CN110841731B - 一种用于颗粒分离的声表面波微流控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于颗粒分离的声表面波微流控装置，包括压电基底、单个叉指换能器、隔膜及PDMS微流道，叉指换能器蒸镀在压电基底上，并将SiO₂溅射在压电基底除电极之外的其它部分上形成隔膜；通过氧等离子体表面处理对PDMS微流道和含叉指结构的基底实现不可逆键合。本发明通过两端具有长短不同的反射栅的单叉指换能器产生声表面波，使直径大小不同的颗粒在微流道内产生运动方向的差异并分离。本发明仅使用单叉指换能器即可实现颗粒的分离，结构集成度更高，占用微流控芯片面积更少，同时也具有加工成本低、节约能耗、制作简单、便携等优点。

Description

一种用于颗粒分离的声表面波微流控装置

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，涉及一种利用声表面波完成颗粒分离的微流控芯片结构。

背景技术

微流控是一种在微米或纳米尺寸级别下处理或操纵液体的技术，具有通量高、灵敏度高等优势。通过微流控装置上的叉指换能器可以产生声表面波，进而使流体中的颗粒受到声辐射力而进行相应的运动。所以，微流控技术适合用在颗粒高效分离中，并且分离过程具有非接触、无污染的特点。

目前利用微流控进行颗粒分离的方法主要有两种：一是利用一对叉指换能器产生的驻波将混乱颗粒排布成直线(直线与波节或者波腹重合)，再通过另一对叉指换能器形成不同的驻波(波节与波腹的位置不同)，促进颗粒从第一个波节向第二个波节运动，根据体积大运动速度快的原则进行颗粒分离。二是先利用三进一出的流道使混乱颗粒在中间流道直线排布，接着通过一对叉指换能器完成颗粒分离。由于这两种方法使用多个叉指换能器及流道复杂(叉指换能器与微流道的对准要求高)的原因，具有占用面积过大、成本高、设计过程繁琐等缺点，同时也不便于制作和携带。

中国专利CN104726331A公开了一种基于声表面波的微流控血浆分离芯片及方法，结合了叉指换能器和微流道结构设计，实现了血细胞与血浆在微流道内的分离，其为了完成分离，沿微流道一侧仅布置一组叉指换能器，但与现有其他基于声表面波的微流控粒子芯片一样，微流道与叉指换能器均沿水平方向铺放于芯片基底上，难以有效减少微流道、叉指换能器等结构在基底上的占用面积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制作简单、使用方便、成本低的用于颗粒分离的声表面波微流控装置。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于颗粒分离的声表面波微流控装置，包括压电基底、叉指换能器、电极、隔膜及微流道，所述叉指换能器包括设置在(例如，通过蒸镀)压电基底上的长度不同的第一反射栅和第二反射栅，以及位于第一反射栅与第二反射栅之间的用于向各反射栅(第一及第二反射栅)发射声表面波的叉指结构，隔膜设置在(例如，通过溅射)压电基底除电极设置位置之外的其他部分上，隔膜覆盖叉指换能器，微流道设置在第一反射栅与第二反射栅之间的隔膜对应区域上。

优选的，所述微流道包括具有分岔的通道，该通道包括与微流道进口相连的进口段(进口段包括通道水平直线段)、与进口段相连的过渡弧段(过渡弧段由通道水平弧形段构成，通道水平弧形段的末端为通道分岔位置)及与过渡弧段相连的两个以上的出口段(出口段包括位于分岔位置与任意微流道出口之间的通道水平分支段)，过渡弧段向长度较短的反射栅一侧偏转一定角度。

优选，所述进口段具体包括用于使进入微流道(例如，单进双出型微流道，该微流道具有一个进口、两个出口，分岔位置与两个出口之间分别连接有通道分支段)的由流体介质所携带的颗粒在经第一反射栅及第二反射栅反射的声表面波的作用(声表面波驻波场)下进行有序流动(例如，沿直线)的第I区段，以及用于对已经形成的有序流动的颗粒在经第一或第二反射栅反射的声表面波的作用(单向声辐射力)下进行流动方向及位置偏移的第II区段，第I区段分别与微流道进口及第II区段相连(形成通道水平直线段)，第II区段与过渡弧段相连。

优选的，所述第一反射栅、第二反射栅分别沿与所述颗粒进入微流道后的流向(具体指进口段延伸方向或该段内的颗粒/流体介质混合物的流动方向)相平行的方向延伸，其中，第一或第二反射栅自微流道进口对应位置起至少延伸至过渡弧段起点所对应位置，相应的第二或第一反射栅自微流道进口对应位置起开始延伸，延伸长度较前者短(即两个反射栅中，一个反射栅为长反射栅，另一个反射栅为短反射栅)。

优选的，所述叉指换能器由一个或多个直线型叉指结构(直线型叉指结构即叉指结构中与任意一侧汇流条相连的指条可以沿同一直线对称布置)以及位于对应直线型叉指结构两端外侧的不同长度的反射栅组成；直线型叉指结构包括18～20对指条，直线型叉指结构(具体指蒸镀在压电基底上的指条、汇流条等)及反射栅的高度为80～100nm。

优选的，所述电极分别位于(例如，蒸镀在压电基底上)直线型叉指结构中两个汇流条的同一端边缘处(与汇流条端部接触)，电极长为0.8～1mm，宽为1.3～1.5mm。

优选的，所述第一反射栅及第二反射栅中，长度较长的反射栅(长反射栅)的延伸长度为8～10mm，长度较短的反射栅(短反射栅)的延伸长度为4～5mm。

优选的，所述直线型叉指结构两端外侧的反射栅(第一反射栅及第二反射栅)与该叉指结构的对应端的最小距离(根据任意反射栅中距离叉指结构最近的栅线)为反射栅的栅线间距的2倍～4倍(例如，反射栅的栅线间距为20～30μm，反射栅布置在距离叉指结构对应端的40～60μm处)，任意反射栅的栅线条数为3～10条(8～10条更好)，从而使叉指结构产生的声表面波可以有效反射并传播向微流道，以提供颗粒分离所需的足够的声辐射力。

优选的，所述微流道中，通道(不包括连接进、出口的竖直部分)的水平长度为15～20mm，其中，过渡弧段(具体指过渡弧段起点位置，即通道水平弧形段始端)位于距离微流道进口7.5～10mm处，通道宽度为400～500μm，通道高度为80～100μm。

优选的，所述隔膜为厚度(高度)180～200nm的二氧化硅(SiO₂)薄膜，微流道采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成(例如，通过注塑模具制作)，隔膜与该微流道通过氧等离子体表面处理实现不可逆键合。

优选的，所述压电基底的高度为0.8～1.2mm。

优选的，所述压电基底的材质为铌酸锂晶体等压电材料。

上述声表面波微流控装置的颗粒分离方法，包括以下步骤：

通过施加交变电压使设置在压电基底上的叉指结构产生声表面波，该声表面波在第一反射栅及第二反射栅的反射作用下由向叉指结构对应端外侧的反射栅传播的声表面波转化为向叉指结构传播的声表面波，使进入微流道的颗粒在传播方向相对的声表面波所形成的声表面波驻波作用下进行按序排布，然后在第一反射栅或第二反射栅反射的声表面波(单向声辐射力)作用下，使按序排布的颗粒在流出微流道之前进行流动方向及位置偏移，从而实现颗粒的分离(例如，将流体介质中所携带的不同大小的颗粒分离)。

上述分离方法具体包括以下步骤：

1)使用流量泵将含有不同直径大小颗粒的流体通入微流道进口，对位于两侧的反射栅(第一反射栅与第二反射栅)之间的一个或多个直线型叉指结构加以一定频率的交变电压，从而在压电基底上的隔膜表面产生声表面波；

2)当所述流体流经与两侧的反射栅中长度较短的反射栅长度相同的第I区段时，在由叉指换能器产生的声表面波驻波场中，使所述流体中不同直径大小的颗粒在声辐射力的作用下沿着微流道有序流动；

3)经过步骤2)后，当所述流体流经仅受两侧的反射栅中长度较长的反射栅反射的声表面波作用的第II区段时，此时所述流体中不同直径大小的颗粒受到声辐射力的作用，使所述流体中较大的颗粒和较小的颗粒产生流动方向和位置的差异，从而可以(通过过渡弧段流向不同的通道分支段)从不同的微流道出口流出。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过改变传统微流控器件结构，利用两侧具有不同长度反射栅的叉指换能器产生的声表面波作用，对流过微流道的流体内的颗粒进行有序化排列及流向偏移，由于微流道通过隔膜设置在叉指换能器上方，具有占用微流控芯片面积小，结构集成度高的优点，可简化器件设计和制造过程，从而以较低成本完成颗粒的高效分离。

进一步的，本发明利用一个或多个直线型叉指结构与长度不同的反射栅构建形成了一个叉指换能器，对其施加交变电压，可以获得与多个叉指换能器相应的声表面波驻波及声辐射力作用效果，显著提高了装置在芯片上的集成度，及芯片单位面积的利用率，而且制作工艺更为简单。

进一步的，本发明通过对声场传播方向的调控及充分利用了不同直径颗粒在介质中的差异性特征，无需设计复杂的流道结构和多个叉指换能器，就可以实现对不同颗粒的分离，能耗较低，具有良好的非接触性、无污染性。

进一步的，本发明的隔膜采用SiO₂制成，可以充分保护叉指换能器，提高装置稳定性和安全性。

进一步的，本发明通过将PDMS微流道和溅射有SiO₂的铌酸锂(带叉指结构)基底进行不可逆键合，使得微流道能够稳定地固定在基底上，可以提高微流道在声辐射力作用下的分离效率。

附图说明

图1是本发明实施例中基于单个叉指换能器的颗粒分离装置的结构原理示意图(外观图，省略隔膜，箭头指向表示微流道中的颗粒流动方向)；

图2是本发明实施例中基于单个叉指换能器的颗粒分离装置的结构原理示意图(截面图)；

图3是本发明实施例中直线型叉指换能器在微流控芯片上的布置示意图(图中深色区域表示密集排布的指条)；

图4是本发明实施例中微流道的结构示意图；其中(a)透视图，(b)A-A剖视，(c)B-B剖视(水平通道位于制造的微流道内底部)；

图5是本发明实施例中基于单个叉指换能器的颗粒分离原理图；

图中：1-基底；2-叉指结构；3-微流道；31-水平通道；32-进口；33-出口；34-岔口；4-隔膜；5-长反射栅；6-短反射栅；7-汇流条；8-指条；9-电极。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1及图2，本发明提出了一种适用于颗粒分离的声表面波微流控装置，该装置包括基底1、叉指换能器、微流道3、隔膜4及电极9；所述叉指换能器包括蒸镀在基底1上的一个直线型叉指结构2，其中，与相分隔的两个汇流条7分别连接的指条8交错排列，并且各指条8不与对侧汇流条7接触(即存在一定间距)；所述叉指换能器还包括蒸镀在基底1上的位于直线型叉指结构2两端外侧的反射栅，其中，左侧及右侧的反射栅的各柱状栅线均与指条8平行，左侧为长反射栅5，右侧为短反射栅6；电极9蒸镀在基底1上，分别位于两汇流条7的同一端；隔膜4采用溅射于基底1除电极9设置位置以外部分上的SiO₂薄膜，该薄膜覆盖叉指换能器(叉指结构2及其左右两侧的反射栅)；微流道3为单进双出型，采用PDMS材料，并通过前烘、光刻、后烘、显影、翻模得到。微流道3通过氧等离子体表面处理键合在隔膜4上并位于叉指结构2上方(即不与叉指结构2直接接触)，叉指结构2以微流道3中心位置对称排布。微流道3上设置有一个进口32和2个出口33，与微流道的通道部分连通，使得待分离的含有多种颗粒的液体可以由进口32经微流道内部通道流向出口33。

参见图3，为了更清楚的显示上述声表面波微流控装置中的叉指换能器结构设计对提高微流控芯片单位面积利用率的积极作用，以下对该叉指换能器的尺寸规格进行说明。所述基底1为圆形，采用128°旋转Y切割X传播方向的铌酸锂晶体制成，面积一般为2英寸，高度为1mm。叉指换能器由蒸镀在该基底1上的一个直线型叉指结构2和不同长度的反射栅组成，其中，叉指结构2包括20对指条8，叉指结构2左侧反射栅(长反射栅5)长度为10mm(比指条长度略长)，叉指结构2右侧反射栅(短反射栅6)长度为5mm，叉指结构2及反射栅的高度为100nm，圆形基底1上溅射的SiO₂厚度为200nm。

当对图3所示的左侧具有长反射栅5、右侧具有短反射栅6的单叉指换能器在电极9位置加以一定频率的交变电压时，叉指结构2发出的声表面波沿基底上的隔膜表面传播，经反射后作用于微流道3中通道内的流动颗粒。

所述微流道3具体的通道结构和参数设计参见图4：单进双出型微流道内的水平通道31(由通道水平直线段、弧段及通道水平分支段组成)长度为20mm，通道截面宽度为400μm，通道截面高度为100μm；弧段起点位于距离进口32 10mm处(即弧段之前的通道水平直线段长度为10mm，弧段及连接在弧段末端岔口34与出口33之间的通道水平分支段的长度和为10mm)。根据以上设计，制作微流道3时，首先使用4mL左右的SU-8光刻胶进行匀胶，再进行前烘、光刻、后烘、显影，最后进行PDMS翻模；翻模具体过程如下：将制作PDMS微流道的预聚物和固化剂按照10:1的质量比混合，将含有固化剂和PDMS混合物放入真空干燥泵中除气30分钟，再倒入装有SU-8模具的硅片上。然后将硅片放入烘箱中使PDMS固化(固化温度为85℃)1小时后取出，完成制作。将制得的微流道3通过氧等离子处理和溅射有200nm的SiO₂的带叉指结构的铌酸锂基底进行不可逆键合，从而将微流道3固定于隔膜4上与叉指换能器中心位置对应的区域。

参见图5，上述声表面波微流控装置在分离颗粒时的操控方式如下：使用流量泵将需要分离颗粒的液体通入微流道3内，对叉指换能器施加交流电压，叉指换能器(直线型叉指结构)自两端向外发射声表面波，由于两侧不同长度的反射栅的反射作用，当液体流过两侧反射栅相同的长度时(即与短反射栅6相同长度，参见图5中第I区段)，由于叉指换能器产生声表面波驻波使液体里不同直径大小的颗粒能够沿着微流道(流体通道)中心线方向继续流动；当液体流过短反射栅6长度时，由于此后只受左侧长反射栅5反射的声表面波作用，不同大小的颗粒会受到向右的声辐射力而向流体通道(参见图5中第II区段)右侧移动。由于声辐射力与颗粒体积成正比，所以较小的颗粒受到的声辐射力较小，因此移动速度较慢，从而产生和较大颗粒流动方向和位置的差异，使得较大的颗粒将从弧段内侧方向的分支流道流出，较小的颗粒从弧段外侧方向的分支流道流出(参见图5中过渡弧段及其末端分岔之后的通道部分)，由此实现了颗粒的分离目标。

根据以上实施例，本发明利用声表面波的声致微流效应，以单个叉指换能器为核心，结合单进双出型微流道，能够改变不同直径颗粒的流动方向，实现液体内颗粒分离的过程。其用途广泛，可代替采用多个叉指换能器的传统微流控装置，用于液体中的细胞或其他微小颗粒(例如，润滑油中的不同粒径的固体悬浮颗粒污染物)的分离。

总之，本发明由于改进了传统用于分离颗粒的微流控装置的结构，只使用单个叉指换能器便可完成分离任务，大大简化了装置结构设计和微纳加工制造过程，与传统装置相比集成度高、便携、节约能耗、加工成本低，且分离需求的样本少、可靠性高、非接触性好、无污染。

Claims (10)

1.一种用于颗粒分离的声表面波微流控装置，其特征在于：包括压电基底(1)、叉指换能器、隔膜(4)及微流道(3)，所述叉指换能器包括设置在压电基底(1)上的长度不同的第一反射栅和第二反射栅，以及位于第一反射栅与第二反射栅之间的用于向各反射栅发射声表面波的叉指结构(2)，隔膜(4)设置在压电基底(1)上并覆盖叉指换能器，微流道(3)设置在第一反射栅与第二反射栅之间的隔膜(4)对应区域上。

2.根据权利要求1所述一种用于颗粒分离的声表面波微流控装置，其特征在于：所述微流道(3)包括具有分岔的通道，该通道包括与微流道进口(32)相连的进口段、与进口段相连的过渡弧段及与过渡弧段相连的两个以上的出口段，过渡弧段向长度较短的反射栅一侧偏转一定角度。

3.根据权利要求2所述一种用于颗粒分离的声表面波微流控装置，其特征在于：所述进口段包括用于使进入微流道(3)的由流体介质所携带的颗粒在经第一反射栅及第二反射栅反射后的声表面波的作用下进行有序流动的区段，以及用于对已经形成的有序流动的颗粒在经第一反射栅或第二反射栅反射的声表面波的作用下进行流动方向偏移的区段。

4.根据权利要求2所述一种用于颗粒分离的声表面波微流控装置，其特征在于：所述第一反射栅、第二反射栅分别沿与颗粒进入微流道(3)后的流向相平行的方向延伸，其中，较长的反射栅至少延伸至过渡弧段起点所对应位置。

5.根据权利要求1所述一种用于颗粒分离的声表面波微流控装置，其特征在于：所述叉指换能器由一个或多个直线型叉指结构(2)以及位于对应直线型叉指结构(2)两端外侧的反射栅组成。

6.根据权利要求1或5所述一种用于颗粒分离的声表面波微流控装置，其特征在于：所述叉指结构(2)两端外侧的反射栅与该叉指结构(2)的对应端的最小距离为反射栅的栅线间距的2倍～4倍。

7.根据权利要求1所述一种用于颗粒分离的声表面波微流控装置，其特征在于：所述隔膜(4)为厚度180～200nm的二氧化硅薄膜，叉指换能器的高度为80～100nm，微流道(3)采用PDMS制成，隔膜(4)与微流道(3)通过氧等离子体表面处理实现不可逆键合。

8.根据权利要求1所述一种用于颗粒分离的声表面波微流控装置，其特征在于：所述压电基底(1)的材质为铌酸锂晶体。

9.一种如权利要求1所述的声表面波微流控装置的颗粒分离方法，其特征在于：该颗粒分离方法包括以下步骤：

通过施加交变电压使设置在压电基底(1)上的叉指结构(2)产生声表面波，该声表面波在第一反射栅及第二反射栅的反射作用下由向叉指结构对应端外侧的反射栅传播的声表面波转化为向叉指结构(2)传播的声表面波，使进入微流道(3)的颗粒在传播方向相对的声表面波所形成的声表面波驻波作用下进行按序排布，然后在第一反射栅或第二反射栅反射的声表面波作用下，使按序排布的颗粒在流出微流道(3)之前进行流动方向偏移，从而实现颗粒的分离。

10.根据权利要求9所述的颗粒分离方法，其特征在于，该分离方法具体包括以下步骤：

1)使用流量泵将含有不同直径大小颗粒的流体通入微流道进口(32)，对位于第一反射栅与第二反射栅之间的一个或多个直线型叉指结构(2)加以一定频率的交变电压，从而在压电基底(1)上的隔膜(4)表面产生声表面波；

2)当所述流体流经与长度较短的反射栅长度相同的区段时，由叉指换能器产生的声表面波驻波使所述流体中不同直径的颗粒能够沿着微流道(3)有序流动；

3)经过步骤2)后，当所述流体流经仅受长度较长的反射栅反射的声表面波作用的区段时，此时所述流体中不同直径的颗粒受到声辐射力的作用，使所述流体中较大的颗粒和较小的颗粒产生流动方向差异，从而可以从不同的微流道出口(33)流出。

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