CN107979352A - 一种薄膜体声波微流控混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种薄膜体声波微流控混合装置。该装置包括：至少一个体声波产生部件，包括依次设置的底电极、压电层及顶电极；与体声波产生部件的一面接触设置的声波反射部；所述底电极、压电层、顶电极及声波反射部相重叠区域构成体声波产生区域；用于支撑所述体声波产生部件的底衬层；至少一个流道，其流道腔体的部分区域覆盖了至少一个体声波产生区域的声波作用区域。由上，本申请能够实现在无需气泡辅助的情况下直接产生封闭式的涡流，有效地实现微流控系统中的混合。

Description

一种薄膜体声波微流控混合装置

技术领域

本发明涉及微电子器件领域，特别是指一种薄膜体声波微流控混合装置。

背景技术

近二十年来，微纳流控芯片技术在分子检测、微化学合成、生命科学等众多领域得到了广泛地关注和应用。在微米尺度乃至纳米尺度下，流体表现出了低雷诺数的层流特性。在此条件下，不同流体之间的混合主要依赖分子的扩散，因此这个过程十分缓慢。在微流控系统中，实现分子的高效快速混合，一直是该领域一个持久的主题。混合对于物质的在线合成是必备前提。同时。已有研究证明，混合时间到达毫秒甚至亚毫秒时，有助于观测到蛋白折叠的初始过程，而且具有改变化学反应进程的潜力。因此，在微流控环境下，实现高速、高效混合是研究者们研究的热点之一。

目前已经发展了各种各样的微流控混合器。根据混合方式的不同，主要分为被动式混合器和主动式混合器。混合式混合器主要利用了特殊的流道结构，在高速流动的液体中产生二次涡流。这种技术的主要特点是混合性能依赖于流道结构，需要非常高的流速。人们将电场、磁场、声场等外界物理场引入微流控系统，目前发展了一系列主动式的混合器。其中，基于电场的混合手段主要是电泳、电渗透等技术，这种技术对流体的电学特性有着一定的要求，因此比较有局限性。利用磁性微球辅助的磁场混合手段也存在效率较低、操作不便等问题。将声波引入微流控系统中的流体，利用声流体效应产生流体的扰动，进而促进混合也被广泛地研究。值得一提的是，声波操作流体是一种非浸入式的方式，而且不会依赖流体的物理性质，因此具有更加广泛地应用前景。目前，基于声场的微流控混合器主要有微气泡混合器。微气泡混合器通过外界声场，激励嵌入微流控系统的微米级气泡，使之表面发生振动，进而扰动液体。振动的微气泡可以在气泡附近产生封闭的涡流，可以高效地混合流体。但是，这项技术受限于以下因素：一是微气泡的产生于嵌入是一项技术性较强的工作，很不方便；二是气泡稳定存在的时间一般较短，且在流体中很不稳定。因此，这项技术难以推广使用，而且要求流体流速必须在较低范围内。

一直以来，在微流控系统中，都尚未解决在无需气泡辅助的情况下如何直接产生封闭式的涡流，有效地实现微流控系统中的混合的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种薄膜体声波微流控混合装置，以实现无需气泡辅助的情况下直接产生封闭式的涡流，有效地实现微流控系统中的混合。

本发明提供一种薄膜体声波微流控混合装置，包括：

至少一个体声波产生部件，包括依次设置的底电极、压电层及顶电极；

与体声波产生部件的一面接触设置的声波反射部；

所述底电极、压电层、顶电极及声波反射部相重叠区域构成体声波产生区域；

用于支撑所述体声波产生部件的底衬层；

至少一个流道，其流道腔体的部分区域覆盖了至少一个体声波产生区域的声波作用区域。

由上，能够实现无需气泡辅助的情况下在流道腔体中直接产生封闭式的涡流，有效地实现微流控系统中的混合。

优选地，所述流道腔体的水平面投影面积与体声波产生区域的水平面投影面积之比大于或等于10％。

由上，此处投影面积等于10％是综合考虑了实际器件的加工难易度及混合效果后的数值。

优选地，所述声波反射部包括：设置在体声波产生部件与底衬之间的不同的声阻抗层。

优选地，所述声阻抗层包括：低声阻抗层和高声阻抗层；

其中，所述低声阻抗层和所述高声阻抗层相间叠加设置；

相邻的所述低声阻抗层和高声阻抗层为一组，该组数设置为大于或等于三。

由上，有利于进行声波反射。

优选地，所述声波反射部包括：在所述底衬上形成的空腔，该空腔背向体声波产生部件的一面开放或被底衬所封闭设置。

优选地，所述流道腔体与空腔的腔体一体共用。

由上，有利于在产生较好的混合效果的前提下，节省制作薄膜体声波微流控混合器的制作工艺和制作效率。

优选地，所述流道设置于与声波反射部相对的体声波产生部件的一面。

优选地，所述流道腔体的部分区域覆盖了至少两个体声波产生区域的声波作用区域；

由上，有利于产生较好的混合效果。

不同的体声波产生区域的位置可如下之一或任意组合设置：

沿着流道流体流动方向指定距离排列设置；

垂直于流道流体流动方向指定距离排列设置；

沿着流道流体流动方向偏转一定度角方向指定距离排列设置。

由上，通过对体声波产生区域进行不同的排列设置，有利于产生较好的混合效果。

优选地，所述流道腔体高度为10nm-10mm。

由上，在此区间范围内微流混合器的混合效果显著。

优选地，所述体声波产生部件为工作频率设置为0.5-50GHz的薄膜体声波谐振器或兰姆声波谐振器。

由上，在该频率范围内能够实现显著的混合效果。

由上可以看出，本发明提供了一种薄膜体声波微流控混合装置，实现了无需气泡辅助的直接产生封闭式的涡流，有效地实现微流控系统中的混合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的薄膜体声波微流控混合装置的立体图结构示意图；

图2为图1所示的薄膜体声波微流控混合装置的截面图；

图3为本发明实施例的薄膜体声波微流控混合装置第二实施例的结构示意图；

图4为本发明实施例的薄膜体声波微流控混合装置第三实施例的结构示意图；

图5为本发明实施例的薄膜体声波微流控混合装置第四实施例的结构示意图；

图6为本发明实施例的流道与薄膜体声波产生区域的俯视图；

图7为本发明实施例的混合装置的混合指数与混合器工作功率之间的关系图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的区间。

为克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种薄膜体声波微流控混合装置，实现了无需气泡辅助的情况下，直接产生封闭式的涡流，有效地实现微流控系统中的混合。

实施例一

在本实施例的具体实施过程中，流道的特征尺度主要在微米级，因此流道又称微流道。微流道是微流控系统的基本组成单元，是流体操作的载体。如图1所示，为本发明所提出的薄膜体声波微流控混合装置的三维示意图。不同的流体样品从M口进入微流道，从N口流出。流体流经薄膜体声波产生区域(即图1中微流道中示出的方块区域)上方。图2为图1中的薄膜体声波产生区域中心位置，沿着垂直于微流道中微流体流通方向的横截面示意图。如图2所示，该薄膜体声波微流控混合装置，包括：

底衬层21，其构成材料可以为：硅、二氧化硅、玻璃、砷化镓、PDMS、派瑞林等材料及同类材料。

设置于所述底衬层21上的声波反射层22；其中，本实施例的所述声波反射层为声阻抗层。所述声阻抗层包括：低声阻抗层221和高声阻抗层222。其中，所述低声阻抗层和所述高声阻抗层相间叠加设置。一层所述低声阻抗层和一层所述高声阻抗层为一组，该组数设置为大于或等于三。高声阻抗层221和低声阻抗层222则可以由声阻抗不同的硅、二氧化硅、氮化铝、钼等金属、派瑞林等材料搭配组成。

设置于所述声波反射层22上的底电极层23；底电极层23可由金、铝、钼、铁、钛、铜等金属及合金等材料组成。所述底电极层的厚度为800A，此处的厚度单位A的中文名称为埃，其含义为1A等于十分之一纳米。

设置于所述底电极层23上的压电层24；压电层24可以由氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、铌酸锂等压电材料构成。所述压电层厚度为100A-100000A，此处的厚度单位A的中文名称为埃，其含义为1A等于十分之一纳米。

设置于所述压电层上的顶电极层25。顶电极层23可由金、铝、钼、铁、钛、铜等金属及合金等材料组成。所述顶电极的厚度为2000A，此处的厚度单位A的中文名称为埃，其含义为1A等于十分之一纳米。

至少一个流道结构26；所述流道结构的流道腔体261覆盖接触设置在所述声波反射层22、底电极层23、压电层24、顶电极层25彼此叠加形成的体声波产生区域之上。

其中，所述体声波产生区域的数量大于或等于1。

如图6所示，所述薄膜体声波微流控混合装置的俯视图。图6中示出薄膜体声波产生区域62在水平方向的投影面积与微流道61的投影面积的比例关系，以及体声波产生区域的相对位置的设置方式，具体为：

当所述体声波产生区域的数量为2时，所述体声波产生区域的相对位置的设置方式为：

沿着流道流体流动方向按照指定距离并排排列设置；或，

在垂直于流道流体流动方向按照指定距离并排排列设置；或，

在沿着流道流体流动方向和垂直于流道流体流动方向的中间的45度角方向上，按照指定距离并排排列设置。

当所述体声波产生区域的数量大于2时，所述体声波产生区域的相对位置的设置方式至少包括但不限于以下其一：

沿着流道流体流动方向按照指定距离并排排列设置；

在垂直于流道流体流动方向按照指定距离并排排列设置；

和\或，

在沿着流道流体流动方向和垂直于流道流体流动方向的中间的45度角方向上，按照指定距离并排排列设置。

其中，所述流道腔体的水平方向投影面积与体声波产生区域在水平方向的投影面积之比大于或等于10％。此处投影面积等于10％是综合考虑了实际器件的加工难易度及混合效果后的数值。

优选地，流道腔体的水平方向投影面积与体声波产生区域在水平方向的投影面积之比大于或等于100％。

其中，所述流道腔体高度为10nm-10mm。在此区间范围内，混合效果显著。优选地，所述流道腔体高度为10um-1mm。在10um-1mm之间的区间范围内，混合效果的显著度随着高度的增加而增加。

其中，本实施例的装置于所述体声波产生区域产生体声波的工作频率为0.5-50GHz。在该频率范围内能够实现显著的混合效果。

微流道的加工方式主要有两种。第一种是利用材料为玻璃、金属以及PDMS、PMMA、水凝胶等有机聚合物构成的微流道结构，将其键合或者按压在薄膜体声波产生器件的表面。第二种是通过提前在微流道腔体中填充牺牲层，然后在牺牲层上沉积二氧化硅，氮化铝、派瑞林，SU-8，以及金属及金属氧化物构成微流道结构26.最后采用释放牺牲层的方式形成微流道腔体261。

当不同的流体样品流经薄膜体声波产生区域上方时，通过对本薄膜体声波微流控混合装置施加电学激励信号，激励所述薄膜体声波微流控混合装置的多层结构(即向底电极层23和顶电极层23通电作用于压电层24)，就会在薄膜体声波产生区域上方由声波作用于所述流体产生封闭式的涡流，实现微流体的快速、高效混合。流过薄膜体声波产生区域上方即为已经混合的流体。

实验效果

如图7所示，示出了薄膜体声波微流控混合装置的实施例一所实现的混合效果。在Peclet数值为2960时的混合因数随着施加功率的变化图。由图7可见，在较低功率(几瓦特以下)范围内，可以实现混合效率90％左右的结果。

此外，在未示出的实施例中，由于实际的需要，可以在薄膜体声波产生区域上方封装没有顶盖的流道腔体，同样可以实现本发明所实现的功能。因此没有加顶盖的微流道形成的薄膜体声波微流控混合装置也在本发明的保护范围之内。

实施例二

如图3所示，本申请实施例还提供了一种薄膜体声波微流控混合装置，包括：

底衬层31，设置于所述底衬层内的声波反射层32；接触设置于所述声波反射层上的底电极层33；设置于所述底电极层上的压电层34；设置于所述压电层上的顶电极层35；

至少一个流道结构36；所述流道结构的流道腔体361覆盖接触设置在所述声波反射层、底电极层、压电层、顶电极层彼此叠加形成的体声波产生区域之上。

本实施例的微流控混合装置与实施例一中混合装置的不同之处在于：

本实施例的混合装置的声波反射层32设置于底衬层31内，且与底电极层33接触设置。所述声波反射层32为下部开放的空气腔。该结构的加工是采用背面刻蚀法。在底衬层31上首先加工完成底电极33，压电层34，和顶电极35之后，在器件的背面采用湿法或者干法刻蚀的方式加工形成空腔，即声波反射层32。

由于其余各个部分的设置及材料与实施例一相同，故在此不再赘述。

实施例三

如图4所示，本申请实施例还提供了一种薄膜体声波微流控混合装置。包括：

底衬层41，设置于所述底衬层内的声波反射层42；接触设置于所述声波反射层42上的底电极层43；设置于所述底电极层上的压电层44；设置于所述压电层上的顶电极层45；

至少一个流道结构46；所述流道结构的流道腔体461覆盖接触设置在所述声波反射层、底电极层、压电层、顶电极层彼此叠加形成的体声波产生区域之上。

如图4所示，本实施例中的混合装置与实施例二中的装置的不同之处在于声波反射层42的位置和形状不同。这主要是因为二者的加工方式不同。所述空气腔反射层42加工过程为：首先在底衬层41上通过湿法或者干法刻蚀加工出空气腔；然后在空气腔中填充牺牲层；然后依次加工完成后续的各层结构。最后将牺牲层中材料释放，形成下部封闭的空气腔，即，声波反射层42。

由于其余各个部分的设置及材料与实施例一相同，故在此不再赘述。

实施例四

如图5所示，本申请实施例还提供了一种薄膜体声波微流控混合装置。包括：

底衬层51，设置于所述底衬层内的声波反射层52；接触设置于所述声波反射层52上的底电极层53；设置于所述底电极层上的压电层54；设置于所述压电层上的顶电极层55；

其中，声波反射层52同时用于作为流道腔体。

如图5所示，本实施例中的混合装置与实施例三中的装置的不同之处在于：流道腔体不是覆盖接触设置在所述声波反射层、底电极层、压电层、顶电极层彼此叠加形成的体声波产生区域之上，而是由声波反射层52作为流道腔体。当不同的流体样品流经该流道腔体时，通过对本薄膜体声波微流控混合装置施加电学激励信号，激励所述薄膜体声波微流控混合装置的多层结构(即向底电极层23和顶电极层23通电作用于压电层24)，就会在该流道腔体由声波作用于所述流体产生封闭式的涡流，实现微流体的快速、高效混合。流过该流道腔体即为已经混合的流体。

由于其余各个部分的设置及材料与实施例一相同，故在此不再赘述。

综上所述，本发明的薄膜体声波微流控混合装置，通过利用工作频率在0.5-50GHz的声波在微流道中液体中产生涡流效应，进而快速高效地混合流体，并且，通过将薄膜体声波产生区域的合理排列，以及合理设置流道腔体高度，以及合理设置流道腔体的水平方向投影面积与体声波产生区域在水平方向的投影面积比例；以及合理设置底电极层、顶电极层和压电层的厚度，提升混合效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种薄膜体声波微流控混合装置，其特征在于，包括：

至少一个体声波产生部件，包括依次设置的底电极、压电层及顶电极；

与体声波产生部件的一面接触设置的声波反射部；

所述底电极、压电层、顶电极及声波反射部相重叠区域构成体声波产生区域；

用于支撑所述体声波产生部件的底衬层；

至少一个流道，其流道腔体的部分区域覆盖了至少一个体声波产生区域的声波作用区域。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流道腔体的水平面投影面积与体声波产生区域的水平面投影面积之比大于或等于10％。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声波反射部包括：设置在体声波产生部件与底衬之间的不同的声阻抗层。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述声阻抗层包括：低声阻抗层和高声阻抗层；

其中，所述低声阻抗层和所述高声阻抗层相间叠加设置；

相邻的所述低声阻抗层和高声阻抗层为一组，该组数设置为大于或等于三。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声波反射部包括：在所述底衬上形成的空腔，该空腔背向体声波产生部件的一面开放或被底衬所封闭设置。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述流道腔体与空腔的腔体一体共用。

7.根据权利要求3或5所述的装置，其特征在于，所述流道设置于与声波反射部相对的体声波产生部件的一面。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流道腔体的部分区域覆盖了至少两个体声波产生区域的声波作用区域；

不同的体声波产生区域的位置可如下之一或任意组合设置：

沿着流道流体流动方向指定距离排列设置；

垂直于流道流体流动方向指定距离排列设置；

沿着流道流体流动方向偏转一定度角方向指定距离排列设置。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流道腔体高度为10nm-10mm。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述体声波产生部件为工作频率设置为0.5-50GHz的薄膜体声波谐振器或兰姆声波谐振器。