Wykorzystując znany odwrócony efekt piezoelektryczny, w którym dipole atomowe generują odkształcenie odpowiadające przyłożonemu polu elektrycznemu, kryształy piezoelektryczne, takie jak niobian litu LiNbO3 (LN) czy tantalan litu LiTaO3 (LT), mogą być stosowane jako przetworniki elektromechaniczne do generowania SAW w zastosowaniach w skali mikro1,2,3,4,5,6. Umożliwiając generowanie przemieszczeń do 1 nm przy częstotliwościach 10-1000 MHz, wibracje wywołane przez SAW pokonują typowe ograniczenia tradycyjnego ultradźwięku: małe przyspieszenie, duże długości fal oraz duże rozmiary urządzeń. Badania nad manipulacją płynami i zawieszonymi cząstkami nabrały w ostatnim czasie tempa, co potwierdza liczna liczba aktualnych i dostępnych przeglądów literatury7,8,9,10.
Wytwarzanie urządzeń mikrofluidycznych zintegrowanych z falami akustycznymi powierzchniowymi (SAW) wymaga naniesienia elektrod — przetwornika interdigitalnego (IDT)11 — na podłoże piezoelektryczne w celu generowania fal SAW. Palce o kształcie grzebienia tworzą obszary sprężania i rozciągania w podłożu po podłączeniu przemiennego sygnału elektrycznego. Proces wytwarzania urządzeń SAW został przedstawiony w wielu publikacjach, zarówno z wykorzystaniem litografii UV z techniką lift-off wraz z napylaniem metali, jak i metod trawienia mokrego10. Jednak brak wiedzy i umiejętności w zakresie wytwarzania tych urządzeń wciąż stanowi kluczową barierę wejścia w dziedzinę akustofluidyki dla wielu grup badawczych. W technice lift-off12,13,14 na powierzchni tworzy się warstwę poświęcalną (fotorezyst) o odwróconym wzorze, tak aby po nałożeniu materiału docelowego (metalu) na cały wafer, mógł on dotrzeć do podłoża w pożądanych obszarach, po czym następuje etap „lift-off” w celu usunięcia pozostałego fotorezystu. Z kolei w procesie trawienia mokrego15,16,17,18 metal jest najpierw nanoszony na wafer, a następnie na metalu tworzy się fotorezyst o bezpośrednim wzorze, aby chronić pożądany obszar przed „wytrawieniem” przez trawienie metalu.
W najczęściej stosowanej konstrukcji, czyli prostym IDT, długość fali częstotliwości rezonansowej urządzenia SAW jest zdefiniowana przez okresowość par palców, gdzie szerokość palca oraz odstęp między palcami wynoszą
/419. Aby zrównoważyć wydajność transmisji prądu elektrycznego oraz efekt obciążenia masowego podłoża, grubość metalu osadzonego na materiale piezoelektrycznym optymalizuje się do poziomu około 1% długości fali SAW20. W przypadku osadzenia niewystarczającej ilości metalu może dojść do lokalnego nagrzewania spowodowanego stratami omowymi21, co potencjalnie może prowadzić do przedwczesnego uszkodzenia palców. Z drugiej strony, nadmiernie gruba warstwa metalu może spowodować obniżenie częstotliwości rezonansowej IDT ze względu na efekt obciążenia masowego i może potencjalnie doprowadzić do powstania niezamierzonych wnęk akustycznych w IDT, izolując generowane przez nie fale akustyczne od otaczającego podłoża. W konsekwencji, dobierane parametry fotorezystu i naświetlania UV różnią się w technice lift-off w zależności od różnych konstrukcji urządzeń SAW, a zwłaszcza od częstotliwości. Poniżej szczegółowo opisujemy proces lift-off w celu wytworzenia urządzenia generującego SAW o częstotliwości 100 MHz na obustronnie polerowanym waflu LN o grubości 0,5 mm i cięciu 128° Y-rotated, a także proces trawienia mokrego w celu wykonania urządzenia 100 MHz o identycznej konstrukcji. Nasze podejście oferuje system mikrofluidyczny umożliwiający badanie różnorodnych problemów fizycznych i zastosowań biologicznych.