Fabricação, Operação e Visualização de Fluxo em superfície acústico de ondas orientadas Microfluidics acústico contrafluxo

O objetivo geral do experimento a seguir é mostrar a operação de fabricação do dispositivo e a subsequente visualização do fluxo de um dispositivo de contrafluxo microfluídico acústico de superfície acionado por ondas. Isso é conseguido primeiro fabricando o dispositivo de duas camadas composto por uma camada de onda acústica de superfície ovada de lítio com padrão dourado e uma camada de microcanal de polimetil xin. Como segunda etapa, o dispositivo é testado com um analisador de rede para garantir o funcionamento adequado do transdutor interdigital, bem como para encontrar a frequência de ressonância na qual executar o dispositivo de contrafluxo.

Em seguida, a entrada do dispositivo é carregada com fluido semeado por microesferas e um sinal de RF é aplicado ao transdutor interdigital na saída. O fluxo de canal resultante é registrado com um microscópio de alta velocidade para que os resultados da análise sejam obtidos para mostrar vários esquemas de fluxo, que dependem principalmente das geometrias do dispositivo e da potência aplicada. Embora este método seja direcionado para a fabricação e operação dos dispositivos de fluxo de controle acústico, o procedimento deste vídeo também pode ser aplicado para a fabricação e operação de outros dispositivos microfluídicos acionados por ondas acústicas de superfície, como microfluídica, bombas misturadoras e otimizador.

Geralmente, indivíduos novos neste método podem ter dificuldades, pois há muitos aspectos diferentes da operação e análise de fabricação que precisam ser dominados ao trabalhar com microfluídica de ondas acústicas de superfície. Para começar, crie um dispositivo microfluídico conforme descrito no protocolo escrito que acompanha usando duas máscaras fotográficas separadas, uma para a camada de onda acústica da superfície mostrada em rosa e uma segunda para o molde de microcanal mostrado em amarelo. Uma vez que o dispositivo básico tenha sido fabricado, adicione uma fotorresistência negativa, como ARN 43 40, e exponha a área do microcanal usando técnicas litográficas ópticas.

Em seguida, ative a superfície da amostra exposta usando dois minutos de plasma de oxigênio a 0,14 milibar e 100 watts para fornecer uma tensão de polarização de aproximadamente 450 volts. Em seguida, misture 35 mililitros de he aec, 15 mililitros de tetracloreto de carbono e 20 microlitros de tricloroetileno dessalinizador Okta em um béquer dentro de uma capela de exaustão. Coloque o dispositivo na solução para izar a superfície e torná-la hidrofóbica.

Deixe o dispositivo na solução coberta por duas horas e, em seguida, lave-o com isopropanol e seque-o sob nitrogênio. Depois de seco, verifique se o ângulo de contato da água na superfície está acima de 90 graus. Se o ângulo de contato for insuficiente, limpe a amostra e redimensione a superfície novamente.

Caso contrário, remova o fotorresistente residual com acetona, depois enxágue com isopropanol e seque com uma pistola de nitrogênio. Em seguida, depois de montar a amostra em uma placa de circuito impresso com guias de onda de radiofrequência e conectores coaxiais padrão, coloque um polímero absorvedor acústico nas bordas da amostra e conecte os transdutores interdigitais por ligação de fio ou usando conectores POGO conforme mostrado aqui. Em seguida, prepare a camada PDMS padronizada contendo um canal com as dimensões desejadas, conforme descrito no protocolo de texto que acompanha.

Depois de curado, corte ao redor do canal usando uma lâmina cirúrgica, tomando cuidado para não danificar o molde mestre e retirá-lo. Em seguida, refine e endireite as bordas da réplica usando uma lâmina de barbear. Certifique-se de deixar pelo menos dois milímetros de folga na lateral do canal e nenhuma folga na saída do canal, cortando a amostra.

Em seguida, faça um furo na microcâmara usando um perfurador de unicórnio Harris para formar a entrada de carregamento de fluido e retirar o cilindro. Em seguida, cole o canal PDMS com o substrato ovado de lítio por ligação isolante simples usando um microscópio para alinhamento. Desta forma, a ligação se manterá durante o estágio de teste de fluido, permanecendo reversível.

Teste o dispositivo de RF conectando primeiro a linha de atraso da onda acústica de superfície às portas de um analisador de espectro e meça a matriz de dispersão do dispositivo. A transmissão de um par de transdutores de eletrodo único será semelhante ao valor absoluto de uma função de sincronização centrada na frequência de operação do transdutor interdigital. Em seguida, observe o espectro de reflexão.

Uma queda no espectro de reflexão ocorre na mesma frequência que o pico na transmissão em dispositivos operando a 100 megahertz ao longo do eixo maior. Os valores típicos são menos oito decibéis para S 11 e S 22 e menos 20 decibéis para S 12 sem canais PDMS. Para melhor visualizar a dinâmica do fluxo, coloque a amostra sob um microscópio.

A configuração óptica específica depende dos fenômenos microfluídicos de ondas acústicas de superfície a serem observados. Para estudar a dinâmica de enchimento de fluidos, use um microscópio invertido simples equipado com uma objetiva Forex e uma câmera de vídeo de 30 quadros por segundo. No entanto, para investigar a dinâmica de micropartículas mais complexa, use uma objetiva de 20x e uma câmera de vídeo de 100 FPS ou superior.

É importante que a objetiva e a taxa de quadros sejam altas o suficiente para capturar quaisquer recursos de fluxo espacial e temporalmente importantes. Em seguida, conecte os transdutores interdigitais na frente da saída do canal a um gerador e amplificador de sinal de RF e operados na frequência ressonante observada nas medições da matriz de espalhamento. Se necessário, use um amplificador UHF de alta potência.

Aqui estamos usando um mini circuito zw cinco amplificador com uma saída máxima de 37 DBM e um ganho de 40 decibéis. É importante que a potência total de saída possa atingir pelo menos 25 DBM para investigar o contrafluxo acústico. Observe os fenômenos de fluxo acústico e atomização sem contrafluxo acústico durante a execução do dispositivo.

Em menor potência, normalmente a recirculação do fluxo acústico começa em zero DBM e a atomização ocorre acima de 14 DBM. Em seguida, prepare o fluido de carregamento de microesferas para visualização adicionando microesferas de 500 nanômetros a 10 a 10 partículas por mililitro e agitando a solução por 15 segundos antes dos experimentos. Em seguida, carregue 60 microlitros da suspensão de microesferas na câmara.

Lentamente, o uso de um fluido de micropipeta se difundirá passivamente na microcâmara para evitar possível adesão de partículas no substrato, aplique um sinal DBM zero ao dispositivo durante o carregamento. Comece a gravar o vídeo através do microscópio e aumente a potência operacional para observar o contrafluxo acústico. Diferentes esquemas de fluxo serão determinados pela potência de entrada, design do chip e diâmetro da partícula.

Para capturar qualitativamente a dinâmica, registre o fluxo de fluido nas proximidades do menisco e da entrada em diferentes estágios de preenchimento do canal, usando marcadores como referência espacial. Em seguida, quantitativamente, meça a dinâmica das partículas por imagem de micropartículas, assimetria VE ou espectroscopia de correlação de imagem espaço-temporal, conforme referenciado no protocolo de texto que acompanha para obter resultados precisos. Registre o fluxo de fluido no ponto de interesse com um campo de visão fixo para pelo menos 100 quadros a uma taxa de quadros imposta pela dinâmica das partículas.

Para análises mais complicadas para obter linhas de fluxo e medições de campo de velocidade, use a simetria de imagem de micropartículas personalizada ou o código de espectroscopia de correlação de imagem espaço-temporal mostrado. Aqui estão os espectros típicos de S 11 e S 12 obtidos antes da ligação da camada de lítio. A frequência de ressonância nos dois espectros pode ser vista em 95 megahertz.

A profundidade do vale na frequência central no espectro S 11 está relacionada à eficiência da conversão da potência de RF na potência mecânica da onda acústica de superfície. Portanto, uma redução no mínimo do vale resultará em uma redução da potência necessária para operar o dispositivo. O máximo do espectro S 12 está relacionado à eficiência de conversão da potência de RF e potência mecânica da onda acústica de superfície e à atenuação da onda ao longo da linha de atraso.

A redução desse valor pode resultar de defeitos como desalinhamento da linha de atraso da onda ou rachaduras. Mostrado. Aqui estão quatro padrões de fluxo característicos diferentes observados usando velocidades de látex de 500 nanômetros. As duas imagens superiores mostram resultados diferentes na entrada do canal.

À esquerda, dois vórtices simétricos são observados devido aos fenômenos de fluxo acústico no início do enchimento do canal após algum tempo, quando o canal está parcialmente preenchido, o fluxo laminar é alcançado. As imagens mostradas aqui são da proximidade do menisco. Quando o canal é parcialmente preenchido à esquerda, observam-se partículas acumulando-se em linhas e movendo-se na mesma velocidade do menisco.

Isso ocorre quando a dinâmica das partículas é dominada pela força da radiação acústica à direita. A dominância da força de arrasto e do fluxo acústico é observada aqui. As partículas engolem dois vórtices e se acumulam apenas em bandas dentro de 300 mícrons do menisco e estão localizadas perto da superfície do substrato.

Ao participar desses procedimentos, é muito importante lembrar de manter o dispositivo muito limpo em todas as etapas do experimento, desde a fabricação até a operação. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como fabricar e testar dispositivos de ondas acústicas de superfície. Trabalhe com microfluídica PDMS e visualize e analise fluxos macrofluídicos.