JP2024505338A - 薄膜超音波トランスデューサを用いた音響流体操作のための装置及び方法 - Google Patents

薄膜超音波トランスデューサを用いた音響流体操作のための装置及び方法 Download PDF

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Abstract

音響流体装置であって、－マイクロ流体キャビティが配置された基板と、－超音波振動を前記基板に伝達し、前記基板の全体を振動させるために、前記基板の１つの面の少なくとも一部と音響的に接触して設けられた薄膜超音波トランスデューサであって、好ましくは１００μｍ未満、例えば５０μｍ未満、例えば５μｍ未満、例えば２μｍ未満の厚さを有する、薄膜超音波トランスデューサと、を含む、音響流体装置が提供される。音響流体操作を行う方法及び音響流体装置を製造する方法も提供される。

Description

本明細書で提案する技術は、概ね、超音波を使用して液体及び懸濁液中に波を生成させ、液体と相互作用させる、或いは、液体や懸濁液中の異なる種類の粒子と相互作用させる音響流体学の分野に関するもので、例えば、特に粒子の分離及び選別、或いは、液体又は懸濁液の混合を実行するためのものである。本明細書で提案する技術は、一般的に使用されている圧電バルク超音波トランスデューサの代わりに薄膜アクチュエータを使用して、このような音響流体操作を実行する装置及び方法に関するものである。
音響流体学とは、一般に、音を使って、液体や、液体や懸濁液中の粒子に影響を与えることを指す。粒子に影響を与える音響流体学は、一般に、音響泳動と呼ばれる。音響泳動は、特に、血漿から血球を分離したり、血液から循環腫瘍細胞を分離・回収したりするなど、懸濁液中の異なる種類の細胞を分離するために使用されてきた。一般に、音響流体装置は、基板に形成されたマイクロ流体流路などのマイクロ流体キャビティを含む。懸濁液は、層流条件下で流路を通じて液送され、又は、流路に静止している。超音波トランスデューサ、特に圧電素子は、基板に取り付けられ、約１～１０Ｍｈｚの範囲で基板に超音波振動を発生するように作動させられる。流路の寸法、特に高さ又は幅が、超音波振動の周波数に適切に適合していることを条件として、流路に定在波が現れることがある。この定在波は、懸濁液中の粒子に対して、懸濁液中の懸濁液の液体に対する各粒子の特性によって決まる個々の粒子の音響コントラストに依存する力を及ぼし、したがって、粒子は、音響コントラストに依存して、定在波の圧力ノードに向かって又は定在波の圧力ノードから離れるように動くことを強いられることになる。
用途には、上記のように、粒子の分離、選別、捕捉、その他の操作が含まれる。音響流体学のより一般的な用途には、液体の混合を含む。一般的に、音響流体装置は、液体の混合などの一般的な音響流体操作と、粒子の操作などの音響泳動操作の両方に使用することができる。
一般に、上述したように、圧電素子、すなわち圧電材料の固体片が、トランスデュースするために、つまり、入力された電気信号を超音波振動に変換するために使用される。
圧電材料には、特に、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、オルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの非中心対称の結晶構造を持つ結晶材料や、一般的な圧電セラミックスである次の化学式（Ｐｂ［ＺｒｘＴｉ１－ｘ］Ｏ３、０≦ｘ≦１）のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）などのランダム方位粒を有する強誘電体セラミックスが含まれる。
音響泳動に使用する超音波トランスデューサを得るために、適切な大きさの圧電材料の固体片を入手し、この固体片に電気信号を圧電材料に導くための電極を設ける。適切な大きさの固体片を得ることと電極を設けることのいずれにも、時間と手間を要する場合がある。
一例として、適切な寸法の圧電材料の固体片を得るためには、より大きな固体片を切断又はその他の方法で加工する必要がある場合がある。適切な寸法とは、その寸法（例えば、幅、長さ、高さ）によって規定される固体片の自然共振周波数が、超音波トランスデューサが作動する予定の周波数に一致するか、一致しない場合でもその周波数に適している寸法のことである。このような超音波トランスデューサは、トランスデューサ自体のバルクで共振が起こるという点で、バルク超音波トランスデューサと呼ばれる。これは、バルク音響波（ＢＡＷ）とも呼ばれる。
さらに、圧電材料の固体片から超音波トランスデューサが作られると、一般的には、それを音響流体装置に手動又は半手動で取り付ける必要があり、このプロセスにも時間がかかり、労働集約的であり、又は、音響流体装置の製造時に再現性が低くなる可能性がある。
超音波トランスデューサのサイズと一般的に見られる立方体又はくさび形の形状のため、音響流体装置の容積がさらに増加する可能性があり、そうでないとしても、チップ形状、すなわち平坦になり、又は、毛細管形状、すなわち細長くなる傾向がある。このため、音響流体装置を大型の分析システムなどに組み込む際に不都合が生じる可能性がある。
音響流体装置にバルク超音波トランスデューサを使用することに関連するさらなる困難は、バルク超音波トランスデューサのバルク及び固有の共振が、それが取り付けられる基板の共振条件に著しく影響することである。この影響は、トランスデューサと基板との間のサイズ及び重量関係に依存し、そのため、同じ種類及びサイズのバルク超音波トランスデューサを使用して異なるサイズ及び構成の基板を作動させると、予期せぬ効果が生じることがある。
まとめると、従来の圧電バルク超音波トランスデューサを用いた音響流体方法や装置は、一般に上記のような欠点がある。
音響流体学の分野では、薄膜超音波トランスデューサが使用されている。ここで薄膜とは、一般的にｎｍからμｍの範囲の厚さを持つ材料層を指し、バルクトランスデューサ（一般的に数百μｍからｍｍの範囲の寸法を持ち、動作周波数で半波長又は１／４波長の厚さの共振を持つことが多い）よりもかなり薄い。
一例として、非特許文献１（Reichert at al. Lab Chip 18、3665（2018））は、サンプル流体が配置されるマイクロ流体流路の一方の壁を規定した薄い柔軟な膜を介してサンプル流体と接触して提供される薄膜超音波トランスデューサを用いることを開示する。薄膜超音波トランスデューサの作動は、サンプル流体を機械的に加圧する。また、特許文献１（国際公開第０２／２８５２３号）は、薄膜超音波トランスデューサの使用について言及しているが、この薄膜超音波トランスデューサは、マイクロ流体流路内に直接配置される。この場合、流路が設けられた基板は、薄膜超音波トランスデューサによって振動させられない。
特許文献２（国際公開第２０１９／０４３１９８号）は、液体懸濁液で満たされたマイクロ流体流路を含む基板の音響共振ピークに対応する周波数で少なくとも１つの超音波トランスデューサを作動させることによって、ポリマー基板において音響泳動操作を行う方法を開示する。
最後に、特許文献３（国際公開第０４／０３０８００号）では、一般的に、基板の外面に取り付けられる超音波トランスデューサは、薄膜超音波トランスデューサである可能性があるとしている。しかし、この文書ではさらに、トランスデューサ自体の中で共振が起こるように、トランスデューサは十分な厚さを有するべきであるとしているため、これを薄膜超音波トランスデューサとみなすことはできない。
国際公開第０２／２８５２３号 国際公開第２０１９／０４３１９８号 国際公開第０４／０３０８００号
Reichert at al. Lab Chip 18、3665（2018）
本明細書で提案する技術は、従来のバルクセラミック超音波トランスデューサの使用から生じる前述の欠点を回避又は克服することを目的とする。
したがって、本明細書で提案する技術の主な目的は、薄膜超音波トランスデューサを含む音響流体装置を提供することである。
本明細書で提案する技術のさらなる目的は、薄膜超音波トランスデューサを含む音響流体装置において、音響流体操作を実行する方法を提供することである。
本明細書で提案する技術のさらに別の目的は、薄膜超音波トランスデューサを含む音響流体装置を製造する方法を提供することである。
上述の目的の少なくとも１つ、又は、以下の説明から明らかになるさらなる目的の少なくとも１つは、本明細書で提案する技術の第１の側面によれば、
－ マイクロ流体キャビティが配置された基板と、
－ 超音波振動を前記基板に伝達し、前記基板の全体を振動させるために、前記基板の１つの面の少なくとも一部と音響的に接触して設けられた薄膜超音波トランスデューサであって、薄膜超音波トランスデューサは、好ましくは１００μｍ未満、例えば５０μｍ未満、例えば５μｍ未満、例えば２μｍ未満の厚さを有する、薄膜超音波トランスデューサと、
を含む音響流体装置によって達成される。
上述の目的の少なくとも１つ、又は、以下の説明から明らかになるさらなる目的の少なくとも１つは、本明細書で提案する技術の第２の側面によれば、
ａ．音響流体装置を提供するステップであって、当該音響流体装置は、
－ マイクロ流体キャビティが配置された基板と、
－ 超音波振動を前記基板に伝達し、前記基板の全体を振動させるために、前記基板の１つの面の少なくとも一部と音響的に接触して設けられた薄膜超音波トランスデューサであって、好ましくは、提案される技術の第１の側面による、薄膜超音波トランスデューサとを含む、ステップと、
ｂ．液体又は液体懸濁液で満たされたマイクロ流体キャビティを含む基板の音響共振ピークに対応する周波数ｆで薄膜超音波トランスデューサを作動させるステップと、
ｃ．液体又は液体懸濁液に対して音響流体操作を行うために、液体懸濁液をマイクロ流体キャビティに供給するステップと、
を含む、音響流体操作を実行する方法によってさらに達成される：
したがって、本明細書で提案する技術は、驚くべきことに、バルク超音波トランスデューサが使用される方法と同様に、基板を作動させるために、薄膜超音波トランスデューサを実際に使用することができるという本発明者らの発見に基づく。しかし、これは、薄膜超音波トランスデューサが、少なくとも液体又は液体懸濁液で満たされたマイクロ流体キャビティを含む基板の音響共振ピークに対応する周波数ｆで駆動されることを必要とする。特に、基板の外面での基板と周囲の空気の音響インピーダンスの違いによって形成される界面が音の反射を起こすので、基板全体での共振が得られるようになる。これは全体共振とも呼ばれる。この共振は、１次元又は２次元の定在波となりうるが、好ましくは、マイクロ流路を含む基板全体の３次元立体共振となり、この３次元立体共振は、１次元又は２次元の共振又はその重ね合わせとして表現できる場合とできない場合がある。
これは、一般的にマイクロ流体キャビティ自体の共振周波数で作動する、すなわち基板全体の音響共振ピークに関係なく作動する従来のバルク超音波トランスデューサとは異なるものである。このようなバルク超音波トランスデューサは、さらに、それがミリメートルサイズであるため、音響流体装置自体の共振に大きく影響する。これに対して、本明細書で提案する技術で使用される薄膜超音波トランスデューサは、通常、１００μｍ未満、例えば１０μｍ未満の厚さを有しており、したがって、音響流体装置自体の共振に無視できる程度の影響しか与えない。このことは、音響流体装置に薄膜超音波トランスデューサを使用するこれまでの試みとはさらに異なるものである。
本明細書で提案する技術によれば、薄膜超音波トランスデューサは、超音波振動を基板に伝達して基板を振動させるために、基板の１つの面の少なくとも一部、好ましくは１つの外面の少なくとも一部と音響的に接触している。これに対し、先行する試みで使用された薄膜超音波トランスデューサは、それらの基板において流路内の流体と直接接触して設けられたり、流体と接触している薄い膜を作動させるために使用されたりしていた。外面は、基板の外側の面であり、すなわち、マイクロ流体キャビティ内の面ではない。外面は、基板の底面、上面、側面、または端面であってもよい。好ましくは、外面は、基板の上面又は下面である。
例１で述べるように、本明細書で提案する技術は、μｍ範囲の厚さを有する薄膜超音波トランスデューサを備えた音響流体装置が、マイクロ流体キャビティにおいて、ｍｍ範囲の寸法を有する従来のバルク超音波トランスデューサによって得られるものと同じオーダーの音響流体効果を、後者の欠点なしに提供できるという技術を提供する。
本明細書で提案する技術は、音響流体装置及び音響流体方法についていくつかの利点を提供する。すなわち、本技術は、（クリーンルームなどでの薄膜超音波トランスデューサの精密な微細加工による）音響流体装置のより高い再現性を可能とし、超音波トランスデューサによる散逸減衰が音響流体装置全体の共振品質に与える影響を非常に少なくし、さらに薄膜超音波トランスデューサ及び音響流体装置の大量生産を可能にする。また、音響流体装置は、薄膜超音波トランスデューサや基板内のマイクロ流体キャビティのオフセットに対してあまり敏感ではない。
音響流体操作は、一般に、液体又は懸濁液中の任意の粒子を含む液体又は懸濁液に影響を与えることに関するものであり、集中（すなわち、粒子をマイクロ流体キャビティのとびとびの領域に移動させること）、捕捉（すなわち、粒子をマイクロ流体キャビティに保持すること）、分離（すなわち、異なる粒子（ここでの粒子は、マイクロ流体キャビティ内の液体と比較してサイズ及び／又は音響コントラストが異なる）を異なる方向及び／又は異なる速度で移動させること）の１つ以上を含み得る音響泳動操作を含んでもよく、又は、そのような音響泳動操作から構成されてもよい。
本明細書で提案する技術の文脈では、音響流体装置は、音響泳動装置（acoustophoretic device）、音響泳動チップ、音響泳動装置（acoustophoresis device）を包含するものとして理解されるべきである。
本明細書で提案する技術の文脈では、薄膜超音波トランスデューサの厚さは、超音波振動を提供する材料層の厚さである。一例として、薄膜超音波トランスデューサが圧電材料又は電歪材料の層を含む場合、圧電材料又は電歪材料の層に電気信号を供給するために用いられる電極層又は複数の電極層の厚さは、薄膜超音波トランスデューサの厚さに含まれない。
基板は、ガラス、金属、セラミック、及びシリコンを含む多くの異なる材料から作られてもよい。さらに、基板が、ポリマー材料、特に環状オレフィンコポリマー（ＣＯＰ）、環状オレフィンポリマー（ＣＯＣ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）及びポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などのプラスチックから作られてもよいことは、ここで提案する技術の文脈において想定される。
超音波の範囲、好ましくは０．１～２０ＭＨｚの範囲、より好ましくは０．８～８ＭＨｚの範囲、最も好ましくは１～５ＭＨｚの範囲の周波数において基板の共振に対応する共振ピークが存在することを条件に、基板は、異なる形状、長さ、高さ、幅を有してもよい。
典型的には、基板は、底面、対向する上面、２つの対向する側面、及び、２つの対向する端面を有する。基板の長さ、高さ、幅は、典型的には、１０～１００ｍｍ（長さ）、０．５～３ｍｍ（高さ）、１～１０ｍｍ（幅）の範囲にある。基板は、例えば、毛細血管形状のものとして構成することもあり得る。
マイクロ流体キャビティは、基板の少なくとも一部に沿って延びていてもよく、入口とその反対側の端に出口を備えてもよい。マイクロ流体キャビティは、特に、マイクロ流体流路を含んでもよい。マイクロ流体キャビティは、床、天井、及び２つの対向する側壁を有してもよい。典型的には、マイクロ流体キャビティは、長方形又は実質的に長方形の断面を有するが、他の形状の断面も可能である。マイクロ流体キャビティを通過する任意の粒子のサイズに応じて、マイクロ流体キャビティの幅は、典型的には、０．１～１ｍｍであり、高さは０．０５～０．５ｍｍである。マイクロ流体キャビティ内の液体又は懸濁液は、キャビティを通って流れてもよいし、流れなくてもよいと理解されるべきである。
いくつかの実施形態では、マイクロ流体キャビティの幅は最大４ｍｍ、マイクロ流体キャビティの高さは最大２ｍｍとすることができる。
マイクロ流体キャビティは、基板内の共振が、粒子が懸濁された液体とは異なる音響コントラストを有する任意の粒子に音響力を生じさせるように、基板に配置される。基板は一体に形成することができる。しかし、典型的には、基板は２つの部分から形成されるので、キャビティが一方の部分にトラフ又は溝として容易に実現され得、その後、他方の部分が蓋として配置されてトラフ又は溝を密閉して空洞を形成する。薄膜超音波トランスデューサを取り付ける場合には、蓋は基板全体が振動するように超音波振動を基板の残りの部分に伝達するに十分な厚さを有することになるので、蓋は膜とはならない。蓋は、典型的には、マイクロ流体キャビティの最小寸法と少なくとも同じ厚さ、又は、基板の最小外寸の少なくとも１／１０の厚さを有する。なお、薄膜超音波トランスデューサには、キャビティは設けられない。
キャビティは、さらに、その長手方向に沿った異なる位置で異なる寸法を有してもよい。キャビティは、さらに、その長手方向に沿った異なる位置で、複数のキャビティに分岐してもよく、複数のキャビティが１つのキャビティに結合してもよい。
通常、マイクロ流体キャビティは、幅や高さなどについて、少なくとも１つの最小寸法を有し、薄膜超音波トランスデューサの厚さは、前記少なくとも１つの最小寸法より小さい。
好ましくは、基板は、幅や高さなどについて最小寸法を有し、薄膜の厚さは最小寸法の１／１０未満、より好ましくは１／１００未満である。
薄膜超音波トランスデューサは、通常、音響流体装置の総容積の０．００１未満を占める。
薄膜超音波トランスデューサは、圧電材料に電気エネルギーを供給して振動させるために、第１及び第２の電極に接続された圧電材料の層を含んでもよい。
好ましくは、薄膜超音波トランスデューサは、薄膜超音波トランスデューサの第１の側面を規定する第１の電極層と薄膜超音波トランスデューサの第２の側面を規定する第２の電極層との間に配置された圧電材料又は電歪材料の層を含んでよく、薄膜超音波トランスデューサの第１の側面は、基板の１つの面、好ましくは１つの外面の、少なくとも一部と音響接触して提供される。第１及び第２の電極層は、金属、例えば銀又は金のような導電性材料で作られていることが好ましい。
薄膜超音波トランスデューサを、基板上の異なる位置に配置してもよい。基板が、キャビティが溝などとして形成されたベース基板を含み、蓋基板が、ベース基板を覆い、ベース基板とともにキャビティを規定するようにベース基板に取り付けられる場合、薄膜超音波トランスデューサは、好ましくはベース基板に取り付けられてもよい。或いは、薄膜超音波トランスデューサは、蓋基板に取り付けられてもよい。ただし、いずれの場合も、薄膜超音波トランスデューサは、基板全体を振動させることができるように位置決めされる。
さらに、蓋基板又はベース基板は、異なる寸法で構成されてもよく、例えば、蓋基板がベース基板よりも大きな面積を有し、ベース基板が蓋基板の表面の一部にしか取り付けられていない構成やその逆のような構成としてもよい。
少なくとも１つの薄膜超音波トランスデューサは、直接物理的に接触することによって、又は、例えば音響伝達材料（薄膜超音波トランスデューサに電気信号を伝達するために使用される電極又は電極層など）を介して間接物理的に接触することによって、基板と音響的に接触してもよい。
好ましくは、薄膜超音波トランスデューサは、１つの面の大部分、例えば全部と音響的に接触するように提供される。或いは、薄膜超音波トランスデューサは、１つの面の一部と音響的に接触するように提供される。好ましくは、マイクロ流体キャビティの少なくとも一部が１つの面を通して観察できるように、薄膜超音波トランスデューサが提供されてもよい。
好ましくは、薄膜超音波トランスデューサは、基板の面に積み重ねられる。或いは、薄膜超音波トランスデューサは、基板とは別のものとされ、接着剤によって基板の面に取り付けられる。
基板の面に最初に第１の電極又は電極層を積み重ねることによって、薄膜超音波トランスデューサが積み重ねられるようにしてもよい。次に、圧電材料又は電歪材料の層を、第１の電極又は電極層上に積み重ねる。最後に、圧電材料又は電歪材料の層の上に第２の電極又は電極層を積み重ねる。上記のように、第１及び第２の電極又は電極層は、金属、例えば白金、銀、又は金のような導電性材料で作られることが好ましい。薄膜超音波トランスデューサの基板への取り付けを容易にするために、追加の層が含まれてもよい。一例として、電極又は電極層が積み重ねられる前に、チタンの第１の層（例えば１ｎｍ）が基板上に積み重ねられてもよい。電極又は電極層の厚さは、様々であってよい。電極層は、例えば、５０～２００ｎｍ、例えば、７０～１５０ｎｍ、例えば、８０～１００ｎｍの厚さを有してよい。したがって、一般に、電極又は電極層は、超音波振動を提供する材料、すなわち、典型的には圧電材料又は電歪材料よりも薄い。
典型的には、薄膜超音波トランスデューサは、電気駆動信号によって振動させられる圧電材料又は電歪材料を含む。しかし、磁歪材料（磁界で寸法が変化する材料）および熱音響材料（温度変化に応答して音響振動を発する材料）のような他の種類の超音波トランスデューサ材料も使用できることが、本明細書で提案する技術の文脈でさらに想定されている。さらに、本明細書で提案する技術の文脈では、薄膜超音波トランスデューサが静電機能を採用することも考えられ、これにより、薄膜超音波トランスデューサの電極間の静電引力及び／又は斥力を変化させて振動を生じさせることができる。
好ましくは、ステップｃは、ステップｂの前、およびステップａの後に実行される。
好ましくは、薄膜超音波トランスデューサの厚さは、１０μｍ未満、より好ましくは５μｍ以下、例えば０．０１～５μｍ、より好ましくは３μｍ以下、例えば０．５～３μｍ、より好ましくは２μｍ以下、例えば０．５～２μｍ、例えば０．５～１．５μｍ、例えば１μｍ以下などである。これらの厚さは、典型的には、薄膜超音波トランスデューサ材料において、音響流体装置を作動させて音響流体操作を行うときに使用される音響流体装置の共振周波数のための波長の１／４未満である。
これらは、薄膜の典型的な厚さである。しかし、薄膜超音波トランスデューサは、１つ又は複数の単原子層又は単分子層まで薄くするなど、著しく薄くてもよい。一般に、より薄い薄膜超音波トランスデューサの方が製造が容易な場合があり、一方で、より厚い薄膜超音波トランスデューサは、マイクロ流体キャビティにおいてより強い音響流体効果を提供する可能性がある。
好ましくは、音響流体装置は、
－ 超音波振動を基板に伝達し、基板を振動させるために、基板の１つの面、好ましくは外面の少なくとも一部と音響的に接触するように設けられた、もう１つの薄膜超音波トランスデューサ、
を含む。
これは、例１、図３Ｂに見られるように、電極セグメントによって分離又は規定された２つ以上の薄膜超音波トランスデューサの使用によって、変位場の強さが増し、それによってマイクロ流体キャビティ内の圧力効果が増し、より効率的で効果的な音響流体操作につながるという点で有利である。
もう１つの薄膜超音波トランスデューサは、薄膜超音波トランスデューサについて本明細書で説明したのと同じ又は異なる寸法及び材料で構成されうる。
薄膜超音波トランスデューサ及びもう１つの薄膜超音波トランスデューサは、第１の薄膜超音波トランスデューサ及び第２の薄膜超音波トランスデューサと称されることがある。
薄膜超音波トランスデューサ及びもう１つの薄膜超音波トランスデューサは、１つの面上の２つの別個の薄膜として提供されてよい。好ましくは、２つの別個の薄膜は、互いに間隔をあけて配置され、より好ましくは、１つの面における向かい合う縁に、又は、向かい合う縁に沿って配置される。
薄膜超音波トランスデューサ及びもう１つの薄膜超音波トランスデューサは、好ましくは、基板の同じ１つの面と音響的に接触している。薄膜超音波トランスデューサ及びもう１つの薄膜超音波トランスデューサは、好ましくは、基板の１つの面と音響的に接触し、それぞれが並んで配置される。
基板の１つの面は、基板のどの面でもよいが、典型的には下面又は上面であり、好ましくは下面である。
しかしながら、薄膜超音波トランスデューサ及びもう１つの薄膜超音波トランスデューサは、基板の異なる面と接触して提供されることは、本明細書で提案する技術の文脈で想定されるものである。
薄膜超音波トランスデューサ及びもう１つの薄膜超音波トランスデューサは、１つの電極を共通に備えていてもよい。
したがって、第１及び第２の電極層の少なくとも一方は、少なくとも２つの部分に分割されてもよく、それによって２つの別個の電極を規定し、この２つの電極は、圧電材料又は電歪材料の層と第１及び第２の電極層の他方によって規定される電極とともに、薄膜超音波トランスデューサ及びもう１つの薄膜超音波トランスデューサを、共通の圧電材料又は電歪材料の層と１つの共通の電極層を有するものとして規定する。
シンプルにするため、分割されるのは第２の電極層であることが好ましい。
薄膜超音波トランスデューサ及びもう１つの薄膜超音波トランスデューサが、同位相で作動されるのであれば、分割された電極層の２つの部分は、圧電材料の一部、例えば２０～８０％、例えば２５～７５％、例えば４０～６０％、例えば５０％が、分割された電極の２つの部分によって覆われないように、圧電材料の層上で間隔をあけて配置されることが好ましい。
分割された電極層は、もう１つの薄膜超音波トランスデューサを規定するために、さらなる部分に分割してもよい。
薄膜超音波トランスデューサ及びもう１つの薄膜超音波トランスデューサの位置及び拡張部は、有利には、マイクロ流体キャビティを１つの面を通して観察又は分析できるように構成されうる。ここで、好ましくは、薄膜超音波トランスデューサともう１つの薄膜超音波トランスデューサは、薄膜超音波トランスデューサともう１つの薄膜超音波トランスデューサの間の１つの面の部分を通してマイクロ流体キャビティを観察又は分析することができるように、１つの面における向かい合う縁に、又は、向かい合う縁に沿って間隔をあけて配置される。
薄膜超音波トランスデューサ及びもう１つの薄膜超音波トランスデューサのこのような構成は、間隔をあけて離れているが部分的に結合した２つの第１の電極を規定する、Ｕ字形状、Ｈ形状、又は、他の形状を有する第１の電極層を設け、間隔をあけて離れているが部分的に結合した２つの第１の電極の上に、同様の形状であるが別個の圧電材料の層と第２の電極層とを設けることによって、提供することができる。好ましくは、薄膜超音波トランスデューサともう１つの薄膜超音波トランスデューサは、その後、逆位相で、すなわち、逆対称に作動される。したがって、２つの駆動回路、又は、２つの流路を有する１つの駆動回路は、薄膜超音波トランスデューサ及びもう１つの薄膜超音波トランスデューサを駆動するために使用されてもよい。
薄膜超音波トランスデューサは、任意の種類の圧電材料又は電歪材料を含んでよい。しかし、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、オルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などの非中心対称の結晶構造を持つ結晶材料や、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、タングステン酸ナトリウム（ＮａＷＯ３）、次の化学式（Ｐｂ［ＺｒｘＴｉ１－ｘ］Ｏ３、０≦ｘ≦１）のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などのランダム方向粒を有する強誘電セラミックや、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅＯ３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）、チタン酸ナトリウムビスマス（ＮａＢｉ（ＴｉＯ３）２）などの鉛フリーセラミックを用いることが好ましい。
さらに、ニオブ酸マグネシウム鉛（ＰＷＮ）、ニオブ酸鉛マグネシウム－チタン酸鉛（ＰＭＮ－ＰＴ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）などの材料も含まれる。
その他、単層で圧電性を示す二硫化モリブデンなども含まれうる。
薄膜超音波トランスデューサは、例えば、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、スカンジウムドープ窒化アルミニウム、酸化セリウム、及びチタン酸ジルコン酸鉛からなる群から選択される圧電材料又は電歪材料を含んでもよい。
鉛（Ｐｂ）を含む圧電材料や電歪材料の使用を避けるために、薄膜超音波トランスデューサが含む圧電材料や電歪材料からチタン酸ジルコン酸鉛を除外することが好ましい場合がある。
少なくとも１つの薄膜超音波トランスデューサは、作動信号の周波数又はその近傍で超音波トランスデューサを強制的に振動させるために、薄膜超音波トランスデューサに正弦波や矩形波信号などの電気信号を供給することによって作動させてもよい。周波数ｆで少なくとも１つの薄膜超音波トランスデューサを作動させることは、さらに、周波数ｆの超音波エネルギーを基板に供給することを包含するものと理解される。
周波数ｆは、通常、０．１～２０ＭＨｚの範囲である。信号の電圧（ピーク－ピーク）は、１～３０Ｖｐｐ、例えば、１０～２０Ｖｐｐであってよい。電圧が高いほど、音響流体効果は強くなる。使用する最大電圧は、使用する圧電材料や電歪材料の絶縁破壊電圧と厚みの比Ｖ／μｍによって制限される。絶縁破壊電圧は、使用される圧電材料又は電歪材料に依存し、一般に、１０～２０Ｖｐｐ／μｍなど、０．５～２０Ｖｐｐ／μｍの範囲となりうる。また、最大電圧は、作動中の材料の加熱によっても制限される。
典型的には、基板に共振をもたらす周波数は、バルク超音波トランスデューサを使用した場合にマイクロ流体キャビティに共振をもたらす周波数と異なる。
信号は、ファンクションジェネレータなどの駆動回路から供給されてもよい。駆動回路は、音響流体装置と別体であってもよい。
音響流体装置は、さらに、
－ 液体又は液体懸濁液で満たされたマイクロ流体キャビティを含む基板の音響共振ピークに対応する周波数ｆで薄膜超音波トランスデューサを作動させるように構成された駆動回路であって、好ましくは薄膜超音波トランスデューサと直列に接続されたインダクタをさらに含む、駆動回路を、
を含んでもよい。
本明細書で提案する技術の文脈では、対応するとは、好ましくは、周波数が正確に一致することに関するが、それだけに限定されないと理解され、周波数ｆが共振ピークから３０％以下、好ましくは２０％以下、より好ましくは１０％以下、最も好ましくは０．１％以下などの１％以下だけ異なる場合でも、基板の満足な作動が可能であると考えられる。
音響共振ピークは、基板の音響エネルギーが最大となる周波数である。ある基板に対して、複数の音響共振ピークが存在する場合がある。
共振ピークは、少なくとも、基板の全体の共振ピークに対応することが望ましい。好ましくは、共振ピークは、マイクロ流体キャビティ内の液体を含むマイクロ流体キャビティを含む基板の共振に対応すべきである。
この共振は、１次元又は２次元の定在波でありうるが、好ましくは、音響共振ピークは、マイクロ流体キャビティを含む基板全体の３次元立体共振に対応し、これを１次元又は２次元の共振、或いは、そのような共振の重ね合わせとして記述することができる場合もあれば、できない場合もある。典型的には、音響共振ピークは、マイクロ流体キャビティを含む基板における３次元立体共振に対応し、この３次元立体共振は、基板における１次元又は２次元共振として記述することができず、好ましくは、周波数ｆは、マイクロ流体キャビティ単独の共振周波数に対応しない。
例３に見られるように、駆動回路に薄膜超音波トランスデューサと直列にインダクタ、好ましくは可変インダクタを導入することにより、所定の作動（駆動）電圧での所定の共振周波数に対する基板への電力供給を増大させることができる。
液体又は液体懸濁液は、ポンプ、吸引等によりマイクロ流体キャビティ内に供給されてもよい。液体又は液体懸濁液は、マイクロ流体キャビティ内を流動させてもよいし、キャビティ内に注入して停止させてもよい。
液体懸濁液は、原液又は希釈した全血、細胞内液、間質液、滑液、腹膜液、尿、酵母細胞培養液、骨髄、間質、正常組織又は癌組織の解離細胞、乳などの分散液であってよい。液体懸濁液は、赤血球、白血球、血小板、癌細胞、細菌細胞、ウイルス、酵母細胞、藻類、花粉、マイクロベシクルやエクソソームなどの細胞外小胞、ダスト粒子、シリカ粒子、磁性粒子、ポリマー粒子などの粒子を含んでよい。
音響流体操作は、マイクロ流体キャビティにおける測定、光学的観察、光学的情報取得を含んでよく、これらが音響流体操作の後に行われてもよい。
好ましくは、音響流体装置は、もう１つの薄膜超音波トランスデューサを含み、駆動回路は、さらに、周波数ｆにおいて薄膜超音波トランスデューサともう１つの薄膜超音波トランスデューサを互いに同位相で、或いは、好ましくは逆位相のような互いにずれた位相で作動させるように構成される。
これらの説明に対応し、本方法の好ましい実施形態では、
－ ステップａは、もう１つの薄膜超音波トランスデューサを含む音響流体装置を提供することを含み、
－ ステップｂは、周波数ｆで、薄膜超音波トランスデューサともう１つの薄膜超音波トランスデューサとを互いに同位相で、或いは、好ましくは逆位相のような互いにずれた位相で作動させることを含む。
同位相とは、薄膜超音波トランスデューサともう１つの薄膜超音波トランスデューサが協調して作動すること、すなわち、２つの薄膜超音波トランスデューサへの２つの信号の間に位相のずれがないように作動されることを意味する。例１に見られるように、２つの薄膜超音波トランスデューサの同位相動作は、単一の薄膜超音波トランスデューサの動作よりも、キャビティにおいてより強い音響流体効果を提供する。
位相がずれているとは、２つの薄膜超音波トランスデューサへの２つの信号間に何らかの位相シフトがあることとして理解される。しかし好ましくは、位相シフトは９０°～２７０°、例えば好ましくは１３５°～２２５°、例えば好ましくは１７０°～１９０°、最も好ましくは１８０°（逆位相）である。
例１に見られるように、２つの薄膜超音波トランスデューサを逆相で動作させると、同位相動作よりも、キャビティにおいてより一層強い音響流体効果が得られる。
音響流体操作は、液体又は懸濁液の混合、ポンピング、ソノポレーション及びソノリシス、或いは、液体又は懸濁液中の細胞又は粒子への影響など、任意の音響流体又は音響泳動操作であってよい。
音響流体操作は、細胞又は他の粒子を操作することを包含する音響泳動操作を含んでよく、構成されてよい。例えば、マイクロ流体キャビティ内の懸濁液中で懸濁された細胞又は他の粒子を、マイクロ流体キャビティの１つ又は複数のとびとびの領域に向けて集めることを含んでもよい。
集めることには、動かすことも含まれるものとして理解される。
基板は、さらに、もう１つのマイクロ流体キャビティを含んでよく、もう１つのマイクロ流体キャビティは、好ましくはマイクロ流体キャビティ及びもう１つのマイクロ流体キャビティを含む基板における共振により、もう１つのマイクロ流体キャビティにおけるターゲット粒子又は液体に音響力が生じるように配置され、当該音響力は、マイクロ流体キャビティにおけるターゲット粒子に生じる音響力と同じか、又は、異なっている。
これらの実施形態は、本明細書で提案する技術が基板全体の共振を考慮に入れているということを活用している。特に、音響力は、基板内のキャビティの位置に依存することがあり、したがって、基板の異なる部分において異なる音響力を得ることを提供するものである。
ターゲット粒子とは、音響流体操作によって移動又はその他の影響を受けることが想定される粒子又は複数の粒子である。
もう１つのマイクロ流体キャビティは、マイクロ流体キャビティについて上述したのと同じ寸法及び構成を有してもよい。
本明細書で提案する技術は、さらに、薄膜超音波トランスデューサを含む音響流体装置の設計及び製造の新しい原理を提供する。したがって、上述の目的の少なくとも１つ、又は、以下の説明から明らかになるさらなる目的の少なくとも１つは、本明細書で提案する技術の第３の側面によれば、音響流体操作を行うための音響流体装置を製造する方法であって、当該音響流体装置は、マイクロ流体キャビティが設けられた基板を含み、以下のステップを含む方法により達成される。
ａ．実験的に、或いは、計算又はシミュレーションによって、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせのそれぞれについて、基板の音響共振を決定するステップであって、当該基板パラメータは、基板材料、基板寸法、マイクロ流体キャビティの寸法、基板内のマイクロ流体キャビティの位置、マイクロ流体キャビティ内の液体の特性、基板の１つの面、好ましくは外面の少なくとも一部と音響接触する少なくとも１つ、好ましくは２つの薄膜超音波トランスデューサのための位置、及び、作動周波数ｆ、を含む、ステップと、
ｂ．基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせの中から、音響流体操作を行うためのマイクロ流体キャビティを含む基板内で音響共振をもたらす、基板材料Ｍ、基板寸法ＤＳのセット、マイクロ流体キャビティの寸法ＤＣのセット、基板内のマイクロ流体キャビティの位置ＰＣ、マイクロ流体キャビティ内の液体Ｌの特性、少なくとも１つ、好ましくは２つの薄膜超音波トランスデューサのための位置ＰＵ、及び、作動周波数ｆを選択するステップと、
ｃ．基板寸法ＤＳを有する基板材料Ｍから作られ、基板内でマイクロ流体キャビティの寸法ＤＣとマイクロ流体キャビティの位置ＰＣを有するマイクロ流体キャビティを備える音響流体装置を製造するステップ。
本明細書で提案する技術の第１の側面による音響流体装置について上述したように、基板を作動させるための薄膜超音波トランスデューサの使用は、基板の全体として共振を考慮することを含み、特に基板寸法と基板内のマイクロ流体キャビティの位置とを考慮することを含む。
本明細書で提案する技術の文脈では、製造することは、設計すること及び／又は組み立てることを包含するものとして理解される。本明細書で提案する技術の第３の側面による方法は、代替的に、ステップａとｂを含んでよく、それによって、選択されたパラメータ、すなわち基板材料（又は材料の組み合わせ）Ｍ、基板寸法ＤＳのセット、マイクロ流体キャビティの寸法ＤＣのセット、基板内のマイクロ流体キャビティの位置ＰＣ、マイクロ流体流路内の液体Ｌの特性、少なくとも１つの薄膜超音波トランスデューサのための位置ＰＵ、及び、作動周波数ｆは、音響流体装置を設計するための設計パラメータを規定する。
好ましくは、ステップａにおける決定は、計算又はシミュレーションによって行われる。
計算又はシミュレーションは、好ましくは、基板の少なくとも２次元、好ましくは３次元のモデルにおいて音響共振をシミュレーションすることを含む。パラメータ値はすべて可能な値の範囲内で変化させることができるが、典型的には、例えば基板材料や基板寸法など、いくつかの値は設定されている。それゆえ、典型的には、基板に共振をもたらす周波数を見つけるために変化させるのは、周波数である。
本明細書で提案する技術の第３の側面による方法は、マイクロ流体キャビティの寸法のセット、基板内のマイクロ流体キャビティの位置、及び、マイクロ流体キャビティ内の液体の特性をそれぞれのキャビティごとに有する、複数のキャビティを含む基板パラメータに対して実行してもよい。
したがって、本方法は、２つ以上の音響流体操作を行うための２つ以上の流路を有する音響流体装置の製造又は設計に使用することができる。
ステップａでは、基板の音響共振を決定する際に、２つ以上の複数の作動周波数が含まれてもよい。したがって、ステップｂでは、各周波数によって生成される音響場の重ね合わせを生成するために、複数の作動周波数ｆが選択されてもよい。
これは、例えば、基板の音響共振を決定した結果、いくつかの有用な共振周波数があることが判明した場合や、それらの重ね合わせが望まれる場合に有効である可能性がある。
ステップａにおいて、基板の音響共振の決定の際に２つの薄膜超音波トランスデューサの複数の位置が含まれる場合、基板の音響共振の決定の際に２つの薄膜超音波トランスデューサ間の複数の位相差が含まれてもよく、２つの薄膜超音波トランスデューサ間の位相差はステップｂにおいて選択されてもよい。
本明細書で提案する技術の第３の側面による方法の好ましい実施形態では、当該方法は、ステップｃの一部として、又は、ステップｃの後のステップｄとして、少なくとも１つの超音波トランスデューサのための位置ＰＵで、少なくとも１つの薄膜超音波トランスデューサを基板に取り付けるステップをさらに含む。
本明細書で提案する技術の第３の側面による方法の好ましい実施形態では、ステップａにおいてシミュレーションが用いられ、当該シミュレーションは、基板の外面における基板／空気界面、及び、マイクロ流体キャビティの壁における基板／液体界面を境界として使用する。
本明細書で提案する技術の第３の側面による方法の好ましい実施形態では、
－ ステップａは、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせのそれぞれについて、基板全体にわたってターゲット粒子に対する音響力を決定することをさらに含み、
－ ステップｂは、マイクロ流体キャビティが、ターゲット粒子に対する音響力が音響流体操作の実行に適している基板の領域を少なくとも部分的に画定するように、マイクロ流体キャビティの寸法ＤＣのセット及び基板内のマイクロ流体キャビティの位置ＰＣを決定することをさらに含む。
或いは、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせのそれぞれについて、ターゲット粒子に対する音響力がマイクロ流体キャビティ全体で決定される。
一般に、ターゲット粒子に対する音響力を決定することは、音響泳動操作を実行するための音響流体装置を製造することに関連する。一般的な音響流体操作を行うための音響流体装置を製造するために、ターゲット粒子は、ターゲット液体要素によって置換されてもよい。
ステップａ及びｂは、基板体積に対してキャビティ体積が十分に小さく基板共振に与える影響が小さい場合には、基板共振を見つけるためにマイクロ流体キャビティ又は複数のキャビティを考慮せずに実行されてもよい。しかし、基板とキャビティについて音響特性が十分に類似していて、基板材料でキャビティの中身を近似できる場合を除き、音響場及び結果として生じる粒子に対する力をキャビティにおいて計算する場合、キャビティ又は複数のキャビティは音響場の計算に含まれることが好ましい。
本明細書で提案する技術の第３の側面による方法の好ましい実施形態では、音響流体装置は、基板に配置されたもう１つのマイクロ流体キャビティにおいてさらなる音響流体操作を行うのに適しており、ステップａの基板パラメータは、もう１つのマイクロ流体キャビティのための基板内におけるもう１つのマイクロ流体キャビティの寸法及びもう１つのマイクロ流体キャビティの位置をさらに含む。
本明細書で提案する技術の第３の側面による方法の好ましい実施形態では、音響流体操作ともう１つの音響流体操作は異なり、ステップｂは、ターゲット粒子に対する音響力がもう１つの音響流体操作の実行に適している基板のもう１つの領域をもう１つのマイクロ流体流路が少なくとも部分的に画定するように、もう１セットのマイクロ流体流路の寸法ＤＣ２及び基板内でのマイクロ流体流路の位置ＰＣ２を決定することをさらに含む。
本明細書で提案する技術によるさらなる利点及び特徴は、他の従属請求項、及び、好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
本技術の上記及び他の特徴及び利点のより完全な理解は、添付の図面と組み合わせた好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
図１Ａ～図１Ｅは、ガラス基板内の音響流体応答の数値シミュレーションの結果を示す。 図２Ａと図２Ｂは、図１Ａと同様の数値シミュレーションを示すが、ガラス基板の上面に圧電体Ａｌ Ｎ薄膜を設け、逆位相と同位相で作動させたものを対比する形で示す。 図３Ａと図３Ｂは、図２Ａと同様の数値シミュレーションを示すが、単一の薄膜超音波トランスデューサに対して、２つの薄膜超音波トランスデューサを同位相で駆動することによって音響流体応答が向上することを示す。 図４Ａと４Ｂは、図３Ｂと同様の数値シミュレーションを示すが、それよりも４倍広いマイクロ流路で反対称の作動、つまり逆位相の作動で使用されたものを示す。図４Ｃは、垂直方向に向けられた２つの流路のそれぞれで、定在半波のようなモードが同時に得られる様子を数値シミュレーションで示す。 図５Ａ～図５Ｃは、図２Ｂと同様の数値シミュレーションを示すが、形状は変化させず、２μｍの薄膜超音波トランスデューサの材料を変更している。 図６Ａ～図６Ｇは、３次元での数値シミュレーションを示す。 図７Ａ～図７Ｆは、Ａｌ Ｎ薄膜超音波トランスデューサを用いたガラス製音響流体装置の実験による挙動とシミュレーションによる挙動を示す。 図８Ａ～図８Ｂは、薄膜超音波トランスデューサに直列にインダクタを付加しない場合と付加した場合のインピーダンススペクトルを示す。 図９Ａは、本明細書で提案する技術の第１の側面による音響流体装置の第１の実施形態の一般的な構造を示す。図９Ｂは、本明細書で提案する技術の第１の側面による音響流体装置の第２の実施形態の一般的な構造を示す。図９Ｃは、本明細書で提案する技術の第１の側面による音響流体装置の第３の実施形態の一般的な構造を示す。図９Ｄは、本明細書で提案する技術の第１の側面による音響流体装置の第４の実施形態の一般的な構造を示す。 図１０は、本明細書で提案する技術の第２の側面による方法の１つの実施形態のフローチャートを示す。 図１１は、本明細書で提案する技術の第３の側面による方法の１つの実施形態のフローチャートを示す。
例１：薄膜作動型パイレックス音響流体装置の２次元及び３次元シミュレーション。
［概要］
Nils R. Skov, Jacob S. Bach, Bjorn G. Winckelmann, and Henrik Bruus., 3D modeling of acoustofluidics in a liquid-filled cavity including streaming, viscous boundary layers, surrounding solids, and a piezoelectric transducer, AIMS Math. 4, 99-111 (2019)に記載の汎用モデルを用いて、新規の薄膜作動原理が、浮遊粒子が圧力ノード面に集中する単一流路流路の従来のシステムに匹敵するＭＨｚ音響流体応答を生成できることを、２次元断面及び完全３次元モデルに対する数値シミュレーションによって示した。さらに、この方法は、奇数波と偶数波の両方のパターンに対しても用いることができ、より広い流路を使用することや複数の流路で同時に波を励起することを可能とすることでスループットが向上する。さらに、ＰＺＴ、純粋なＡｌ Ｎ、Ａｌ０．６Ｓｃ０．４ＮのスカンジウムドープＡｌ Ｎという異なる薄膜材料のすべてが、薄膜超音波トランスデューサに使用できることを示す。
［結果］
図１Ａは、幅３０００μｍ、高さ１４００μｍのガラス（パイレックス）基板の上面に設けられた厚さ２μｍの圧電Ａｌ０．６Ｓｃ０．４Ｎからなる薄膜超音波トランスデューサの分割上部電極に１Ｖｐｐの交流電圧を加えて共振周波数１．７３ＭＨｚで励起したときの音響流体応答の２次元垂直断面における数値シミュレーションを示す。薄膜超音波トランスデューサは、基板に最も近い位置に図示され、「０」のマークが付された共通の接地電極層と、互いに逆位相で作動するときの「＋」と「－」で示された２つの別々の上部電極層を持つ。１つの中央部の１５０μｍ×４００μｍ流路における音響流体応答は、バルク超音波トランスデューサを用いた従来の音響流体装置の次のベンチマーク値と一致する：ＭＨｚ周波数（１．７３ＭＨｚの主共振ピークを含むシステムの共振を特定するために使用した１．６～２．２ＭＨｚの周波数範囲における水領域の音響エネルギー密度スペクトルを示す図１Ｅを参照されたい）、１００ｋＰａ範囲の圧力（流路流路の左領域と右領域のそれぞれにおいて、＋４８０ｋＰａ／－４８０ｋＰａの圧力を得たことを示す図１Ｂを参照されたい）、ｎｍ範囲の変位、ｐＮ範囲の音響放射力（水中に浮遊する５μｍのポリスチレン粒子に対する流路の中心方向への８ｐＮの放射力を示す図１Ｃを参照されたい）、１０μｍ／ｓ範囲の音響流の速度（流路図１Ｄを参照されたい。流路の中心に向かう３０μｍ／ｓの流速が得られている）。
図２Ａ～２Ｂは、図１Ａと同様の数値シミュレーションを示すが、幅２８００μｍ、高さ１４００μｍのパイレックス基板に、厚さ２μｍの圧電窒化アルミニウム（Ａｌ Ｎ）薄膜を上面にして、それぞれ逆位相と同位相で作動／駆動させた場合のものである。図２Ａには、共振周波数１．８５ＭＨｚで、反対称に駆動される（記号「＋」と「－」を参照）分割上部電極が示されており、１５０μｍ×４００μｍの流路において、２３８ｋＰａ圧力場の中心に、１つの垂直圧力ノードが得られている。図２Ｂには、共振周波数３．４９ＭＨｚで、対称的に駆動される（すなわち同位相であり、２つの「＋」記号を参照）フルトップ電極が示されており、１５０μｍ×４００μｍの流路において、２４ｋＰａ圧力場に、２つの垂直圧力ノードが得られている。前述のように、２つの薄膜超音波トランスデューサ（分割上部電極）を逆位相で駆動すると、より強い圧力場に見られるように、より強い音響流体（音響泳動）効果が得られる。どちらの場合も、浮遊する微粒子は圧力ノードに集中する。元の形状（長方形のアウトライン）に対する基板の歪みとして示された変位場は、端の歪みが見えるように、すべての図において１０万倍で拡大されている。
図３Ａ～３Ｂは、単一の薄膜超音波トランスデューサではなく、同位相で駆動される２つの薄膜超音波トランスデューサを使用することによって音響流体応答が向上することを示す同様の数値シミュレーションを表す。図３Ａは、フルトップ電極を持つＡｌ Ｎ薄膜超音波トランスデューサを示し、図３Ｂは、厚さ２μｍの圧電Ａｌ Ｎ薄膜トランスデューサの上のフルトップ電極が、Ａｌ Ｎ圧電層の上面において、それぞれ２５％のみを覆う２つの電極に分割されているが、同様に対称に駆動される、すなわち、２つの「＋」記号で示されるように同位相で駆動される電極を示す。３．４９ＭＨｚの共振モードは変わらないが、圧力と変位の振幅は、２４ｋＰａから１４６ｋＰａ、０．１ｎｍから０．６ｎｍへと６倍にそれぞれ増加し、この結果、流路内の浮遊微粒子に対する音響放射力は３６倍に増加している。
図４Ａ～４Ｂは、図３Ｂと同様の数値シミュレーションを示すが、幅１６００μｍという４倍の幅を有するマイクロ流路を用いて、反対称の作動、すなわち逆位相の作動が行われる場合を示す。図４Ａは、０．５０ＭＨｚでの共振が、パイレックス基板の２．０ｎｍの変位場における流路内の＋－９ｋＰａの圧力場の中心に粒子が集中する１つの垂直圧力ノードを有することを示している。図４Ｂは、１．３５ＭＨｚの共振が、パイレックス基板の１．２ｎｍの変位場における流路内の＋－４９ｋＰａの圧力場に３つの垂直圧力ノードを示すことを表す。マイクロ流路が広くなったことで、スループットが向上している。
図４Ｃは、垂直方向に向けられた２つの流路のそれぞれで定在半波のようなモードが同時に得られる様子の数値シミュレーションを示す。流路は、高さ４００μｍ、幅１５０μｍである。基板は、幅２８００μｍ、高さ１０００μｍのパイレックスブロックである。シミュレーションに使用した薄膜超音波トランスデューサは、厚さ２μｍで上部電極が分割されており、反対称に作動させられる。共振周波数は１．０３３ＭＨｚ、流路内の圧力場は１３ｋＰａ、変位場は２．１ｎｍであった。
図５Ａ～５Ｃは、図３Ｂと同じ形状と対称的な作動について、図３Ｂと同様の数値シミュレーションを示すが、２μｍの薄膜超音波トランスデューサの材料を変え、１Ｖｐｐの印加交流電圧に対して最も弱い音響応答から最も強い音響応答を得ている（１：３：１０）。図５Ａは、図２Ｂと同様にＡｌ Ｎで、３．４９３ＭＨｚの周波数で０．６ｎｍの変位場と＋－１４６ｋＰａの圧力場を得たことを示す。図５Ｂは、４０％スカンジウムドープ窒化アルミニウム（Ａｌ０．６Ｓｃ０．４Ｎ）であり、３．４９２ＭＨｚの周波数で１．９ｎｍの変位場と＋－４６５ｋＰａの圧力場を得たことを示す。図５Ｃは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のトランスデューサであり、３．４８７ＭＨｚの周波数で６ｎｍの変位場と＋－１４３０ｋＰａの圧力場を得たことを示す。
図６Ａ～Ｇは、３次元での数値シミュレーションを示す。図６Ａは、０．１５×０．４×３ｍｍ３の水を満たしたマイクロ流路を含む０．７×２．８×４ｍｍ３のパイレックス基板を示す。使用される２つの薄膜超音波トランスデューサは、基板の上に配置された「＋」及び「（＋／－）」の記号で記された分割上部電極を有し、１Ｖｐｐで作動する２μｍのＡｌ Ｎ薄膜トランスデューサとして形成される。図６Ｂ、６Ｃ、６Ｄは、１．７６ＭＨｚで反対称に（すなわち逆位相で）作動させた場合の変位場（１．７ｎｍ）、圧力場（＋－３００ｋＰａ）、放射力（２．５ｐＮ）をそれぞれ示す。図６Ｅ、６Ｆ、６Ｇは、フルトップ電極を用いて３．８３ＭＨｚで対称に（つまり同位相で）作動させた場合の変位場（０．８ｎｍ）、圧力場（＋－８５ｋＰａ）、放射力（０．４ｐＮ）をそれぞれ示す。３次元場は２次元断面で計算されたものと似ているが、３次元場には軸方向に追加の変動がある。
なお、上述したシミュレーションは、薄膜超音波トランスデューサを１Ｖｐｐで作動させた場合について行われたものである。装置の音響エネルギーは、一般に電圧の２乗の大きさとなる。１０Ｖｐｐｍ、２０Ｖｐｐ、又はそれ以上のように、より高い電圧にすると、著しく強い音響流体効果が得られることになる。
例２：Ａｌ Ｎ薄膜超音波トランスデューサを用いたガラス音響流体装置の実験による挙動とシミュレーションによる挙動。
図７Ａ及び７Ｂは、流路形状のマイクロ流体キャビティを含み、図７Ｃに示す断面寸法を有する、長さ４５ｍｍのガラス基板の表側及び裏側をそれぞれ示す。基板の裏側は、基板の裏側に接する接地電極層とフルトップ電極とを有する１μｍのＡｌ Ｎ薄膜超音波トランスデューサによって覆われている。図７Ｄは、共振周波数３．６０ＭＨｚで１ｐＮの放射力を持つ２つの垂直圧力ノードを示す基板の数値シミュレーションを表す。図７Ｅは、薄膜超音波トランスデューサをオフにしたときに流路を通過する直径５μｍの蛍光性ポリスチレンビーズの顕微鏡写真である。ここに見られるように、ビーズは整列していない。薄膜超音波トランスデューサをオンにすると、３．７３ＭＨｚで共振が起こり、図７Ｄに示した２つの圧力ノードによって予測されるように、ビーズが２つの線に集まることがわかる（図７Ｆ参照）。
例３：外部可変インダクタンスにより、所定の駆動電圧に対する所定の共振周波数における音響流体装置の電力を増加させることができる。
薄膜超音波トランスデューサは、その構造上、ほぼ純粋にコンデンサとして動作する。これは、共振時に主にＬＣＲ回路として動作する従来のバルク超音波トランスデューサと異なる。さらに、共振は実質的に基板内のみであるため、共振は通常、電力供給が最大となるときに、位相ゼロに近づかない。そのため、システムは－９０度付近で大きなインピーダンスを持ち、位相ゼロに向かう小さな共振からの落ち込みはわずか数度しかない。音響流体装置の電力は、Ｐ＝Ｖ＿０２×ｃｏｓ（Ｚ＿Ｐｈａｓｅ）／Ｚ＿Ａｂｓで計算でき、ここで、Ｐは電力、Ｖ＿０は駆動電圧、Ｚ＿ＡｂｓとＺ＿Ｐｈａｓｅはそれぞれインピーダンスの絶対値とインピーダンスの位相を表す。したがって、インピーダンスの位相と絶対値がゼロに近づいたとき、電力は最大となる。
図８Ａは、５７０μｍ×２０００μｍ×２５００μｍのガラス基板に１μｍのＡｌ Ｎ薄膜超音波トランスデューサを設けた場合のインピーダンススペクトルを示し、ここで、ｘ軸に周波数、左ｙ軸にインピーダンスの絶対値、右ｙ軸に位相（度）を示し、ピークは右軸、滑らかな曲線は左軸に対応する。このグラフからわかるように、ピークとして見られる共振は、最大電力が得られるはずの位相ゼロまで到達しない。しかし、インダクタを直列に加えることで、特定の周波数での回路の挙動をＲＬＣ共振器（抵抗器、インダクタ、コンデンサ）に変化させ、その周波数での電力を増幅させることができる。
この例では、１．４ＭＨｚでの共振を高めるために、薄膜超音波トランスデューサに直列に３ｍＨのインダクタを追加した。図８Ｂは、その結果得られたインピーダンススペクトルを示しており、位相がゼロに近く、インピーダンスの絶対値に適切な落ち込みがあることから、１．４ＭＨｚで強い共振が発生していることがわかる。１．４ＭＨｚでの共振に対する電力を２つの異なるセットアップについて計算すると、インダクタを使用した場合に１３０倍大きい電力が得られることが示される。
図９Ａは、本明細書で提案する技術の第１の側面による音響流体装置１０の一般的な構造を概略的かつ断面で示す。音響流体装置１０は、底面１４、第１及び第２の対向する側面（そのうちの１つに１６の符号が付されている）、並びに、上面１８を有する基板１２を含み、これらはそれぞれが基板１２の外面を表している。また、点線２０によって示されるように、基板１２をベース部２２と蓋部２４とから形成してもよい。基板１２には、マイクロ流体流路３０の形態のマイクロ流体キャビティが設けられ、流路３０は、底壁３２と上壁３４、並びに、対向する第１及び第２の側壁（そのうちの１つに３６の符号が付されている）を有している。製造を容易にするために、図８Ａ及び８Ｂに示すように、マイクロ流体流路は、例えばエッチングによってベース部２２に形成され、こうすることで、蓋部２４がマイクロ流体流路３０を閉鎖してマイクロ流体流路３０の上壁３４を規定する。基板１２の上面１８には、薄膜超音波トランスデューサ５０が取り付けられる。薄膜超音波トランスデューサ５０は、基板１２の上面１８に音響的に接触する第１（下部）電極層５２と、第１電極層５２に接触する圧電又は電歪層５４と、第２（上部）電極層５６とを含む。薄膜超音波トランスデューサ５０は、作動、すなわち、駆動回路（一例が図８Ｃに示されている）によって駆動されることで、基板１２を振動させ、基板と液体又は液体懸濁液２で満たされたマイクロ流体流路３０の共振周波数で基板１２を振動させる。共振周波数での基板１２の振動は、マイクロ流体流路３０内に配置された、又は、マイクロ流体流路３０を通って流れるようにされた、液体又は液体懸濁液２に対して音響流体操作を行うために使用できる圧力場を流路３０内に生じさせる。
図９Ｂは、本明細書で提案する技術の第１の側面による音響流体装置１０’の第２の実施形態の一般的な構造を概略的かつ断面で示す。音響流体装置１０’は、第２（上部）電極層５６が第１の部分５６’ａ及び第２の部分５６’ｂに分割されており、これらの部分は、第１の電極層５２と圧電又は電歪層５４とともに、対称的に、すなわち同位相で、又は、非対称的に、すなわち逆位相のように位相がずれた状態で作動されうる２つの薄膜超音波トランスデューサ５０’ ａ及び５０’ｂを規定している点で図８Ａの音響流体装置１０と異なる。好ましくは、図８Ｂに示すように、第１の部分５６’ａ及び第２の部分５６’ｂは、マイクロ流体流路３０においてより強い変位場とより強い音響流体効果を得るために、圧電又は電歪層５４の一部、例えばそれぞれ約２５％又はそれ未満しか覆わない。
図９Ｃは、図８Ｂと同様の音響流体装置１０’’の上面図を概略的に示すが、基板１２の上面１９を通して、マイクロ流体流路３０が観察され、画像化され、光学的に情報が得られうるように、第１及び第２の側面１６に沿って上面１８に別個の第１及び第２の薄膜超音波トランスデューサ５０’’ａ及び５０’’ｂが間隔をおいて設けられている点で異なっている。液体又は液体懸濁液は、一端の入口（図示せず）を通してマイクロ流体流路３０に導入されうるし、他端の出口（図示せず）を通してマイクロ流体流路３０から除去されうる。また、図９Ｃには、第１及び第２の薄膜超音波トランスデューサ５０’’ａ及び５０’’ｂを、対称的に（同位相で）又は非対称的に（逆位相のような位相がずれた状態で）作動させるように構成された駆動回路１００が示されており、駆動回路１００は、電気リード（その一方は１０２の符号が付されていて、第１及び第２の電極層（図示せず）に接続している）を介して第１及び第２の薄膜超音波トランスデューサ５０’’ａ及び５０’’ｂに電気的に接続される。
例３及び図８Ａ～８Ｂで説明したように、薄膜超音波トランスデューサの１つ又はそれぞれとの接続において、追加的に可変インダクタ１０４を直列に含むことが有利である（図９Ｃでは１つだけ示されている）。これは、主に薄膜超音波トランスデューサの電気容量の挙動に起因する。可変インダクタを含むことによって、より多くの超音波エネルギーが、薄膜超音波トランスデューサから基板に伝達されうる。
図９Ｄは、図８Ｃと同様の音響流体装置１０’’’の上面図を模式的に示すが、第１及び第２の薄膜超音波トランスデューサ５０’’’ａ及び５０’’’ｂが、平行で部分的に相互接続された第１及び第２の部分５２’ａ及び５２’ｂを形成するように概してＵ字形である共通の第１の底電極層５２’を備え、その上に第１及び第２の圧電又は電歪層５４’ ａ及び５４’ｂが設けられ、続いて第１及び第２の（上部）電極層５６’’ ａ及び５６’’ｂが設けられている点で相違している。
図１０は、本明細書で提案する技術の第２の側面による方法の実施形態を示し、当該方法は、マイクロ流体キャビティが配置された基板と、超音波振動を基板に伝達して基板を振動させるために基板の１つの面の少なくとも一部と音響的に接触して設けられた薄膜超音波トランスデューサとを含む音響流体装置を提供するステップ（符号１）と、液体懸濁液で満たされたマイクロ流体キャビティを含む基板の音響共振ピークに対応する周波数ｆで少なくとも１つの薄膜超音波トランスデューサを作動させるステップ（符号３）と、液体懸濁液に対して音響流体操作を行うために、マイクロ流体キャビティに液体懸濁液を供給するステップ（符号５）と、を含む。
図１１は、本明細書で提案する技術の第３の側面による方法の実施形態を示し、当該方法は、計算又はシミュレーションによって、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせのそれぞれについて基板の音響共振を決定するステップであって、当該基板パラメータは、基板材料、基板寸法、マイクロ流体キャビティの寸法、基板内のマイクロ流体キャビティの位置、マイクロ流体キャビティ内の液体の特性、少なくとも１つの薄膜超音波トランスデューサの位置、及び、作動周波数ｆを含む、ステップ（符号７）と、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせの中から、基板材料Ｍ、基板寸法ＤＳのセット、マイクロ流体キャビティの寸法ＤＣのセット、基板内のマイクロ流体キャビティの位置ＰＣ、マイクロ流体キャビティ内の液体Ｌの特性、少なくとも１つの薄膜超音波トランスデューサのための位置ＰＣ、及び、マイクロ流体キャビティを含む基板内で音響共振をもたらす作動周波数ｆを選択するステップ（符号９）と、基板寸法ＤＳを有する基板材料Ｍから作られ、基板内でマイクロ流体キャビティの寸法ＤＣとマイクロ流体キャビティの位置ＰＣを有するマイクロ流体キャビティを備える音響流体装置を製造するステップ（符号１１）とを含む。
［ここで提案する技術の実現可能な変形例］
本明細書で提案する技術は、上述し、図面に示した実施形態に限定されるものではなく、これらは主に説明目的及び例示目的にすぎない。本特許出願は、本明細書に記載された好ましい実施形態のすべての修正例及び変形例を包含することを意図しており、したがって、本発明は、添付の請求項の文言及びその均等物によって規定される。したがって、装置は、添付の特許請求の範囲の範囲内であらゆる種類の方法で変更することができる。
例えば、本明細書で提案する技術の第１の側面による音響流体装置の実施形態の構造的側面は、本明細書で提案する技術の第２の側面による方法の実施形態に適用できると考えられ、その逆もしかりであることが当然に指摘されるだろう。
また、上、下、上、下などの用語についての／関するすべての情報は、図にしたがって装置が配置されていると、すなわち、参照箇所を適切に読み取れるように図面が配置されていると、解釈／読解されるべきであることが当然に指摘されるだろう。したがって、このような用語は、図示された実施形態における相互関係を示すにすぎず、これらの関係は、本発明の装置が別の構造／設計で提供される場合に変更されうる。
また、特定の実施形態の特徴を他の実施形態の特徴と組み合わせることができることが明示されていない場合でも、組み合わせが可能であれば、その組み合わせは自明であるとみなされることが当然に指摘されるだろう。
本明細書及びそれに続く特許請求の範囲を通じて、文脈から別段必要とされない限り、「comprise」という単語、及び「comprises」や「comprising」などの変形語は、明記された整数又はステップ、或いは、整数又はステップのグループを含むことを意味し、他の整数又はステップ、或いは、整数又はステップのグループを除外するものではないと理解されるだろう。

Claims (15)

  1. 音響流体装置（１０）であって、
    － マイクロ流体キャビティ（３０）が配置された基板（１２）と、
    － 超音波振動を前記基板に伝達し、前記基板の全体を振動させるために、前記基板の１つの面（１８）の少なくとも一部と音響的に接触して設けられた薄膜超音波トランスデューサ（５０）であって、好ましくは１００μｍ未満、例えば５０μｍ未満、例えば５μｍ未満、例えば２μｍ未満の厚さを有する、薄膜超音波トランスデューサと、
    を含む、音響流体装置（１０）。
  2. 前記薄膜超音波トランスデューサ（５０）の厚さが、１０μｍ未満、好ましくは５μ以下、例えば０．０１～５μｍ、より好ましくは３μｍ以下、例えば０．５～３μｍ、より好ましくは２μｍ以下、例えば０．５～２μｍ、例えば１μｍ、又は、１μｍ未満である、請求項１に記載の音響流体装置（１０）。
  3. 前記薄膜超音波トランスデューサが、前記薄膜超音波トランスデューサの第１の側面を規定する第１の電極層（５２）と前記薄膜超音波トランスデューサの第２の側面を規定する第２の電極層（５６）との間に配置された圧電材料又は電歪材料の層（５４）を含み、前記薄膜超音波トランスデューサの前記第１の側面は、前記基板（１２）の１つの面（１８）の少なくとも一部と音響的に接触して提供される、
    請求項１又は２に記載の音響流体装置（１０）。
  4. 前記音響流体装置は、さらに、
    － 前記基板に超音波振動を伝達し、前記基板の全体を振動させるために、前記基板（１２）の１つの面（１８）の少なくとも一部と音響的に接触して設けられた、もう１つの薄膜超音波トランスデューサ（５０’’ｂ）
    を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の音響流体装置（１０）。
  5. 前記第１の電極層及び前記第２の電極層の少なくとも一方は、少なくとも２つの部分に分割され、それによって２つの別個の電極（５６’ａ、５６’ｂ）を規定し、この２つの電極は、前記圧電材料又は電歪材料の層（５４）並びに前記第１の電極層及び前記第２の電極層の他方によって規定される電極とともに、薄膜超音波トランスデューサ（５０’ａ）ともう１つの薄膜超音波トランスデューサ（５０’ｂ）を、共通の圧電材料又は電歪材料の層と１つの共通の電極層（５２）を有するものとして規定する、請求項３に記載の音響流体装置（１０）。
  6. 薄膜超音波トランスデューサ（５０’’ａ）ともう１つの薄膜超音波トランスデューサ（５０’’ｂ）の位置及び拡張部が、前記マイクロ流体キャビティ（３０）を前記１つの面（１８）を通して観察又は分析できるように構成され、好ましくは、前記薄膜超音波トランスデューサと前記もう１つの薄膜超音波トランスデューサは、前記薄膜超音波トランスデューサと前記もう１つの薄膜超音波トランスデューサとの間の前記１つの面の部分を通してマイクロ流体キャビティを観察又は分析することができるように、１つの面の向かい合う縁に、又は、向かい合う縁に沿って間隔をあけて配置される請求項４又は５に記載の音響流体装置（１０）。
  7. 前記薄膜超音波トランスデューサ（５０）は、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、スカンジウムドープ窒化アルミニウム、酸化セリウム、チタン酸ジルコン酸鉛からなる群から選択される圧電材料又は電歪材料を含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の音響流体装置（１０）。
  8. 前記音響流体装置（１０）は、
    － 液体又は液体懸濁液（２）で満たされた前記マイクロ流体キャビティ（３０）を含む前記基板（１２）全体の音響共振ピークに対応する周波数ｆで前記薄膜超音波トランスデューサ（５０）を作動させるように構成された駆動回路（１００）であって、好ましくは、前記薄膜超音波トランスデューサと直列に接続されたインダクタ（１０４）をさらに含む駆動回路、をさらに含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の音響流体装置（１０）。
  9. 前記音響共振ピークは、マイクロ流体キャビティ（３０）を含む前記基板（１２）における３次元体積共振に対応し、この３次元体積共振は、前記基板における１次元又は２次元共振として記述することはできず、好ましくは、周波数ｆは前記マイクロ流体キャビティ単独の共振周波数に対応しない、請求項８に記載の音響流体装置（１０）。
  10. 前記音響流体装置は、前記もう１つの薄膜超音波トランスデューサ（５０’ｂ、５０’’ｂ）をさらに含み、前記駆動回路（１００）は、さらに、周波数ｆで前記薄膜超音波トランスデューサ（５０’ａ、５０’’ａ）と前記もう１つの薄膜超音波トランスデューサ（５０’ｂ、５０’’ｂ）を、互いに同位相、又は、好ましくは、逆位相のように位相が互いにずれた状態で作動させるように構成される、請求項８又は９に記載の音響流体装置（１０）。
  11. 音響流体操作を行う方法であって、
    ａ．音響流体装置（１０）を提供するステップ（１）であって、当該音響流体装置（１０）は、
    － マイクロ流体キャビティ（３０）が配置された基板（１２）と、
    － 超音波振動を前記基板に伝達し、前記基板の全体を振動させるために、前記基板の１つの面（１８）の少なくとも一部と音響的に接触して設けられた薄膜超音波トランスデューサ（５０）とを含み、前記音響流体装置は、好ましくは、請求項１～１０のいずれか１項に記載の音響流体装置であり、
    ｂ．液体又は液体懸濁液（２）で満たされた前記マイクロ流体キャビティを含む前記基板の音響共振ピークに対応する周波数ｆで前記薄膜超音波トランスデューサを作動させるステップ（３）と、
    ｃ．前記液体又は液体懸濁液に対して音響流体操作を行うために、前記液体又は液体懸濁液を前記マイクロ流体キャビティに供給するステップ（５）と
    を含む、音響流体操作を行う方法。
  12. － ステップaが、請求項４～１０のいずれか１項に記載の音響流体装置（１０）を提供することを含み、
    － ステップbが、周波数ｆで前記薄膜超音波トランスデューサ（５０’ａ）と前記もう１つの薄膜超音波トランスデューサ（５０’ｂ）を、互いに同位相、又は、好ましくは、逆位相のように位相が互いにずれた状態で作動させることを含む、
    請求項１１に記載の音響流体操作を行う方法。
  13. 前記音響流体操作は音響泳動操作であって、当該音響泳動操作が、前記マイクロ流体キャビティ（３０）内の液体懸濁液（２）に懸濁された細胞又は他の粒子を、前記マイクロ流体キャビティの１つ又は複数のとびとびの領域に向けて集めることを含む、
    請求項１１又は１２に記載の音響流体操作を行う方法。
  14. 音響流体操作を行うための音響流体装置を製造する方法であって、前記音響流体装置は、マイクロ流体キャビティが設けられた基板を含み、当該方法は、
    ａ．実験的に、或いは、計算又はシミュレーションによって、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせのそれぞれについて、基板の音響共振を決定するステップ（７）であって、当該基板パラメータは、基板材料、基板寸法、マイクロ流体キャビティの寸法、基板内のマイクロ流体キャビティの位置、マイクロ流体キャビティ内の液体の特性、基板の１つの面の少なくとも一部と音響接触する少なくとも１つ、好ましくは２つの薄膜超音波トランスデューサのための位置、及び、作動周波数ｆ、を含む、ステップ（７）と、
    ｂ．基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせの中から、音響流体操作を行うためのマイクロ流体キャビティを含む基板全体に音響共振をもたらす、基板材料Ｍ、基板寸法ＤＳのセット、マイクロ流体キャビティの寸法ＤＣのセット、基板内のマイクロ流体キャビティの位置ＰＣ、マイクロ流体キャビティ内の液体Ｌの特性、少なくとも１つ、好ましくは２つの薄膜超音波トランスデューサのための位置ＰＵ、及び、作動周波数ｆを選択するステップ（９）と、
    ｃ．基板寸法ＤＳを有する基板材料Ｍから作られ、基板内でのマイクロ流体キャビティの寸法ＤＣとマイクロ流体キャビティの位置ＰＣを有するマイクロ流体キャビティを備える音響流体装置を製造するステップ（１１）と、
    を含む、音響流体操作を行うための音響流体装置を製造する方法。
  15. － ステップａは、基板パラメータのパラメータ値の複数の異なる組み合わせのそれぞれについて、基板全体にわたってターゲット粒子に対する音響力を決定することをさらに含み、
    － ステップｂは、マイクロ流体キャビティが、ターゲット粒子に対する音響力が音響流体操作の実行に適している基板の領域を少なくとも部分的に画定するように、マイクロ流体キャビティの寸法ＤＣのセット及び基板内のマイクロ流体キャビティの位置ＰＣを決定することをさらに含む、
    請求項１４に記載の音響流体操作を行うための音響流体装置を製造する方法。
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