표면 음향 파 중심의 어쿠스틱 역류 미세 유체의 제조, 운영 및 유동 가시화

다음 실험의 전반적인 목표는 표면 음향, 파동 구동 미세유체 역류 장치의 장치 제작 작업 및 후속 흐름 시각화를 보여주는 것입니다. 이는 먼저 금 패턴의 리튬 난형 표면 음파층과 폴리메틸 xin 마이크로채널 층으로 구성된 2층 장치를 제작함으로써 달성됩니다. 두 번째 단계로, 디지털 간 변환기의 적절한 기능을 보장하고 역류 장치를 실행할 공진 주파수를 찾기 위해 네트워크 분석기로 장치를 테스트합니다.

다음으로, 장치의 입구에는 마이크로스피어 시드 유체가 로드되고 RF 신호가 출구의 디지털 간 변환기에 적용됩니다. 결과 채널 흐름은 분석 결과를 위해 고속 현미경으로 기록되며, 이는 주로 장치 형상 및 적용된 전력에 따라 달라지는 다양한 흐름 방식을 보여줍니다. 이 방법은 음향 제어 흐름 장치의 제조 및 작동을 대상으로 하지만 이 비디오의 절차는 미세유체, 믹서 펌프 및 옵티마이저와 같은 다른 표면 음파 구동 미세유체 장치의 제작 및 작동에도 적용할 수 있습니다.

일반적으로 이 방법을 처음 접하는 개인은 표면 음파 미세유체역학으로 작업할 때 모두 마스터해야 하는 제조 작업 및 분석의 다양한 측면이 있기 때문에 어려움을 겪을 수 있습니다. 시작하려면 두 개의 개별 포토 마스크, 즉 분홍색으로 표시된 표면 음파층과 노란색으로 표시된 마이크로채널 몰드를 위한 두 개의 개별 포토 마스크를 사용하여 함께 제공되는 서면 프로토콜에 설명된 대로 미세유체 장치를 만듭니다. 기본 장치가 제작되면 ARN 43 40과 같은 네거티브 포토 레지스트를 추가하고 광학 리소그래피 기술을 사용하여 마이크로 채널 영역을 노출시킵니다.

그런 다음 0.14mbar 및 100W에서 2분 동안 산소 플라즈마를 사용하여 노출된 샘플 표면을 활성화하여 약 450V의 바이어스 전압을 제공합니다. 다음으로 HE AEC 35ml, 사염화탄소 15ml, Okta 담염 트리클로로에틸렌 20마이크로리터를 흄 후드 내부의 비커에 넣습니다. 장치를 용액에 넣어 표면을 화하고 소수성으로 만듭니다.

장치를 용액에 덮고 2시간 동안 그대로 둔 다음 이소프로판올로 헹구고 질소로 건조시킵니다. 건조되면 표면의 물 접촉각이 90도 이상인지 확인하십시오. 접촉각이 충분하지 않으면 샘플을 청소하고 표면 크기를 다시 조정하십시오.

그렇지 않으면 아세톤으로 잔류 감광액을 제거한 다음 이소프로판올로 헹구고 질소 건으로 말리십시오. 다음으로, 무선 주파수 도파관 및 표준 동축 커넥터가 있는 인쇄 회로 기판에 샘플을 장착한 후 샘플 가장자리에 음향 흡수 폴리머를 놓고 와이어 본딩 또는 POGO 커넥터를 사용하여 디지털 변환기를 연결합니다. 다음으로, 함께 제공되는 텍스트 프로토콜에 설명된 대로 원하는 치수를 가진 채널을 포함하는 패턴화된 PDMS 계층을 준비합니다.

경화되면 마스터 몰드가 손상되지 않도록 주의하면서 수술용 칼날을 사용하여 채널 주위를 자르고 벗겨냅니다. 그런 다음 면도날을 사용하여 복제 가장자리를 다듬고 곧게 펴십시오. 채널의 측면에 최소 2mm의 여유 공간을 남겨두고 s를 통해 오른쪽으로 절단하여 채널 배출구에 여유 공간이 없는지 확인하십시오.amp르

그런 다음 Harris 유니콘 펀처를 사용하여 마이크로 챔버에 구멍을 뚫어 유체 로딩 입구를 형성하고 실린더를 제거합니다. 그런 다음 정렬을 위해 현미경을 사용하여 간단한 컨포멀 본딩으로 PDMS 채널을 리튬 난형 기질과 결합합니다. 이러한 방식으로 결합은 가역적 상태를 유지하면서 유체 테스트 단계를 통해 유지됩니다.

먼저 표면 음파 지연선을 스펙트럼 분석기의 포트에 연결하여 RF 장치를 테스트하고 장치의 산란 매트릭스를 측정합니다. 한 쌍의 단일 전극 변환기에 대한 전송은 디지털 변환기의 작동 주파수를 중심으로 하는 동기화 기능의 절대값과 유사합니다. 다음으로, 반사 스펙트럼을 관찰합니다.

반사 스펙트럼의 강하(fall in the reflection spectrum)는 장축을 따라 100메가헤르츠(megahertz)에서 작동하는 장치에서 전송의 피크와 동일한 주파수에서 발생합니다. 일반적인 값은 S 11 및 S 22의 경우 -8 데시벨이고 PDMS 채널이 없는 S 12의 경우 -20 데시벨입니다. 유동 역학을 가장 잘 시각화하려면 샘플을 현미경 아래에 놓습니다.

특정 광학 설정은 관찰할 표면 음파, 미세유체역학 현상에 따라 다릅니다. 유체 충전 역학을 연구하려면 Forex 대물렌즈와 초당 30프레임의 비디오 카메라가 장착된 간단한 도립 현미경을 사용하십시오. 그러나 더 복잡한 미세입자 역학을 조사하려면 20x 대물렌즈와 100FPS 이상의 비디오 카메라를 사용하십시오.

objective (목표)와 frame rate(프레임 속도)가 모두 공간적으로나 시간적으로 중요한 흐름 특징을 포착할 수 있을 만큼 충분히 높아야 합니다. 다음으로, 채널 출구 앞의 디지털 간 변환기를 RF 신호 발생기 및 증폭기에 연결하고 산란 매트릭스 측정에서 관찰된 공진 주파수에서 작동합니다. 필요한 경우 고출력 UHF 증폭기를 사용하십시오.

여기서 우리는 최대 출력이 37DBM이고 게인이 40데시벨인 미니 회로 zw 5개의 증폭기를 사용하고 있습니다. 음향 역류를 조사하기 위해 총 출력 전력이 최소 25DBM에 도달할 수 있는 것이 중요합니다. 장치를 실행하는 동안 음향 역류 없이 음향 스트리밍 및 분무 현상을 관찰합니다.

저전력에서 일반적으로 음향 스트리밍 재순환은 0 DBM에서 시작되고 분무는 14 DBM 이상에서 발생합니다. 다음으로, 10에서 500 나노미터 마이크로 비드를 밀리리터당 10번째 입자에 추가하고 실험 전에 15초 동안 용액을 볼텍싱하여 시각화를 위해 마이크로비드 로딩 유체를 준비합니다. 그런 다음 60마이크로리터의 마이크로비드 현탁액을 챔버에 로드합니다.

마이크로 피펫 유체를 천천히 사용하면 기판에 입자가 부착될 수 있는 것을 방지하기 위해 마이크로 챔버로 수동적으로 확산되고 로드하는 동안 장치에 0 DBM 신호를 적용합니다. 현미경을 통해 비디오 녹화를 시작하고 음향 카운터 흐름을 관찰하기 위해 작동력을 높입니다. 다양한 흐름 방식은 입력 전력, 칩 설계 및 입자 직경에 따라 결정됩니다.

역학을 정성적으로 포착하려면 마커를 공간 참조로 사용하여 채널 채우기의 여러 단계에서 반월판과 입구 근처의 유체 흐름을 기록하십시오. 그런 다음 정확한 결과를 위해 함께 제공되는 텍스트 프로토콜에서 참조된 대로 미립자 이미지, VE 비대칭 또는 공간 시간 이미지 상관 분광법으로 입자 역학을 정량적으로 측정합니다. 입자 역학에 의해 부과된 프레임 속도로 최소 100프레임 동안 고정된 시야를 사용하여 관심 지점의 유체 흐름을 기록합니다.

유선과 속도장 측정을 얻기 위한 보다 복잡한 분석의 경우, 표시된 맞춤형 미립자 이미지 대칭 또는 공간 시간 이미지 상관 분광법 코드를 사용하십시오. 다음은 리튬 ate 층의 결합 전에 취한 일반적인 S 11 및 S 12 스펙트럼입니다. 두 스펙트럼의 공진 주파수는 95MHz에서 볼 수 있습니다.

S 11 스펙트럼의 중심 주파수에서 계곡의 깊이는 표면 음파, 기계적 전력에서 RF 전력의 변환 효율성과 관련이 있습니다. 따라서 밸리 최소값을 줄이면 장치를 작동하는 데 필요한 전력이 감소합니다. S 12 스펙트럼의 최대는 RF 전력 및 표면 음파 기계적 전력의 변환 효율 및 지연선을 따른 파동의 감쇠와 관련이 있습니다.

이 값의 감소는 파동 지연선의 정렬 불량 또는 균열과 같은 결함으로 인해 발생할 수 있습니다. 표시. 다음은 500나노미터 라텍스 속도를 사용하여 관찰된 4가지 특징적인 흐름 패턴입니다. 맨 위의 두 이미지는 채널 입구에서 다른 결과를 보여줍니다.

왼쪽에서는 채널이 부분적으로 채워질 때 일정 시간이 지난 후 층류가 달성되는 채널 채우기의 시작 부분에서 음향 스트리밍 현상으로 인해 두 개의 대칭 소용돌이가 관찰됩니다. 여기에 표시된 이미지는 반월판 근처에서 찍은 것입니다. 채널이 부분적으로 채워지면 왼쪽에서 입자가 선으로 축적되고 반월판과 같은 속도로 이동하는 것이 관찰됩니다.

이것은 입자 역학이 오른쪽의 음향 방사선 힘에 의해 지배될 때 발생합니다. 드래그 포스(drag force)와 어쿠스틱 스트리밍(acoustic streaming)의 우세가 여기에서 관찰됩니다. 입자는 두 개의 소용돌이를 삼키고 반월판에서 300미크론 이내의 띠에만 축적되며 기판 표면 가까이에 위치합니다.

이러한 절차를 수행하는 동안 제작에서 작동에 이르기까지 실험의 모든 단계에서 장치를 매우 깨끗하게 유지하는 것을 기억하는 것이 매우 중요합니다. 이 비디오를 시청한 후에는 표면 음파 장치를 제작하고 테스트하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. PDMS 미세유체역학(microfluidics)으로 작업하고 거시유체 흐름(macrofluidic flows)을 시각화 및 해석합니다.