CN111659479A - 一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，属于微流控分析技术领域。针对现有技术中存在的粒子分离微流控芯片中，超声表面驻波作用区域的参数设计仅依据经验判断，粒子分离效率不高，浪费大量时间和成本的问题，本发明提供一种用于微粒子分离的微流控芯片设计方法，基于超声表面驻波微流控芯片中微粒子受力和运动的理论，先微粒子的分离参数和芯片的结构组成，确定芯片工作频率和液流参数，进一步确定叉指换能器及微流腔的设计参数，最后确定腔体设计和芯片工作参数，基于超声表面驻波微流控芯片的粒子分离技术，降低器件制备难度，提高粒子分离效率。
Description
技术领域
本发明涉及微流控分析技术领域，更具体地说，涉及一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法。
背景技术
近年来，超声微流控以其无接触、无标记和生物兼容性好的特征，引起广泛的关注。利用超声微流控芯片可以对微粒子或细胞等进行操纵、聚焦、排列和分离等。超声微流控芯片可分为基于超声体波和基于超声表面波两种类型。与基于体波的方法不同，基于超声表面波的方法不依赖于通道壁产生的共振，有着灵活的设计空间和很强的应用潜力。在表面波芯片中，驻波型芯片具有较高的声能量密度，应用广泛。
对用于粒子分离的超声表面驻波微流控芯片，其结构一般包含压电基底，附着在基底上的叉指换能器，键合或粘接于基底上的微通道，以及用于驱动叉指换能器的电学驱动结构。其中，压电基底的材料可选用压电陶瓷(如锆钛酸铅)、压电晶体(如铌酸锂)或表面附着压电薄膜(如氧化锌)的任意固体材料(如石英玻璃)；微通道的材料可选用玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等；叉指换能器由一系列平行金属电极组成，可通过化学方法或物理方法制备，电学驱动结构则包括信号源和功率放大电路等。
此类芯片的一个重要应用是进行微尺度粒子的分离、分选、提纯等。粒子分离型芯片工作时，两个相对放置、指条平行的叉指换能器分别发射超声表面波，在基底表面形成驻波场。该驻波在腔体覆盖的区域内泄漏进入腔内流体中，对流体内的粒子施加超声辐射力。由于不同粒子的性质差异(如尺寸、密度或声速差异等)，其在超声表面驻波作用下的受力情况也明显不同，最终使不同类型的粒子呈现不同的运动轨迹。由于腔内流体一般是连续流动的，不同类型粒子在腔体内因此形成不同的流动轨迹，最终可进入腔体下游的不同出口，实现分离。
为实现上述粒子分离过程，微流控芯片的微流腔需要包含入口区域、预聚焦区域、超声表面驻波作用区域、出口区域等。但目前大多数的已发表或公开的粒子分离微流控芯片中，在超声表面驻波作用区域的设计参数选择方面上缺乏理论指导，设计人员一般仅依据经验判断，然后通过多次制备芯片和实验测试，才能达成粒子分离的目的。这种经验判断、多次实验的方法，难以使粒子分离的效率达到最优，同时会浪费大量的时间和成本。因此，为推广基于超声表面驻波微流控技术的微粒子分离芯片，有必要一种科学的设计方法。
现有技术基于超声表面驻波微流控技术应用在微粒子分离方面有多种设计，如使用无鞘流结构的芯片；液体以超声速进行涡旋的方式实现粒子分离；将流体通道划分为阶梯型结构；设置第一电极、第二电极、叉指电极和第三电极，并改变声学力和粘滞力的比例等方式。其中并未提出对腔体尺寸、液体流速和超声作用区进行任何特殊的原理设计，与本发明中的方法显著不同。
中国发明专利《基于声表面波的微纳米粒子微流控芯片》(申请号：CN201822216199.8)公开一种基于声表面驻波的粒子分离芯片，其中提出叉指换能器与主通道之间预设夹角q。但是该角度的设置具有随意性，并未根据超声辐射力、流体流速、粒子运动的动力学进行理论优化；此外，该发明中也未涉及对腔体尺寸、叉指换能器口径的优化，与本发明中提出的优化方案有显著不同。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的粒子分离微流控芯片中，超声表面驻波作用区域的参数设计仅依据经验判断，粒子分离效率不高，浪费大量时间和成本的问题，本发明提供一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，利用理论分析和解析公式，优化微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片参数，降低器件制备难度，提高粒子分离效率。
2.技术方案
本发明通过在对微流控芯片和微粒子相关参数的设计计算，提高微流控芯片粒子分离效率，且参数设计符合明确的理论依据。
一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，所述芯片设计包括如下步骤：
步骤一、确定微粒子的分离参数和芯片的结构组成；根据需分离的微粒子半径ai(i为微粒子代号，i＝1,2)和目标分离纯度d确定微粒子的最小分离距离Δy；根据最小分离距离Δy和半径ai确定微流腔内截面的宽度W和高度H，微流腔通道截面积S＝W*H；
步骤二、确定芯片工作频率和液流参数；根据微粒子半径确定叉指换能器的驱动频率f以及超声表面波波长λs，λs＝cs/f，cs为芯片基底中超声表面波的传播速度；选择承载微粒子的流体并计算流体的粘滞层厚度δ；据微粒子分离通量P、通道截面积S和目标粒子的体积浓度n确定微通道中的液流速度vf；根据微粒子的尺寸、性质和叉指换能器的驱动频率确定承载粒子的流体，流体和粒子是生物兼容和化学兼容的；
步骤三、确定叉指换能器及微流腔的设计参数；通过微流控芯片的电声转换系数ζ和典型驱动电压幅度V0确定微流腔内驻波升压幅值p0；计算微粒子参数Ψi，优化叉指换能器输入信号和相位差随时间变化的速率s以及叉指换能器指条方向与微流控通道的夹角θ，确定超声表面驻波作用区的长度L、叉指换能器的最小口径LIDT、叉指换能器与液流通道最短距离dIC和叉指换能器之间最小距离dII；基于公开可查的、或在同类器件上通过公知方法测量得到的超声微流控芯片电声转换系数ζ的典型值，典型驱动电压幅度V0结合外围驱动电路确认；
步骤四、确定芯片工作参数；根据叉指换能器向流体中辐射声波的电声转换系数ζj(j为叉指换能器代号，j＝I,II)和微流腔内驻波升压幅值p0确定叉指换能器的输入电压峰值Vp,j，设置叉指换能器的输入电压Vj。
超声表面驻波作用区域由叉指换能器发射超声表面波在基底表面形成驻波场，该驻波在腔体覆盖的区域内泄漏进入腔内流体中，对流体内的粒子施加超声辐射力，最终使不同类型的粒子呈现不同的运动轨迹，最终可进入腔体下游的不同出口，实现分离。
本发明所述芯片根据微粒子的分离参数确定芯片微流腔腔体尺寸和超声表面驻波作用区域参数，所述微粒子的分离参数包括微粒子的半径、密度、可压缩率和目标分离纯度，所述微流腔腔体尺寸包括微流腔内截面的宽度和高度，所述超声表面驻波作用区域参数包括超声表面驻波作用区长度、叉指换能器倾斜角度、叉指换能器相位变化速率和叉指换能器的孔径尺寸。本发明主要对芯片超声表面驻波作用区域设计，对微流控芯片的压电基底、驱动电路等没有限制，降低器件制备难度。
更进一步的，步骤一中最小分离距离的计算公式为Δy≥2×(a1+a2)×tan(πd/2)，微流腔内截面宽度计算公式为W≥2Δy，微流腔内截面高度计算公式为H≥5(a1+a2)。
更进一步的，步骤二中流体的粘滞层厚度的计算公式为δ＝(η/πρ0f)1/2，η为流体的动力粘滞系数，ρ0为流体密度；液流速度计算公式为vf＝P/(n×S)。
更进一步的，步骤三中微粒子参数Ψi＝Φiai 2，其中Φi为微粒子i的声学对比因子，Φi＝f1i/3+Re(f2i)(2c0 2-cs 2)/2cs 2；f1i为微粒子i的声学单极子散射系数，f2i为微粒子i的声学偶极子散射系数，f1i＝(κpi-κ0)/κp，f2i＝2(ρpi-ρf)/(2ρpi+ρ0)，c0为流体中声速，ρpi为粒子的密度，ρ0为流体的密度，κpi为粒子的可压缩率，κ0为流体的可压缩率。计算时将Ψi较大的粒子代号记为i＝2，Ψi较小的粒子代号记为i＝1。
更进一步的，叉指换能器输入信号和相位差随时间变化的速率s以及叉指换能器指条方向与微流控通道的夹角θ的优化有两种方式，根据芯片制备工艺选择一种方式进行优化：
方式一：使s＝0，θ≠0，将θ确定为
定义b1＝sinθ，b2＝kyp0 2Ψ1/(6ηρ0c0 2)；其中ky＝2π/λs为声表面波波数；经此优化的芯片记为TaSSAW型；TaSSAW是tilted angle standing surface acoustic wave，表示倾斜角度声表面驻波。
方式二：使θ＝0，s≠0，将s确定为
定义b1＝s/(2kyvf)，b2＝kyp0 2Ψ1/(6ηρ0c0 2)；经此优化的芯片记为PM-SSAW型；PM-SSAW是phase-modulated standing surface acoustic wave，表示相位调制声表面驻波。
流速vf与所需声压幅值p0之间满足p0＝[6ηρ0c0 2Avf/(kyΨ2)]1/2，其中，A＝sinθ0+s0/(2kyvf)，Ψ2为两种粒子(1和2)的Ψi参数中的较大值。叉指换能器指条方向与微流控通道的夹角θ也就是超声表面驻波的波阵面与液流方向角度为θ，两种优化方式的选择依据为：如果受到芯片制备工艺限制，难以精确地设置角度θ，则选择方式二，PM-SSAW型芯片的相位差时变速率s可以更改，同时，PM-SSAW芯片所需s参数优化过程与流速vf不直接相关。
如果芯片制备工艺成熟，则需使两种微粒子的实际分离距离尽可能大，选择方式一进行优化，但是在微流控芯片制备完成后，TaSSAW型芯片的倾斜角度θ无法更改。传统方法选择θ＝0，s＝0时，需要明确粒子分离距离Δy小于声表面波波长λs的四分之一，本发明对θ和s优化设计后，Δy不受上述限制。
更进一步的，叉指换能器的最小口径计算公式为LIDT＝Δycosθ/(b1 2-b2 2)1/2，超声表面驻波作用区的长度L不小于叉指换能器的最小口径LIDT，叉指换能器与液流通道最短距离dIC不小于λs/4，叉指换能器之间最小距离dII为λs/4的整数倍。
更进一步的，步骤三中微流腔内驻波升压幅值p0＝ζV0；步骤四中叉指换能器的输入电压峰值Vp,j＝p0/ζj，叉指换能器I和叉指换能器II的输入电压分别设置为
和
其中t为时间，
为任意相位值。
更进一步的，超声表面波波长λs大于等于十倍微粒子半径。超声表面波波长λs计算后需进行校验，与十倍微粒子半径比较，满足λs既不小于10a1也不小于10a2。
更进一步的，流体的粘滞层厚度δ大于等于十分之一微粒子半径。流体的粘滞层厚度δ计算后需进行校验，与十分之一微粒子半径比较，满足δ既不小于0.1a1也不小于0.1a2
更进一步的，PM-SSAW型芯片中两列声表面波的时变相位差通过叉指换能器的驱动频率增大或减小Δf实现，相位差时变速率s＝2πΔf。
本发明微流控芯片设计参数的选择符合明确的理论依据，在芯片制备前必须确定微流腔体宽度W和高度H、超声表面驻波作用区的长度L、叉指换能器的口径LIDT、叉指换能器指条最小距离dII、叉指换能器与微通道之间的距离dIC以及叉指换能器的倾斜角度θ等参数。对于最小分离距离Δy、液体流速vf、输入电压峰值Vp,j，以及相位差时变速率s可在芯片制备完成后确定，对于已制备好的芯片，所述参数也可以根据设计方法中步骤进行优化，以实现更好的分离效果和分离纯度。
本发明不限于微流腔入口区域、预聚焦区域和出口区域的设计方法，也不限定具体的粒子预聚焦方法，芯片的其他区域的设计可以按照本领域公知的方法进行，本发明对此不做限定，降低器件制备的难度，提高制备效率。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明微流控芯片的腔体尺寸、工作频率、超声作用区宽度等设计参数符合明确的理论依据。与根据其他依据经验进行设计的用于粒子分离的超声表面驻波微流控芯片相比，利用本发明进行设计的芯片，在其他条件相似的情况下具有更好的分离效率和分离纯度。本发明的微流控设计方法不需要对具体的微通道出入口结构和预聚焦方法做出限定，只对超声波作用区参数有要求，同时也不限定具体的驱动电路结构，既提高粒子的分离效率和分离纯度，也降低器件制备的难度。
附图说明
图1为本发明超声表面驻波微流控芯片的制备流程；
图2为本发明实施例1中超声表面驻波微流控芯片结构的示意图；
图3为本发明实施例1中TaSSAW型芯片中超声表面驻波作用区的粒子运动轨迹；
图4为本发明实施例2中超声表面驻波微流控芯片结构的示意图；
图5为本发明实施例2中PM-SSAW型芯片中超声表面驻波作用区的粒子运动轨迹。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例具体描述一种超声表面驻波微流控芯片，包括压电基底、叉指换能器、微流腔和驱动电路，叉指换能器附着在压电基底上，叉指换能器发射超声表面波，在基底表面形成驻场波，对微流腔腔体内流体粒子施加超声辐射力；微流腔键合或粘接于压电基底上，微流腔内部通道截面为矩形；驱动电路驱动叉指换能器工作。粒子利用本领域公知的鞘流技术进入微流控芯片的微流腔，在超声表面驻波作用下，不同类型的粒子呈现不同的流动轨迹，最终进入腔体下游的不同出口，实现分离。
微流控芯片的基底为压电陶瓷片、压电晶体片，也可为表面有压电薄膜的任意固体薄片。两个相对的叉指换能器I和II制备在微流腔两侧，其所有指条平行、宽度相同、长度也相同；产生的表面波沿基底传播进入腔内流体。
本实施例所述微流控芯片对半径为3μm和5μm的聚苯乙烯(Polystyrene，PS)微球进行分离。聚苯乙烯微球是一种高分子聚合物，单分散聚苯乙烯微球具有粒径分布均匀、机械强度高、比表面积大、耐溶剂性好等特点。要求分离纯度d>0.95，粒子通量P＝100个/秒。根据所要分离的粒子参数，计算芯片微流腔腔体的腔体尺寸、粒子流体流速和超声作用区宽度，流程如图1所示，具体步骤如下：
步骤一、确定芯片的结构组成和其对两种微粒子的分离参数：
选择厚度为0.5mm的128°Y切向的铌酸锂晶体薄片制备微流控芯片的压电基底，选择PDMS作为芯片微流腔通道壁的材料。利用本领域公知的鞘流技术进行微粒子预聚焦，如图2所示，入口为三个，中间的第二入口为粒子入口，两侧的第一入口和第三入口为鞘流入口，出口为两个。本实施例所述微流控芯片为TaSSAW型芯片，叉指换能器与微流腔成角度θ。
步骤二、根据目标分离纯度计算微流腔的腔体尺寸：
目标分离纯度d＝0.95，计算最小分离距离Δy≥2×(a1+a2)×tan(πd/2)。代入需要分离的两种粒子半径a1＝3μm和a2＝5μm，分离距离Δy需大于203μm。根据最小分离距离计算微流腔腔体内截面的宽度W≥2Δy，腔体内截面高度H≥5(a1+a2)，本实施例中设定微流腔内截面宽度W＝1000μm，高度H＝80μm。
步骤三、确定芯片工作频率和液流参数：
根据两种粒子的尺寸选择叉指换能器的驱动频率f，f＝20MHz，根据驱动频率f计算对应声表面波波长λs，λs＝cs/f，cs为基底中的声表面波传播速度，与微流控芯片指定基底材料相关，本实施例使用的基底材料为铌酸锂，铌酸锂的声表面波传播速度大约为3500m/s至3700m/s。相应的声表面波波长约为λs≈200μm，该表面波波长λs满足既不小于10a1也不小于10a2的要求。
根据粒子的尺寸、性质和叉指换能器的驱动频率，本实施例选择水作为承载聚苯乙烯微球的流体，水的粘滞层厚度δ＝(η/πρ0f)1/2，其中η为水的动力粘滞系数，ρ0为水的密度。计算得到δ≈0.12μm，δ满足既小于0.1a1同时也小于0.1a2的要求。根据所需分离粒子通量P＝100个/秒以及微流腔中目标粒子浓度n(～1×1012个/立方米)，确定微流腔内流体流速vf＝P/(n×S)≈1.5mm/s，其中S为微流腔腔体内截面积，S＝W×H＝0.08mm2。
步骤四、计算达成粒子分离所需的腔体内驻波升压幅值：
计算两种半径的聚苯乙烯微球的参数Ψ1和Ψ2，Ψi＝Φiai 2(i＝1,2)，其中Φi为粒子i的声学对比因子，Φi＝f1i/3+Re(f2i)(2c0 2-cs 2)/2cs 2，c0为流体中声速。f1i为粒子i的声学单极子散射系数，f2i为粒子i的声学偶极子散射系数，f1i＝(κpi-κ0)/κpi，f2i＝2(ρpi-ρf)/(2ρpi+ρ0)，ρpi为粒子的密度，ρ0为流体的密度，κpi为粒子的可压缩率，κ0为流体的可压缩率。
半径为3μm的微球其参数Ψ1＝1.2×10-12m2，半径为5μm的微球其参数Ψ2＝3.4×10-12m2。根据同类芯片中此前测得的电声转换系数ζ＝5.66×105Pa/V，典型外围电路提供的驱动电压范围V0＝0.5～50V，微流腔内驻波声压幅值p0＝ζV0≈200kPa。
步骤五、利用理论公式，进行叉指换能器参数的优化，计算叉指换能器的最小口径：
本实施例所述微流控芯片为TaSSAW型芯片，可以精确设置角度θ，选择A方式进行器件参数优化，使两种粒子的实际分离距离尽可能大。通过放置相对于微流腔倾斜的叉指换能器来产生波阵面与液流方向成角度θ的超声表面驻波。根据公式计算叉指换能器与微流腔成角度，即所产生的超声表面波的波阵面与液流方向角度θ，
其中ky＝2π/λs为声表面波波数，得到θ≈14°。再据此确定叉指换能器的最小口径LIDT＝Δycosθ/(b1 2-b2 2)1/2≈0.9mm，定义b1＝sinθ，b2＝kyp0 2Ψ1/(6ηρ0c0 2)。因此，本实施例选定超声表面波作用区域的长度L＝2mm≥LIDT。
步骤六、确定微流腔制备参数，进行芯片制备，设置流速与输入电压，进行粒子分离：
根据叉指换能器的驱动频率f、微流腔内截面宽度W、微流腔内截面高度H、叉指换能器倾斜角度θ、叉指换能器的最小口径LIDT、微流腔的超声表面波作用区的长度L、叉指换能器的指条宽度、叉指换能器与微流腔之间的距离dIC以及叉指换能器之间的最小距离dII等参数制备微流控芯片。每个叉指换能器与液流通道之间的最短距离dIC不小于λs/4，且两个叉指换能器之间的最小距离dII为λs/4的整数倍，指条宽度为声表面波波长λs的四分之一。
基于公知方法测量所述电声转换系数，得到输入电压。根据p0和叉指换能器j向流体中辐射声波的实际电声转换系数ζj(j＝I,II，电声转换系数可根据公知方法通过实验测定)确定输入电压的峰值Vp,j＝p0/ζj。设定流体流速vf＝1.5mm/s，叉指换能器的输入电压分别设置为
和
其中t为时间，
为任意相位值，利用该装置对聚苯乙烯微球进行分离。
本实施例两种粒子通过微流控芯片分离后运动轨迹如图3所示，图3所示x轴为粒子运动距离，y轴为两种类型粒子分离距离，通过图示可以得到本实施例两种微球粒子最终实际的分离距离为452μm，分离纯度97.4％，优于预设的分离距离指标203μm。
本实施例微流控芯片只对超声波作用区参数有要求，不限定微流腔入口和出口，也不限定具体的粒子预聚焦方法，同时也不限定具体的驱动电路结构，降低器件制备的难度。在芯片制备前即可确定部分设计参数，对如分离距离Δy、流速vf、输入电压峰值等参数进行优化，提高制备效率。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例两种粒子半径更为接近，且本实施例微流控芯片为PM-SSAW型芯片。
本实施对半径为3μm和3.8μm的聚苯乙烯(Polystyrene，PS)微球进行分离。要求分离纯度d>0.95，粒子通量P＝100个/秒。根据所要分离的粒子参数，计算芯片微流腔腔体的腔体尺寸、粒子流体流速和超声作用区宽度。具体步骤如下：
步骤一、确定芯片的结构组成和其对两种微粒子的分离参数：
选择厚度为0.5mm的128°Y切向的铌酸锂晶体薄片制备微流控芯片的压电基底，选择PDMS作为芯片微流腔通道壁的材料。利用本领域公知的鞘流技术进行微粒子预聚焦，如图4所示，入口为三个，中间的第二入口为粒子入口，两侧的第一入口和第三入口为鞘流入口，出口为两个。本实施例所述微流控芯片为PM-SSAW型芯片，叉指换能器与微流腔平行。
步骤二、根据目标分离纯度计算微流腔的腔体尺寸：
根据目标分离纯度d＝0.95，需要分离的两种粒子半径a1＝3μm和a2＝3.8μm,计算分离距离Δy≥2×(a1+a2)×tan(πd/2),得到分离距离Δy需大于173μm。根据最小分离距离计算微流腔腔体内截面的宽度W≥2Δy，腔体内截面高度H≥5(a1+a2)，本实施例中选择微流腔内截面的宽度W＝600μm，高度H＝80μm。
步骤三、确定芯片工作频率和液流参数：
根据两种粒子的尺寸选择叉指换能器的驱动频率f，f＝13.4MHz，计算对应声表面波波长λs，λs＝cs/f，本例中cs＝4000m/s。相应的声表面波波长约为λs≈300μm，该表面波波长λs满足既不小于10a1也不小于10a2的要求。
根据粒子的尺寸、性质和叉指换能器的驱动频率，本实施例选择水作为承载聚苯乙烯微球的流体；此时水的粘滞层厚度δ＝(η/πρ0f)1/2≈0.17μm，其中η为水的动力粘滞系数，ρ0为水的密度。δ满足既小于0.1a1同时也小于0.1a2的要求。根据所需分离粒子通量P＝100个/秒以及微流腔中目标粒子浓度n(～1×1012个/立方米)，确定微流腔内流体流速vf＝P/(n×S)≈2mm/s，其中S为微流腔腔体内截面积，S＝W×H＝0.048mm2。
步骤四、计算达成粒子分离所需的腔体内驻波升压幅值：
计算两种半径的聚苯乙烯微球的参数Ψ1和Ψ2。Ψi＝Φiai 2(i＝1,2)，其中Φi为粒子i的声学对比因子，Φi＝f1i/3+Re(f2i)(2c0 2-cs 2)/2cs 2，c0为流体中声速，f1i为粒子i的声学单极子散射系数，f2i为粒子i的声学偶极子散射系数，f1i＝(κpi-κ0)/κpi，f2i＝2(ρpi-ρf)/(2ρpi+ρ0)，ρpi为粒子的密度，ρ0为流体的密度，κpi为粒子的可压缩率，κ0为流体的可压缩率。
半径为3μm的微球其参数Ψ1＝1.2×10-12m2，半径为3.8μm的微球其参数Ψ2＝2.0×10-12m2。根据同类芯片中此前测得的电声转换系数ζ＝5.66×105Pa/V，典型外围电路提供的驱动电压范围V0＝0.5～50V，微流腔内驻波声压幅值p0＝ζV0≈340kPa。
步骤五、利用理论公式，进行叉指换能器参数的优化，计算叉指换能器的最小口径；
本实施例所述微流控芯片为PM-SSAW型芯片，选择B方式进行器件参数优化设计，即调节两输入信号，使两者的相位差随时间变化，时变速率为s。根据公式计算两个叉指换能器输入信号的相位差时变速率为s，
其中ky＝2π/λs为声表面波波数，得到s≈17.7s-1，PM-SSAW芯片所需s参数优化过程与流速vf不直接相关。再据此确定叉指换能器的最小口径LIDT＝Δycosθ/(b1 2-b2 2)1/2≈1.1mm，定义b1＝s/(2kyvf)，b2＝kyp0 2Ψ1/(6ηρ0c0 2)。在PM-SSAW型芯片中，cosθ＝1，微流腔的超声表面波作用区的长度L应不熊宇叉指换能器的口径LIDT，选定超声表面波作用区域的长度L＝2mm≥LIDT。
步骤六、确定微流腔制备参数，进行芯片制备，设置流速与输入电压，进行粒子分离；
根据叉指换能器的驱动频率f、微流腔内截面宽度W、微流腔内截面高度H、叉指换能器倾斜角度θ、叉指换能器的最小口径LIDT、微流腔的超声表面波作用区的长度L、叉指换能器的指条宽度、叉指换能器与微流腔之间的距离dIC以及叉指换能器之间的最小距离dII等参数制备微流控芯片。每个叉指换能器与液流通道之间的最短距离dIC不小于λs/4，且两个叉指换能器之间的最小距离dII为λs/4的整数倍，指条宽度为声表面波波长λs的四分之一。
基于公知方法测量所述电声转换系数，得到输入电压。可通过将其中一个叉指换能器的驱动频率增大或减小Δf来实现PM-SSAW型芯片中两列声表面波的时变相位差，此时相位差时变速率s＝2πΔf。设定流体流速为2mm/s后，叉指换能器的输入电压分别设置为
和
其中t为时间，
为任意相位值，利用该装置对聚苯乙烯微球进行分离。
本实施例两种粒子通过微流控芯片分离后运动轨迹如图5所示，图5所示x轴为粒子运动距离，y轴为两种类型粒子分离距离，通过图示可以得到本实施例两种微球粒子最终实际的分离距离为274μm，分离纯度96.8％，优于预设的设计指标173μm。本实施例在芯片制备前即可确定部分设计参数，对如分离距离Δy、流速vf、输入电压峰值、PM-SSAW型芯片中的相位差时变速率s等参数进行优化，提高制备效率。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (10)
1.一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，所述芯片设计包括如下步骤：
步骤一、确定微粒子的分离参数和芯片的结构组成；根据需分离的微粒子半径ai(i为微粒子代号，i＝1,2)和目标分离纯度d确定微粒子的最小分离距离Δy；根据最小分离距离Δy和半径ai确定微流腔内截面的宽度W和高度H，微流腔通道截面积S＝W*H；
步骤二、确定芯片工作频率和液流参数；根据微粒子半径确定叉指换能器的驱动频率f以及超声表面波波长λs，λs＝cs/f，cs为芯片基底中超声表面波的传播速度；选择承载微粒子的流体并计算流体的粘滞层厚度δ；据微粒子分离通量P、通道截面积S和目标粒子的体积浓度n确定微通道中的液流速度vf；
步骤三、确定叉指换能器及微流腔的设计参数；通过微流控芯片的电声转换系数ζ和典型驱动电压幅度V0确定微流腔内驻波升压幅值p0；计算微粒子参数Ψi，优化叉指换能器输入信号和相位差随时间变化的速率s以及叉指换能器指条方向与微流控通道的夹角θ，确定超声表面驻波作用区的长度L、叉指换能器的最小口径LIDT、叉指换能器与液流通道最短距离dIC和叉指换能器之间最小距离dII；
步骤四、确定芯片工作参数；根据叉指换能器向流体中辐射声波的电声转换系数ζj(j为叉指换能器代号，j＝I,II)和微流腔内驻波升压幅值p0确定叉指换能器的输入电压峰值Vp,j，设置叉指换能器的输入电压Vj。
2.根据权利要求1所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，步骤一中最小分离距离的计算公式为Δy≥2×(a1+a2)×tan(πd/2)，微流腔内截面宽度计算公式为W≥2Δy，微流腔内截面高度计算公式为H≥5(a1+a2)。
3.根据权利要求1所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，步骤二中流体的粘滞层厚度的计算公式为δ＝(η/πρ0f)1/2，η为流体的动力粘滞系数，ρ0为流体密度；液流速度计算公式为vf＝P/(n×S)。
4.根据权利要求1所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，步骤三中微粒子参数Ψi＝Φiai 2，其中Φi为微粒子i的声学对比因子，Φi＝f1i/3+Re(f2i)(2c0 2-cs 2)/2cs 2；f1i为微粒子i的声学单极子散射系数，f2i为微粒子i的声学偶极子散射系数，f1i＝(κpi-κ0)/κp，f2i＝2(ρpi-ρf)/(2ρpi+ρ0)，c0为流体中声速，ρpi为粒子的密度，ρ0为流体的密度，κpi为粒子的可压缩率，κ0为流体的可压缩率。
5.根据权利要求4所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，叉指换能器输入信号和相位差随时间变化的速率s以及叉指换能器指条方向与微流控通道的夹角θ的优化有两种方式，根据芯片制备工艺选择一种方式进行优化：
方式一：使s＝0，θ≠0，将θ确定为
定义b1＝sinθ，b2＝kyp0 2Ψ1/(6ηρ0c0 2)；其中ky＝2π/λs为声表面波波数；经此优化的芯片记为TaSSAW型；
方式二：使θ＝0，s≠0，将s确定为
定义b1＝s/(2kyvf)，b2＝kyp0 2Ψ1/(6ηρ0c0 2)；经此优化的芯片记为PM-SSAW型。
6.根据权利要求5所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，叉指换能器的最小口径计算公式为LIDT＝Δycosθ/(b1 2-b2 2)1/2，超声表面驻波作用区的长度L不小于叉指换能器的最小口径LIDT，叉指换能器与液流通道最短距离dIC不小于λs/4，叉指换能器之间最小距离dII为λs/4的整数倍。
7.根据权利要求2所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，步骤三中微流腔内驻波升压幅值p0＝ζV0；步骤四中叉指换能器的输入电压峰值Vp,j＝p0/ζj，叉指换能器I和叉指换能器II的输入电压分别设置为
和
其中t为时间，
为任意相位值。
8.根据权利要求3所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，超声表面波波长λs大于等于十倍微粒子半径。
9.根据权利要求8所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，流体的粘滞层厚度δ大于等于十分之一微粒子半径。
10.根据权利要求5所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片设计方法，其特征在于，PM-SSAW型芯片中两列声表面波的时变相位差通过叉指换能器的驱动频率增大或减小Δf实现，相位差时变速率s＝2πΔf。
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