基于声表面波技术的微流体混合及仿真*

郑 利，张 正，李 丹，艾 林，曾 谦，朱红伟，国世上

(武汉大学物理科学与技术学院，人工微纳结构教育部重点实验室，武汉430072)

微流控芯片(又称微全分析系统或芯片实验室)，现在已经广泛用于化学合成、生物化学分析、药物筛选、DNA测序等领域［1］。这些应用需要快速、有效的混合微流体，然而由于大多数微流控芯片的雷诺系数很低，流体在微流控芯片中主要是层流流动，不同物质的混合主要靠分子扩散，过程很缓慢，难以满足需要快速混合的要求［2］。因此大多数快速混合借助外力，比如，流体动力，介电泳力，电场力、声场力等［3］。其中，声能作用下的微流体混合因其器件制作简单，操作容易，反应快速而引起人们的关注［4-5］。

声表面波(SAW Surface Acoustic Wave)技术是20世纪60年代发展起来的一门新兴技术，是声学和电子学相结合的产物。声表面波器件由于其自身的优势，在微流体混合方面有了很好的应用。Sritharan［6］介绍利用平行声表面波在微米级别的微流沟道中进行混合，Shilton［7］报道了利用聚焦声表面波在微液滴中提高混合的效率。但是目前国内对于声表面波的仿真还很少见，而理论研究对于微流控芯片的研究又有很重要的意义。本文通过COMSOL模拟聚焦叉指换能器和平行叉指换能器的声辐射的理论分布，并通过对比来说明聚焦叉指换能器的聚焦能力。设计制作了聚焦声表面波器件并进行了验证。

1 实验

1.1 基本原理

叉指换能器是声表面波器件的关键。图1所示为叉指换能器的结构示意图。叉指换能器包括两个叉指形状的金属图案(右上)和位于其下的压电材料基底。两个叉指电极分别作为输入换能器和输出换能器。其中电极宽度为p且等于两电极之间的距离(如图所示)。叉指换能器是根据逆压电效应，将输入的电信号转化为声波，声波沿着垂直于电极的方向传播。产生声波的波长等于电极宽度的四倍即等于4p。产生的声波频率等于施加的电场信号的频率。当声波到达输出换能器时根据压电效应将到达的声信号转化为电信号［8］。

图1 叉指换能器结构示意图

其中，Vl和VS分别是声波在液滴和基底里的传播速度。漏声表面波按角度θR辐射能量，产生一个声辐射压力，这个力促使液滴沿着声表面波传播的方向运动［9-11］。

当输入换能器产生的声表面波进入液滴时，会驱动液滴流动。其工作原理如图2所示。当声波临近液滴时，产生漏声表面波，并以一定的角度θR进入液滴，根据瑞利定律:

图2 声表面波驱动液滴原理图

1.2 数值模拟声表面波传播

使用压电本构方程来描述声表面波的产生［12-13］:

其中，T为应力，C为弹性劲度常数，E为电场强度，e表示压电常数矩阵，D为电位移，S表示应变，ε为介电常数矩阵，上标T表示矩阵的转置。

有限元法是研究声表面波换能器激励中的一种常用的方法。在压电理论的基础上，使用有限元模拟分析软件COMSOL Multiphysics来模拟叉指换能器在LiNbO3表面形成的声表面波。数值模拟中使用的基底材料是LiNbO3，所需的物理参数从软件的材料库中直接导入。采用的几何尺寸为:基底长、宽、高分别为0.001 8 m、0.001 76 m、0.000 19 m，电极宽度为48.75 μm。换能器上施加的电压为10 V，频率为20 MHz，声波在LiNbO3中的传播速度为3 900 m/s。

1.3 芯片制作

使用软光刻工艺及磁控溅射工艺制作叉指换能器，光刻胶是AZ50XT。先设计出聚焦叉指电极图形，经过菲林输出打印模板，在LiNbO3基底上光刻出图案，然后利用磁控溅射在光刻胶上溅射一层5 nm的铬和100 nm的金。最后将剩余的光刻胶去除，就得到叉指换能器，实物图形如图3所示，电极宽度为60 μm，其中最里面的电极距离中心为0.005 5 m，整个电极的夹角为50°，共有18对电极。

图3 聚焦叉指换能器

1.4 实验观测

实验中交流电信号经信号发生器(81150A，Agilent.Inc，USA)、功率放大器(Model 25A250A，AR，Inc，USA)连接到芯片上的叉指电极。整个实验过程通过倒置荧光显微镜(IX71，Olympus，Japan)和CCD高速摄像机(Evolution VF，Media Cybernetics，Inc.)观察，并且拍摄动态图像。实验装置图如图4所示。

图4 混合实验装置图

2 结果与讨论

2.1 数值模拟结果与讨论

使用COMSOL模拟声表面波在LiNbO3晶体上的形成、传播、分布，并对结果进行分析，结果如图5～图7所示。其中图5为声表面波在LiNbO3晶体上传播示意图，图5(a)为聚焦叉指电极形成的声表面波，图5(b)为平行叉指电极形成的声表面波。图6为沿传播方向的切面图，其中图6(a)为聚焦叉指电极在聚焦点处获得，图6(b)为平行叉指电极在相同位置取得。这两组图通过SAW振幅的分布来表征声波的传播。这两组图可以形象的说明聚焦叉指换能器将能量聚焦在一个很小的范围，而平行叉指则没有聚焦作用。为了更加准确的说明聚焦叉指换能器的聚焦作用，图7显示了在图6过聚焦点平行于切面沿换能器的上表面位移图。从图7(a)可以看出聚焦换能器能量主要集中在0.2 mm～0.6 mm这一范围，其中电极整个宽度为1.8 mm，而平行叉指则沿电极近似均匀分布，如图7(b)。从峰值也可以说明这一问题，前者约为1.096×10-9m，后者约为3.028×10-10m。而微流控芯片的尺寸一般较小，所以聚焦叉指换能器由于其良好的聚焦作用，可以更快更高效的混合流体。

图5 声表面波在LiNbO3晶体上传播的示意图

图6 沿传播方向在聚焦点处的切面图

2.2 实验结果

图7 声波在聚焦点平行于切面沿电极的上表面位移图

采用2 μm的聚苯乙烯(Polystyrene，PS)球和去离子水来观察混合现象。将含有PS球的液滴放到聚焦换能器的聚焦区域，加上电信号观察实验现象，使用的电信号频率为19.2 MHz，电压为10 V。实验时先加上电信号，观察一段时间后，切掉电信号，通过CCD记录实验现象。实验结果如图8所示。图8(a)为未加电信号时，由于PS球与去离子水互不相溶，PS球团聚在一起。图8(b)和8(c)是加上信号1 s和2 s后的实验图。此时由图可以看到PS球与水在加上信号后不到1 s，由于聚焦叉指电极的聚焦作用，PS球随着水滴旋转，时间越久，旋转的越剧烈，PS球在去离子水里面的分散性越好。图8(d)为去掉信号后，PS球恢复未加信号时的团聚状态。若是用于两种液体混合，在很短的时间内可以达到非常均匀的混合效果。此类装置在化学合成、生物化学分析、药物筛选等方面具有很大的应用潜力。

图8 混合实验结果图

3 结论

聚焦叉指换能器微流控芯片提供了一种快速混合的新方式。实验结果说明，利用聚焦叉指换能器制作的微流控芯片，由于其声场能量聚焦能力强和集成度高，相对传统方法叉指换能器能更高效混合。通过模拟也验证了聚焦换能器的聚焦作用。

［1］林炳承，秦建华.微流控芯片实验室［M］.北京:科学出版社，2006.1-11.

［2］Whitesides G M.The Origins and the Future of Microfluidics［J］.Nature，2006，442:368-373.

［3］Hessel V，Löwe H，Schönfeld F.Micromixers-a Review on Passive and Active Mixing Principles［J］.Chemical Engineering Science，2005，60:2479-2501.

［4］Shilton R，Tan M K，Yeo L Y，et al.Particle Concentration and Mixing in Microdrops Driven by Focused Surface Acoustic Waves［J］.Journal of Applied Physics，2008 104:014910.

［5］Wei-Kuo Tseng，Wang-Chou Sung，Jr-Lung Lin，et al.Active Micro-Mixers using Surface Acoustic Waves on Y-Cut 128°LiNbO3［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2006，16:539-548.

［6］Sritharan K，Strobl C J，Schneider M F，et al.Acoustic Mixing at Low Reynold’s Numbers［J］，Applied Physics letter，2006，88:054102.

［7］Shilton R，Tan M K，Yeo L Y，et al.Particle Concentration and Mixing in Microdrops Driven by Focused Surface Acoustic Waves［J］.Journal of Applied Physics，2008，104(1):014910.

［8］Michael J Vellekoop.Acoustic Wave Sensors and Their Technology［J］.Ultrasonics，1998，36:7-17.

［9］章安良，费景臣.声表面波驱动微流体研究［J］.传感技术学报，2009，21(10):1808-1811.

［10］Trung-Dung Luong，Vinh-Nguyen Phan，Nam-Trung Nguyen.High-Throughput Micromixers Based on Acoustic Streaming Induced by Surface Acoustic Wave［J］.Microfluid Nanofluid，2011，10:619-625.

［11］章安良，费景臣.基于压电基片微液滴间隙式驱动研究［J］.传感技术学报，2009，22(2):155-159.

［12］张永刚.声表面波换能器激励的有限元仿真［J］.声学技术，2009，28(5):678-681.

［13］Reetu Singh，Subramanian K R S Sankaranarayanan，Venkat R Bhethanabotla.Enhancement of Acoustic Streaming Induced Flow on a Focused Surface Acoustic Wave Device:Implications for Biosensing and Microfluidics［J］.Journal of Applied Physics，2010，107:024503-02503-9.