CN111289096A - 基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法 - Google Patents

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刘季璇
李阳波
徐雪峰
汪仁杰
姚江帆
孙玲玲
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Abstract

本发明公开基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法。基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法，其特征在于利用测试系统获得基于声表面波的声镊器件的温度‑频率曲线，测试系统包括频率扫描单元、驱动单元、温度检测单元、数据分析单元；频率扫描单元用于生成特定的频率区间的信号，驱动单元用于提供固定的输出功率以驱动声表面波器件，温度检测单元用于捕获声镊器件上的温度，数据分析单元用于把记录的温度与频率进行处理获得温度频率曲线，曲线的峰值对应的频率为当前工作条件下声镊器件的最佳工作频率。通过设备的简化与集成，可实现利用温度检测获得基于声表面波器件的声镊在当前的工作环境下的最佳工作频率。

Description

基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，具体涉及基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法。
背景技术
基于声表面波的声镊，可利用声波辐射压力对微流管道内的粒子或细胞进行操作，实现如粒子分选、粒子阵列排布、溶液快速混合等应用。由于它对溶液介质和被操作的样本没有特殊的物理属性要求，同时整个系统具有小体积、操作简单等优势，基于声表面波的声镊在微流控生物医药研究和POCT现场快速检测领域具有巨大的应用潜力。
因为声表面波器件利用叉指换能器实现声与电之间的转换，其原理为逆压电效应，所以机电转换效率与叉指换能器上施加的驱动信号的频率紧密相关。如果驱动频率偏离最佳的工作频率会导致机电转换效率降低，甚至无法观测到声镊的效果。目前，确定声表面波器件的最佳工作频率的方法常用网络分析仪，在设计的区间内观察器件的S11反射系数曲线，将S11的最低点作为驱动信号的工作频率。然而，受声表面波器件的寄生参数与实际的工作环境等因素影响，导致室温下测试的S11最低频率点并不是实际上的最佳驱动频率。此外，网络分析仪是庞大昂贵的实验设备，不可能集成到小型化POCT设备中。因此，一种简单有效的方法获取基于声表面波的声镊器件的最佳工作频率变得格外有意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法。在确定的输入功率下，通过扫描驱动频率的区间，得到声表面波器件上的关键位置的温度，最后通过温度-频率曲线获得基于声表面波的声镊器件的最佳工作频率，并且这个频率能够应用在当前条件下的工作环境。
基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法，利用测试系统获得基于声表面波的声镊器件的温度-频率曲线，测试系统包括频率扫描单元、驱动单元、温度检测单元、数据分析单元；频率扫描单元用于生成特定的频率区间的信号，驱动单元用于提供固定的输出功率以驱动声表面波器件，温度检测单元用于捕获声镊器件上的温度，数据分析单元用于把记录的温度与频率进行处理获得温度频率曲线，曲线的峰值对应的频率为当前工作条件下声镊器件的最佳工作频率。
进一步的，所述的特定的频率区间包含理论计算的最佳频率点，在扫描区间内的频率步进可以根据实际需要调整。
进一步的，所述的温度检测单元使用红外相机或其他能够获取温度的传感器。
进一步的，所述的声表面波器件为叉指换能器，叉指换能器通过微纳加工工艺直接制造在铌酸锂基板的表面，叉指换能器、PDMS微流控管道通过氧等离子处理后键合在铌酸锂基板的表面，PDMS的键合面与叉指换能器位于同一个铌酸锂平面，叉指换能器位于PDMS微流控管道的两侧。
进一步的，所述频率扫描单元采用信号发生器，驱动单元采用功率放大器，信号发生器输出的RF信号经功率放大器放大后输入到叉指换能器，由逆压电效应，在铌酸锂的表面形成弹性波，弹性波沿着叉指换能器的两侧传播。
进一步的，设置功率源，保证输出的功率不变，改变信号发生器的频率，频率每改变一次。频率每改变一次，等待温度稳定后，将红外相机垂直对准声表面波器件区域(包含PDMS微流控管道)，捕获器件的红外信号，通过红外相机配套的转换软件获取和保存器件的温度数据。最后根据保存的温度数据绘制PDMS微流控管道区域的最高温度与驱动频率的曲线，曲线的峰值对应的频率即为当前工作条件下的最佳频率。
进一步的，计算声表面波器件的理论频率
Figure BDA0002390597210000021
其中v表示声表面波器件声速，λ表示声波的波长。因为在实际的工作环境下，声表面波器件的最佳工作频率小于理论值，所以扫描频率的上限略大于或等于理论计算频率，包括了最佳工作频率。
基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定系统，包括频率扫描单元、驱动单元、温度检测单元、数据分析单元；频率扫描单元用于生成特定的频率区间的信号，驱动单元用于提供固定的输出功率以驱动声表面波器件，温度检测单元用于捕获声镊器件上的温度，数据分析单元用于把记录的温度与频率进行处理获得温度频率曲线，曲线的峰值对应的频率为当前工作条件下声镊器件的最佳工作频率。
进一步的，所述的声表面波器件为叉指换能器，叉指换能器通过微纳加工工艺直接制造在铌酸锂基板的表面，PDMS微流控管道通过氧等离子处理后键合在铌酸锂基板的表面，PDMS的键合面与叉指换能器位于同一个铌酸锂平面，叉指换能器位于PDMS微流控管道的两侧。
进一步的，所述频率扫描单元采用信号发生器，驱动单元采用功率放大器，信号发生器输出的RF信号经功率放大器放大后输入到叉指换能器，由逆压电效应，在铌酸锂的表面形成弹性波，弹性波沿着叉指换能器的两侧传播。
通过设备的简化与集成，可实现利用温度检测获得基于声表面波器件的声镊在当前的工作环境下的最佳工作频率。
附图说明
图1用于测试的声表面波分选器件结构示意图；
图2系统框图；
图3使用红外相机捕获的温度分布图；
图4实测的温度-频率曲线；
图5使用网络分析仪获得的S11曲线；
其中：1-铌酸锂基底；2-叉指换能器；3-PAD；4-PDMS微流控管道；5-信号发生器；6-功率放大器；7-转接PCB；8-红外相机；9-数据分析单元。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明采用声镊系统实施，所述声镊系统包括频率扫描单元、驱动单元、温度检测传感器、铌酸锂基板1和叉指换能器2、聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控管道4、数据分析单元9。频率扫描单元用于生成特定的频率区间的信号，驱动单元用于提供固定的信号输出功率，温度检测单元用于捕获声镊器件上的温度，数据分析单元9用于把记录的温度与频率进行处理获得温度频率曲线，曲线的峰值对应的频率为当前工作条件下声镊器件的最佳工作频率。其中，频率扫描单元采用信号发生器5，驱动单元采用功率放大器6，温度检测传感器采用红外相机8，也可以使用其他能够检测温度的传感器或设备。叉指换能器2通过微纳加工工艺直接制造在铌酸锂基板1的表面，PDMS微流控管道4通过氧等离子处理后键合在铌酸锂基板1的表面，PDMS的接触面与叉指换能器2位于同一个铌酸锂平面，叉指换能器2位于PDMS微流控管道4的两侧。信号发生器5，功率放大器6，PDMS微流控管道4等可以根据更换为其他具有相同功能的设备或材料。
系统具体结构及连接方式如图2所示，信号发生器5与功率放大器6之间使用50Ω的同轴线连接。功率放大器6与转接PCB7使用50Ω的同轴线连接。叉指换能器2的PAD3与转接PCB7使用铜导线直接相连。把红外相机8固定在支架上。在控制软件上调节红外相机的聚焦点，使得焦点落在叉指换能器2的平面上。
叉指换能器2结构如图1所示，在128°Y-X铌酸锂的同一个面上制造出两个对称的叉指换能器2。每个叉指换能器2的基本参数：叉指宽度为50μm、金属比率为0.5、孔径为7mm、27对叉指、靠近PAD一端有6条反射栅。两个插指换能器2之间最小距离为4950μm。把PDMS微流控管道4与带有叉指换能器的铌酸锂基底1放入到氧等离子清洗机中处理(50Pa，150W，2min)，再将PDMS以一定的倾斜角度键合在两个插指换能器中间的位置，以实现不同尺寸粒子分选的应用。
声镊系统的工作原理是，信号发生器5输出的RF信号经功率放大器6放大后输入到叉指换能器2，由逆压电效应，在铌酸锂的表面形成弹性波。弹性波沿着叉指换能器2的两侧传播。当弹性波进入到PDMS微流控管道4区域时，由于PDMS材料对弹性波的损耗，将波的能量转变成PDMS的内能，主要以热的形式表现。同时，表面的弹性波在铌酸锂表面传播时也会损耗，主要也是以热的形式存在。当叉指换能器上的驱动信号的频率为当前工作环境下的最佳频率时，此时具有最高的声电转换效率。因此在相同的驱动功率下，有更多的RF信号能量转换为弹性波，使得PDMS上衰减的能量更多，表现出更高的温度。
任何温度高于绝对零度(-273℃)的物体都会发出红外辐射，不同物质的红外辐射能量随着温度增高而增加。把红外相机8垂直对准声表面波器件区域(包含PDMS微流控管道)，捕获器件的红外信号，通过红外相机配套的转换软件可获取器件的温度分布。
根据声表面波器件的理论计算频率设置信号发生器输出频率的变化区间，变化区间要包含理论频率。设置功率源，保证输出的功率不变。信号发生器的频率每改变一次，等待温度稳定后保存红外相机的数据。最后根据保存的红外数据绘制最高温度与驱动频率的曲线。曲线的峰值对应的频率即为当前工作条件下最佳的频率。
计算声表面波器件的理论频率
Figure BDA0002390597210000051
其中v表示铌酸锂表面的声速3992m/s，λ表示声波的波长，它等于叉指的周期，为200μm。由于在实际的工作环境下，器件的最佳工作频率小于理论值，最终选择频率的扫描范围为19.01MHz到20.01MHz，扫描的步长为100KHz。
设置功率源输出的总功率为33dBm(约为2W)。
每改变一次频率，等待红外相机8检测到的数值稳定，再保存红外数据，如图3所示。
所有的数据都获得之后，绘制PDMS区域内最高的温度与频率的关系曲线，如图4所示。在图中可以看到在扫描的区间内有且只有一个尖峰，在19.51MHz，高于或低于这个的扫描点的温度都低于19.51MHz的频率。
同一个器件，使用网络分析仪(E5071C)对其扫描，获得S11的曲线，如图5所示。对比S11曲线和温度-频率曲线可知温度测试获得的尖峰频率位于S11曲线的凹谷内，但是不在S11的最低点。主要原因如下，测试温度时驱动总功率达到33dBm，由于发热，器件的一些特性参数发生改变，如声表面波波速，使得器件的最佳工作频率发生偏移。因此，通过温度-频率测试曲线可获得声镊器件的最佳工作频率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法，其特征在于利用测试系统获得基于声表面波的声镊器件的温度-频率曲线，测试系统包括频率扫描单元、驱动单元、温度检测单元、数据分析单元(9)；频率扫描单元用于生成特定频率区间的信号，驱动单元用于提供固定的信号输出功率以驱动声表面波器件，温度检测单元用于捕获声镊器件上的温度，数据分析单元(9)用于把记录的温度与频率进行处理获得温度频率曲线，曲线的峰值对应的频率为当前工作条件下的声镊器件的最佳工作频率。
2.根据权利要求1所述的基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法，其特征在于所述的特定的频率区间包含理论计算的最佳频率点，在扫描区间内的频率步进可以根据实际需要调整。
3.根据权利要求1所述的基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法，其特征在于所述的温度检测单元使用红外相机(8)或其他能够获取温度的传感器。
4.根据权利要求1所述的基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法，其特征在于所述的声表面波器件为叉指换能器(2)，叉指换能器(2)通过微纳加工工艺直接制造在铌酸锂基板(1)的表面，叉指换能器(2)、PDMS微流控管道(4)通过氧等离子处理后键合在铌酸锂基板(1)的表面，PDMS的接触面与叉指换能器(2)位于同一个铌酸锂平面，叉指换能器(2)位于PDMS微流控管道(4)的两侧。
5.根据权利要求4所述的基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法，其特征在于所述频率扫描单元采用信号发生器(5)，驱动单元采用功率放大器(6)，信号发生器(5)输出的RF信号经功率放大器(6)放大后输入到叉指换能器(2)，由逆压电效应，在铌酸锂的表面形成弹性波，弹性波沿着叉指换能器(2)的两侧传播。
6.根据权利要求4所述的基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法，其特征在于设置功率源，保证输出的功率不变，改变信号发生器(5)的频率，频率每改变一次，等待温度稳定后，将红外相机(8)垂直对准声表面波器件区域(包含PDMS微流控管道)，捕获器件的红外信号，通过红外相机配套的转换软件获取和保存器件的温度数据，最后根据保存的温度数据绘制PDMS微流控管道区域的最高温度与驱动频率的曲线，曲线的峰值对应的频率即为当前工作条件下的最佳频率。
7.根据权利要求2所述的基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定方法，其特征在于，计算声表面波器件的理论频率
Figure FDA0002390597200000021
其中v表示声表面波器件声速，λ表示声波的波长，因为在实际的工作环境下，声表面波器件的最佳工作频率小于理论值，所以扫描频率的上限略大于或等于理论计算频率，包括了最佳工作频率。
8.基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定系统，其特征在于包括频率扫描单元、驱动单元、温度检测单元、数据分析单元(9)；频率扫描单元用于生成特定的频率区间的信号，驱动单元用于提供固定的信号输出功率以驱动声表面波器件，温度检测单元用于捕获声镊器件上的温度，数据分析单元(9)用于把记录的温度与频率进行处理获得温度频率曲线，曲线的峰值对应的频率为当前工作条件下声镊器件的最佳工作频率。
9.根据权利要求8所述的基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定系统，其特征在于所述的声表面波器件为叉指换能器(2)，叉指换能器(2)通过微纳加工工艺直接制造在铌酸锂基板(1)的表面，叉指换能器(2)、PDMS微流控管道(4)通过氧等离子处理后键合在铌酸锂基板(1)的表面，PDMS的键合面与叉指换能器(2)位于同一个铌酸锂平面，叉指换能器(1)位于PDMS微流控管道(4)的两侧。
10.根据权利要求9所述的基于温度频率曲线的声表面波器件最佳工作频率确定系统，其特征在于所述频率扫描单元采用信号发生器(5)，驱动单元采用功率放大器(6)，信号发生器(5)输出的RF信号经功率放大器(6)放大后输入到叉指换能器(2)，由逆压电效应，在铌酸锂的表面形成弹性波，弹性波沿着叉指换能器(2)的两侧传播。
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