CN207119375U - 一种实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片，所述声表面波集成芯片包括基底材料(22)和集成叉指换能器组；所述集成叉指换能器组包括两组叉指换能器，分布在基底材料(22)上；一组叉指换能器为瑞丽波换能器(23)，用于微流体的驱动；用于使该换能器产生的声波能量集中在焦点区域内，从而实现微流体的定点搅拌。本实用新型的声表面波集成芯片能够实现同步驱动和定点搅拌，提高了液滴的混合效率，并且定点搅拌可解决传统芯片能量浪费、搅拌效率低等的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及微流体反应芯片技术领域，具体涉及一种实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片。
背景技术
声表面波(SAW)器件因其体积小、性能优异等特点得到广泛关注与应用，包括声表面波滤波器、传感器等。近几年，在微流控研究领域，人们关注到利用声表面波器件实现微流体的驱动、搅拌、分离等有很大优势，它基于声表面波进入流体后所产生的复杂的流-固耦合响应，可以产生可控制的声波。同时基于声表面波技术的微流体器件具有结构简单、易于制造、适于批量生产、生物相容性良好，能够快速驱动流体且驱动力较大、易于芯片中集成等优势，使得声表面波微流控器件成为研究热点。
目前国内外对基于声表面波在微流控领域的研究主要集中在驱动微流体液滴的分离、移动、混合、沉淀，以及生物样品和试剂的定量输送、细胞粉碎、杂质过滤、DNA增放等。文献1(Liang Guo,Guvanasen GS,Xi Liu,Tuthill C,Nichols TR,DeWeerth SP.A PDMS-based integrated stretchable microelectrode array(isMEA)for neural andmuscular surface interfacing.IEEE Trans Biomed Circuits Syst.,2013,7(1):1-10)将一对微型压电换能器集成到一个PDMS材料的微流控通道中，利用产生的体波对通道内的层流进行搅拌混合。Z文献2(Zeno Guttenberg[Guttenberg Z,Muller H,Habermuller H,Pipper J,Kielpinski M,Scriba J,Wixforth A.Planar chip device for PCR andhybridization with surface acoustic wave pump.Lab Chip,2005,5(3):308-17)利用SAW移动液滴的方法，在SAW微流控器件上完成了PCR(聚合酶链反应)。CN201610054688公开了一种基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应的芯片，该芯片能够大幅度地提高液体的混合效率。这些SAW驱动器利用压电材料的逆压电效应产生SAW，在不同作用力的共同作用下，或实现液滴的搅拌，或实现液滴的移动，或实现液滴的微小单元聚焦等，但是目前还没有同步实现微流体的驱动和定点搅拌功能的集成芯片，且搅拌能量浪费，不能有效集中。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服目前缺乏同步实现微流体的驱动和定点搅拌功能的SAW集成芯片的问题，设计了一种实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片，能够同时实现对液滴的驱动和定点搅拌。该芯片在液滴传播路径的一端设计有两种不同工作频率的叉指换能器，同时实现液滴的驱动和定点搅拌功能。
为了实现上述目的，本发明提出了一种实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片，所述声表面波集成芯片包括基底材料22和集成叉指换能器组；所述集成叉指换能器组包括两组叉指换能器，分布在基底材料22上；一组叉指换能器为瑞丽波换能器23，用于微流体的驱动；另一组叉指换能器为表面横波模式的扇形加权换能器21，用于使该换能器产生的声波能量集中在焦点区域内，从而实现微流体的定点搅拌。
作为上述装置的一种改进，所述表面横波模式的扇形加权换能器21和瑞丽波换能器23的工作频段不同。
作为上述装置的一种改进，所述基底材料22的材料为LiNbO3、LiTaO3或石英。
本实用新型的有益效果是：本实用新型的实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片，分别设计两组不同的换能器结构，并列分布在液滴传播路径的一端，工作在不同的频率。一组表面横波换能器采用孔径加权结构，使产生的声波能量集中在焦点区域，另一组瑞丽波换能器采用常规换能器，用于驱动液滴，从而实现同步驱动和定点搅拌，提高了液滴的混合效率，并且定点搅拌可解决传统芯片能量浪费、搅拌效率低等的问题。
附图说明
图1为现有技术的声表面波芯片结构示意图；
图2为本发明的实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片的结构示意图；
图3为微流体器件工作示意图。
附图标识
11、叉指换能器 12、基底材料 21、表面横波模式的扇形加权换能器
22、基底材料 23、瑞丽波换能器 31、声表面波集成芯片
32、微流注射泵 33、沟道
具体实施方式
现有的声表面波集成芯片如图1所示。本实用新型的实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片是一种基于声表面波进入流体后所产生的复杂的流-固耦合效应的集成芯片，其改进了现有声表面波集成芯片的叉指换能器11，如图1所示；采用两种不同频率的换能器结构集成，两个换能器的叉指电极分别采用不同的形状和结构，分别产生驱动和定点搅拌的效果。
下面通过附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
如图2所示，一种实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片，所述声表面波集成芯片包括基底材料22和集成叉指换能器组；所述集成叉指换能器组包括两组叉指换能器，分布在基底材料22上；一组叉指换能器为瑞丽波换能器23，用于微流体的驱动；另一组叉指换能器为表面横波模式的扇形加权换能器21，使该换能器产生的声波能量集中在焦点区域内。实现微流体的定点搅拌；设计这两组叉指换能器的结构工作在不同频段以去除信号串扰。
所述集成叉指换能器组，改进了传统声表面波芯片的叉指换能器，分别设计两种不同的换能器结构，并列分布在液滴传播路径的一端，工作在不同的频率。一组表面横波模式的扇形加权换能器2是产生的辐射力集中在焦点中心，另一组瑞丽波换能器23是普通换能器，用于驱动液滴。叉指换能器的尺寸和结构确定后，换能器的f0就固定了。在同一芯片上设计两种不同的换能器结构，使得幅频特性满足特定的要求，当外加信号的频率等于f1时，所述换能器21的扇形加权电极所激发的声表面波同相叠加，该能量促使液滴定点搅拌；当外加信号的频率等于f2时，瑞丽波换能器23的电极所激发的声表面波相叠加，该能量促使液滴驱动，外加信号在这两频率之间交错产生，使得声表面波集成芯片实现同步驱动和定点搅拌，提高液滴的混合效率，同时实现对微小单元中液体的有效控制。
所述表面横波模式的扇形加权换能器21产生聚焦声表面波作用于中心焦点区域，对中心焦点区域的微小单元反应室内混合流体产生集中机械搅拌，使微小单元中的液滴在集中机械振动条件下高效率混合或反应。
所述基底材料22采用LiNbO3、LiTaO3、石英等压电晶体材料。
如图3所示，所述微流体器件包括所述实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片31、微流注射泵32和沟道33，声表面波集成芯片31作为移动定点搅拌装置。
所述沟道33，采用高分子聚合物中的固化性聚合物PDMS，耐用，廉价且有一定的化学惰性。
其工作原理为，微流注射泵32将液滴推动到PDMS沟道33中，声表面波微流体集成芯片31引发声流效应。在常规换能器22的SAW驱动下，液滴在声波传播路径上实现驱动。在孔径加权换能器21的SAW作用下，液滴在微小单元中在声流的激励下实现定点搅拌。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片，所述声表面波集成芯片包括基底材料(22)和集成叉指换能器组；其特征在于，所述集成叉指换能器组包括两组叉指换能器，分布在基底材料(22)上；一组叉指换能器为瑞丽波换能器(23)，用于微流体的驱动；另一组叉指换能器为表面横波模式的扇形加权换能器(21)，用于使该换能器产生的声波能量集中在焦点区域内，从而实现微流体的定点搅拌。
2.根据权利要求1所述的实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片，其特征在于，所述表面横波模式的扇形加权换能器(21)和瑞丽波换能器(23)的工作频段不同。
3.根据权利要求1或2所述的实现驱动和定点搅拌的声表面波集成芯片，其特征在于，所述基底材料(22)的材料为LiNbO3、LiTaO3或石英。
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| CN109012769A (zh) * | 2018-07-11 | 2018-12-18 | 西安交通大学 | 一种基于表面声波的微流控液滴生成装置及方法 |
| CN109569392A (zh) * | 2018-12-21 | 2019-04-05 | 北京工业大学 | 一种基于声表面波的y型主动式微混合器 |
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