スペクトルを観察します。

反射スペクトルのディップは、主軸に沿って100メガヘルツで動作するデバイスの伝送のピークと同じ周波数で発生します。一般的な値は、S 11 と S 22 ではマイナス 8 デシベル、PDMS チャネルを使用しない S 12 ではマイナス 20 デシベルです。流れのダイナミクスを最適に視覚化するには、サンプルを顕微鏡下に置きます。

具体的な光学設定は、観察される表面弾性波マイクロ流体現象によって異なります。流体充填ダイナミクスを研究するには、Forex対物レンズと毎秒30フレームのビデオカメラを備えたシンプルな倒立顕微鏡を使用します。ただし、より複雑な微粒子のダイナミクスを調べるには、20 倍の対物レンズと 100 FPS 以上のビデオ カメラを使用します。

対物レンズとフレーム レートの両方が、空間的および時間的に重要なフローの特徴をキャプチャするのに十分な高さであることが重要です。次に、チャンネル出口の前にあるデジタル間トランスデューサをRF信号発生器と増幅器に接続し、散乱マトリックス測定で観察された共振周波数で操作します。必要に応じて、高出力のUHFアンプを使用してください。

ここでは、最大出力が37DBM、ゲインが40デシベルのミニ回路zw fiveアンプを使用しています。音響向流を調査するには、合計出力電力が少なくとも 25 DBM に達することが重要です。装置の運転中に音響対流のない音響ストリーミングおよび霧化現象を観察します。

低電力では、通常、音響ストリーミングの再循環はゼロDBMから始まり、霧化は14DBMを超えると発生します。次に、500ナノメートルのマイクロビーズを10個/ミリリットルあたり10個加え、実験前に溶液を15秒間ボルテックスすることにより、可視化用のマイクロビーズローディング流体を準備します。次に、60マイクロリットルのマイクロビーズ懸濁液をチャンバーにロードします。

マイクロピペット液をゆっくりと使用すると、基板上の粒子の付着を避けるためにマイクロチャンバーに受動的に拡散し、ロード中にデバイスにゼロDBM信号を適用します。顕微鏡でビデオの録画を開始し、音響カウンターフローを観察するために操作電力を上げます。さまざまなフロースキームは、入力電力、チップ設計、および粒子径によって決定されます。

ダイナミクスを定性的に捉えるには、マーカーを空間参照として使用して、チャネル充填のさまざまな段階でメニスカスと入口の近接する流体の流れを記録します。次に、正確な結果を得るために、付属のテキストプロトコルで参照されているように、微粒子画像、VEアシンメトリー、または空間時間画像相関分光法によって粒子ダイナミクスを定量的に測定します。固定視野で関心のあるポイントでの流体の流れを、パーティクル ダイナミクスによって課せられるフレーム レートで少なくとも 100 フレーム記録します。

流線と速度フィールドの測定値を取得するためのより複雑な解析には、カスタマイズされた微粒子画像の非対称性または空間時間画像相関分光法コードを使用してください。これは、リチウムAte層を結合する前に取得した典型的なS 11およびS 12スペクトルです。2つのスペクトルの共鳴周波数は95メガヘルツで見ることができます。

S 11スペクトルの中心周波数での谷の深さは、弾性表面波の機械的電力におけるRF電力の変換効率に関連しています。したがって、谷の最小値を小さくすると、デバイスの操作に必要な電力が減少します。S 12スペクトルの最大値は、RF電力と弾性表面波の機械的電力の変換効率、および遅延線に沿った波の減衰に関連しています。

この値の減少は、波遅延材のミスアライメントや亀裂などの欠陥に起因する可能性があります。表示。ここでは、500ナノメートルのラテックス速度を使用して観察された4つの異なる特性フローパターンを示します。上の 2 つの画像は、チャネル入口で異なる結果を示しています。

左側では、チャネルが部分的に満たされると層流が達成された後、チャネル充填の開始時の音響ストリーミング現象により、2つの対称的な渦が観察されています。ここに示されている画像は、半月板の近くからのものです。チャネルが左側で部分的に満たされると、粒子が線状に蓄積し、メニスカスと同じ速度で移動するのが観察されます。

これは、粒子のダイナミクスが右側の音響放射力によって支配されている場合に発生します。ここでは、抗力と音響の流れの優位性が観察されます。粒子は2つの渦を飲み込み、メニスカスから300ミクロン以内のバンドにのみ蓄積し、基板表面の近くに位置しています。

これらの手順に出席している間、製造から操作までの実験のすべての段階でデバイスを非常に清潔に保つことを覚えておくことが非常に重要です。このビデオを見れば、弾性表面波デバイスの作製方法とテスト方法について十分に理解できるはずです。PDMSマイクロ流体工学を使用して、マクロ流体の流れを視覚化および分析します。