一種激振-吸振行波引導(dǎo)微流體運(yùn)輸?shù)难b置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激振?吸振行波引導(dǎo)微流體運(yùn)輸?shù)难b置，屬于微精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。它包括超聲波信號(hào)發(fā)生器、超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件、電感和電阻。本發(fā)明是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生高頻振動(dòng)并利用激振?吸振的原理在微管道內(nèi)產(chǎn)生超聲行波聲場(chǎng)，聲場(chǎng)內(nèi)的聲輻射壓可驅(qū)使微管道內(nèi)微流體沿著行波方向運(yùn)輸,它是變傳統(tǒng)微流體驅(qū)動(dòng)的點(diǎn)驅(qū)動(dòng)為面驅(qū)動(dòng)且整個(gè)聲場(chǎng)均為驅(qū)動(dòng)源。這種激振?吸振行波引導(dǎo)微流體運(yùn)輸?shù)难b置的優(yōu)點(diǎn)在于：無活動(dòng)部件，控制方式簡(jiǎn)單，控制精度高，微型化，集成化高等特點(diǎn)。
【專利說明】
一種激振-吸振行波弓I導(dǎo)微流體運(yùn)輸?shù)难b置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種激振-吸振行波引導(dǎo)微流體運(yùn)輸?shù)难b置，屬于微精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，由于新型技術(shù)的快速發(fā)展和市場(chǎng)對(duì)微流體器件需求的持續(xù)推動(dòng)，微流體系統(tǒng)已成為科學(xué)界、企業(yè)界研究的熱點(diǎn)。微流體的驅(qū)動(dòng)與控制是微流體系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的問題，是發(fā)展MEMS需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著生物芯片技術(shù)的進(jìn)步，更是迫切要求實(shí)現(xiàn)微量流體自動(dòng)、精確的驅(qū)動(dòng)和控制。因此微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的發(fā)展嚴(yán)重影響微流體器件的進(jìn)一步微型化和性能的改進(jìn)。目前微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的研究已逐漸成為研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)主要有:I)壓力驅(qū)動(dòng)和控制，它可看作是宏觀流動(dòng)控制技術(shù)的一種移植;依靠入口、出口和管道內(nèi)的相對(duì)壓差來驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)輸;2)電驅(qū)動(dòng)，它是通過在儲(chǔ)液池的兩端放置外電極，通過在電極上施加電壓以在溶液中形成驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)微管道內(nèi)液體的運(yùn)輸。它是目前最常用和最有效的驅(qū)動(dòng)方式。但也存在一定的局限性，它對(duì)管壁材料和被驅(qū)動(dòng)流體的物理化學(xué)性質(zhì)比較敏感，因此只可適用于一定范圍的流體和管壁材料;3)電水力驅(qū)動(dòng)與控制，它需要在流體中或流-固界面誘導(dǎo)產(chǎn)生自由電荷，并通過電場(chǎng)與自由電荷的相互作用產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)微流體。但它一般只適用于導(dǎo)電率極低的液體；4)表面張力驅(qū)動(dòng)微流體流動(dòng)，它是利用在流-固表面產(chǎn)生某種特定的表面張力梯度，來驅(qū)使流體在特定的方向上運(yùn)輸;5)離心力驅(qū)動(dòng)和控制，通過采用光刻和膜塑成型的方法在塑料圓盤上制作微管道網(wǎng)絡(luò)，流體被貯存在靠近圓盤中心的供液池中，當(dāng)圓盤被馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體就會(huì)在離心力的作用下沿著微管道網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)離圓心的方向運(yùn)動(dòng)。這種方式的微流體運(yùn)輸速度可通過調(diào)節(jié)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速來控制。為了更能簡(jiǎn)易地實(shí)現(xiàn)微管道內(nèi)微流體的運(yùn)輸，本發(fā)明提出了一種新型利用激振-吸振形成法產(chǎn)生超聲行波并在微器件的管道內(nèi)產(chǎn)生聲輻射壓以克服液體間的粘滯力與慣性力，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)微流體沿著行波方向運(yùn)輸?shù)哪康摹?br>
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制微管道內(nèi)微流體的運(yùn)輸問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種激振-吸振行波引導(dǎo)微流體運(yùn)輸?shù)难b置。該裝置致力于一種新原理的微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)，并利用激振-吸振法產(chǎn)生具有驅(qū)動(dòng)源的超聲行波，同時(shí)利用產(chǎn)生的超聲行波來實(shí)現(xiàn)微流體的運(yùn)輸與控制。該發(fā)明裝置核心部分在于超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)的制作，它是利用激振-吸振的原理在超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)上產(chǎn)生單向直線式超聲行波，當(dāng)?shù)谝还杵?6)上的微管道內(nèi)的超聲行波的波速大于媒介中的聲速時(shí)，就會(huì)在媒介中形成斜向的聲輻射壓力，這樣微管道內(nèi)的液體就會(huì)在這種聲輻射壓和管壁的粘附力的作用下克服液體間的粘滯力與慣性力，從而實(shí)現(xiàn)微流體的驅(qū)動(dòng)與控制。
[0004]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:其中本發(fā)明的關(guān)鍵部件是超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)的制作，它可通過以下技術(shù)方案及流程實(shí)現(xiàn)。
[0005]I)由于Si3N4材料具有優(yōu)良的機(jī)械及光電性能、熱和化學(xué)穩(wěn)定性，硬度高、耐磨損等特點(diǎn)而得到重視。因此本裝置也采用Si3N4作為需要的薄膜材料，并采用低壓化學(xué)汽相沉積法對(duì)第二硅片(5)進(jìn)行低應(yīng)力Si3N4薄膜(4)的生長(zhǎng)。
[0006]2)在Si3N4薄膜(4)上進(jìn)行光刻膠PR( 11)的旋涂。通過旋轉(zhuǎn)涂膠臺(tái)將光刻膠PR( 11)均勻涂于Si3N4薄膜(4)，從而使得光刻膠PR(Il)與Si3N4薄膜(4)能夠很好地結(jié)合，而獲得精準(zhǔn)的幾何圖案。
[0007]3)曝光與顯影:通過曝光技術(shù)對(duì)前烘后的光刻膠PR(Il)進(jìn)行曝光處理。然后把曝光后的第二硅片(5)放在NaOH顯影液里，這樣顯影液就會(huì)將應(yīng)去除的光刻膠PR( 11)除干凈，以獲得所需的圖形。顯影后可將樣品勻速放入到去離子水中定影l(fā)min。
[0008]4)在光刻膠PR(Il)及Si3N4薄膜(4)表面反應(yīng)濺射一層Cr金屬(10)作為保護(hù)層，后續(xù)再通過金屬剝離技術(shù)，使無需刻蝕的第二硅片(5)能夠得到Cr金屬(10)的保護(hù)。將濺射完的第二硅片(5)浸泡于丙酮溶液中，這樣光刻膠PR( 11)上的Cr金屬(10)會(huì)隨光刻膠PR( 11)在丙酮溶液中溶解而從第二硅片(5)上剝離出來，從而掩膜圖形即呈現(xiàn)出來。
[0009]5)選用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)法除去未被Cr金屬(10)保護(hù)的Si3N4薄膜(4)。
[0010]6)利用ICP刻蝕法對(duì)無需的第二硅片(5)層進(jìn)行刻蝕處理，以形成具有兩凸臺(tái)的第三硅片(5a)。同樣，利用ICP刻蝕法對(duì)第一硅片(6)進(jìn)行刻蝕，以獲取所需的直線式微管道結(jié)構(gòu)的第一硅片(6)。然后再通過高溫處理法將第一硅片(6)與第三硅片(5a)進(jìn)行鍵合處理。
[0011]7)采用H3PO4溶液將Cr金屬(10)去除，之后進(jìn)行清潔并干燥處理，從而達(dá)到對(duì)保護(hù)層Cr金屬(10)的去除。
[0012]8)利用靜電技術(shù)將第三硅片(5a)與Glass片(3)鍵合在一起。通過在第三硅片(5a)上接正極，Glass片(3)上接負(fù)極，并對(duì)Glass片(3)與第三娃片(5a)進(jìn)行加熱處理，從而使其兩者之間產(chǎn)生較大的靜電吸引力，以使兩者緊密接觸牢牢緊固在一起。
[0013]9)將PZT-4薄片(I)和PZT-4薄片(2)分別粘結(jié)于Glass片(3)的中央。值得注意的是:這兩片PZT-4薄片應(yīng)在理論參數(shù)上具有完全的一致性，即選用相同參數(shù)的PZT-4薄片。這樣就完成了整個(gè)超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)的制作。
[0014]作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，利用超聲波信號(hào)發(fā)生器(9)輸出正弦信號(hào)予與之相連的PZT-4薄片(I)使其產(chǎn)生高頻往復(fù)振動(dòng)，這種振動(dòng)能量可通過Glass片(3)親合到Si3N4薄膜(4)上，驅(qū)動(dòng)Si3N4薄膜(4)使其產(chǎn)生更大幅度的振動(dòng)；同時(shí)調(diào)節(jié)電阻(7)與電感(8)吸收來自PZT-4薄片(I)端的彎曲行波，從而帶動(dòng)整個(gè)超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)產(chǎn)生高幅度高頻地往復(fù)振動(dòng)，并在微管道內(nèi)激勵(lì)出單向直線式超聲行波并形成斜向的聲輻射壓力，這樣微管道內(nèi)的液體在就會(huì)這種聲輻射壓和管壁的粘附力的作用下克服液體間的粘滯力與慣性力，從而實(shí)現(xiàn)微流體的驅(qū)動(dòng)與控制。
[0015]作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，本裝置是采用高頻振動(dòng)方式產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)微流體的驅(qū)動(dòng)源，因此整個(gè)超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)裝置的振幅越大，則產(chǎn)生的行波驅(qū)動(dòng)力越大。因此在設(shè)計(jì)超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)時(shí)，需要對(duì)超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)及Si3N4薄膜(4)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，以求設(shè)計(jì)最合理的模型尺寸和工作頻率，從而獲得一個(gè)最佳尺寸、最佳性能的結(jié)構(gòu)(諧振振幅最大，行波驅(qū)動(dòng)力最大)。
[0016]作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，選擇合適匹配的電阻(7)與電感(8)。通過合適的電阻(7)與電感(8)來予以吸收自PZT-4薄片(I)端傳遞來的行波能量，從而防止行波出現(xiàn)反射而形成駐波，阻礙微管道內(nèi)微流體的運(yùn)輸，這樣超聲行波就可源源不斷地朝著PZT-4薄片(2)端傳播，從而產(chǎn)生單向直線式超聲行波。同樣，通過調(diào)節(jié)阻抗匹配(即電阻(7)與電感(8)的阻值大小)可控制微流體流速的快慢，當(dāng)彎曲行波的能量被全部吸收時(shí)，微流體的流速達(dá)到最大。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:把激振-吸振的行波形成原理應(yīng)用到微流體驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，利用超聲行波在微流體管道內(nèi)產(chǎn)生的斜向聲輻射力的水平分力來驅(qū)動(dòng)微管道內(nèi)的微流體作單向直線式運(yùn)輸。它與現(xiàn)有技術(shù)相比，超聲行波驅(qū)動(dòng)會(huì)在微管道內(nèi)形成層流現(xiàn)象，在越接近管壁位置流體的流速越快，與壓力驅(qū)動(dòng)的流速分布恰好相反。這種特性可應(yīng)用在微流體散熱方面。它可很好的解決微流體的散熱問題，提高其熱擴(kuò)散效率。該發(fā)明裝置在控制方式上比較簡(jiǎn)單，控制精度較高，微型化，且集成化較高。
【附圖說明】
[0018]圖1是一種激振-吸振行波引導(dǎo)微流體運(yùn)輸?shù)难b置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3是第一硅片(刻有微管道)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖4是超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件的制作工藝流程圖；其中，圖4A為Si3N4薄膜的生長(zhǎng)，圖4B為旋涂光刻膠PR，圖4C為第二硅片的曝光與顯影，圖4D為Cr金屬的濺射，圖4E為Cr金屬的剝離工藝，圖4F為Si3N4薄膜的反應(yīng)離子刻蝕，圖4G為第二硅片的ICP刻蝕，圖4H為與第一硅片的鍵合，圖41為Cr金屬的去除，圖4J為與Glass片的鍵合，圖4K為粘結(jié)PZT-4薄片；
[0022]圖5是替換電阻、電感與超聲波信號(hào)發(fā)生器后實(shí)現(xiàn)反向驅(qū)動(dòng)微流體運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施方式
[0024]本發(fā)明核心部件是超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)的加工制作，其中本發(fā)明最核心的理念是在超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)上粘結(jié)PZT-4薄片(I)和PZT-4薄片(2)，使其產(chǎn)生具有單向直線式傳播的超聲行波，可通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0025]I)硅片的清洗
[0026]首先是對(duì)第二硅片(5)進(jìn)行清洗。清洗處理的目的是使第二硅片(5)表面清潔干燥，以便和后續(xù)工藝緊密結(jié)合。
[0027]2) Si3N4薄膜的制作
[0028]本裝置采用Si3N4作為需要的薄膜材料。在該超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)中，采用低壓化學(xué)汽相沉積法(LPCVD)，在LPCVD爐中對(duì)第二硅片(5)進(jìn)行低應(yīng)力Si3N4薄膜(4)的生長(zhǎng)。通過LPCVD爐對(duì)整個(gè)爐體加熱，并且施加高頻激勵(lì)電源。當(dāng)爐體加熱到700°C以上時(shí)，通入SiH2Ci2和NH3氣體。在壓強(qiáng)為36Pa下工作，生長(zhǎng)速度為3-4nm/min，加工時(shí)間約為6小時(shí)，即可完成薄膜厚度1.2μπι左右的Si3N4薄膜(4)的生長(zhǎng)，見圖4A。
[0029]3)涂光刻膠
[0030]在旋涂光刻膠PR(Il)之前需要對(duì)第二硅片(5)進(jìn)行清洗處理，清洗的目的是使Si3N4薄膜(4)表面清潔干燥，能和光刻膠PR(Il)很好的粘附，注意清洗過程要確保不可損害Si3N4薄膜(4)的結(jié)構(gòu)層。清洗完成后需對(duì)第二硅片(5)進(jìn)行烘干，再通過旋轉(zhuǎn)涂膠臺(tái)涂覆光刻膠PR(Il)于Si3N4薄膜(4)上，利用離心原理即可獲得厚度均勻的光刻膠PR(Il)層，從而使得光刻膠PR( 11)與Si3N4薄膜(4)能夠很好地結(jié)合在一起，見圖4B。
[0031]4)曝光與顯影
[0032]a)前烘:前烘的目的是使光刻膠PR(11)體內(nèi)溶劑充分的揮發(fā)，以增加光刻膠PR
(11)與Si3N4薄膜(4)的粘附性和光刻膠PR( 11)的耐磨性。只有光刻膠PR( 11)干燥，曝光時(shí)才可充分進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)。設(shè)定前烘溫度為95°C，時(shí)間為20min;
[0033]b)對(duì)準(zhǔn)和曝光:曝光時(shí)間約為6s;
[0034]c)泛曝光:由于選用的光刻膠PR(Il)的特性，在烘干結(jié)束后需利用光刻機(jī)對(duì)第二硅片(5)進(jìn)行泛曝光，曝光時(shí)間約為5s;
[0035]d)顯影:顯影是把曝光后的第二硅片(5)放在顯影液里，如圖5所示。將應(yīng)去除的光刻膠PR (I I)溶解干凈，以便獲得所需的圖形。對(duì)所使用的光刻膠PR (11)可采用8 %的NaOH溶液作為顯影液。顯影后應(yīng)將第二硅片(5)勻速放入到去離子水中定影l(fā)min;見圖4C。
[0036]e)后烘:后烘為了堅(jiān)膜，通常在一定溫度下將顯影后的第二硅片(5)進(jìn)行烘烤，以除去顯影時(shí)光刻膠PR(Il)所吸收的顯影液和殘留水分，從而改善光刻膠PR(Il)與Si3N4薄膜
(4)間的粘附性，增加光刻膠PR(Il)的抗蝕能力和消除顯影時(shí)所引起的圖形變形等問題。
[0037]5)濺射 Cr
[0038]在光照工藝與刻蝕工藝之間加入一步金屬濺射工藝，再采用金屬剝離技術(shù)去除濺射的金屬，以便使得無需刻蝕的第二硅片(5)能得到金屬層的良好保護(hù)。
[0039]采用反應(yīng)濺射的方法在光刻膠PR(Il)及Si3N4薄膜(4)表面反應(yīng)濺射一層Cr金屬
(10)作為保護(hù)層，濺射厚度約為Ιμπι，見圖4D。
[0040]6)Cr金屬剝離
[0041]將完成金屬濺射后的第二硅片(5)浸泡于丙酮溶液中，光刻膠PR(Il)上的Cr金屬
(10)隨光刻膠PR(Il)在丙酮溶液中溶解而從第二硅片(5)上剝離出去，同時(shí)Si3N4薄膜(4)表面的Cr金屬(10)得以保留，這樣所需的掩膜圖形就顯現(xiàn)出來，見圖4E。
[0042]7) Si3N4薄膜的反應(yīng)離子刻蝕
[0043]在刻蝕工藝中可選用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)法除去未被Cr金屬(10)保護(hù)的Si3N4薄膜
(4)。將濺射有Cr金屬(10)的第二硅片(5)放入反應(yīng)離子刻蝕機(jī)中，然后對(duì)刻蝕機(jī)進(jìn)行抽真空處理以達(dá)到一定的真空度，再向機(jī)器中沖入Ar氣體和CF4氣體，以便在刻蝕腔內(nèi)對(duì)Si3N^膜(4)進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕工藝，見圖4F。
[0044]8) ICP 刻蝕
[0045]利用ICP刻蝕法對(duì)無需的第二硅片(5)進(jìn)行刻蝕處理，以形成具有兩凸臺(tái)的第三硅片(5a)。同樣，利用ICP刻蝕法對(duì)第一硅片(6)進(jìn)行刻蝕，以獲取所需直線式微管道結(jié)構(gòu)的第一硅片(6)。通過控制刻蝕時(shí)間可獲得所需要的硅片形狀，見圖3和圖4G。
[0046]9)鍵合(第一硅片)
[0047]對(duì)兩拋光的第三硅片(5a)和第一硅片(6)進(jìn)行含OH-溶液的浸泡處理，在室溫下將第三硅片(5a)與第一硅片(6)面對(duì)面貼合在一起;然后在02或他環(huán)境中經(jīng)數(shù)小時(shí)的高溫處理后就可形成良好的鍵合，見圖4H。
[0048]10)Cr金屬的去除
[0049]采用H3PO4溶液將Cr金屬(10)進(jìn)行去除，之后便進(jìn)行清潔后并干燥，見圖41。
[0050]11)鍵合(Glass 片)
[0051 ]通過靜電技術(shù)可直接將第三硅片(5a)與Glass片(3)鍵合在一起。將第三硅片(5a)接正極，Glass片(3)接負(fù)極，并對(duì)第三娃片(5a)與Glass片(3)進(jìn)行加熱。這樣便在與第三娃片(5a)相鄰的Glass片(3)表面形成耗盡層，由于Glass片(3)帶負(fù)電；第三娃片(5a)帶正電，所以第三硅片(5a)和Glas s片(3)之間存在的較大靜電吸引力就會(huì)使二者緊密接觸。在高溫下第三硅片(5a)與Glass片(3)的界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成牢固的化學(xué)鍵，從而完成了第三硅片(5a)與Glass片(3)的鍵合，見圖4J。
[0052]12)粘結(jié) PZT-4 薄片
[0053]將PZT-4薄片(I)和PZT-4薄片(2)分別粘結(jié)于Glass片(3)的中央。，從而完成超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)的制作工藝，見圖4K。
[0054]待超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)的加工制作完成后，超聲波信號(hào)發(fā)生器(9)連接與PZT-4薄片(1)，使其產(chǎn)生高頻往復(fù)振動(dòng)并激勵(lì)出彎曲行波;此后PZT-4薄片(2)與電阻(7)和電感(8)連接，其中電阻(7)和電感(8)連接采用的是并聯(lián)連接方式，以用來吸收由PZT-4薄片(I)端傳遞來的彎曲行波能量。這樣就完成了整個(gè)激振-吸振行波引導(dǎo)微流體運(yùn)輸?shù)难b置的安裝。
[0055]該裝置致力于一種新原理的微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)，該發(fā)明裝置利用激振-吸振法產(chǎn)生超聲行波，并利用超聲行波的原理來驅(qū)動(dòng)微流體的運(yùn)動(dòng)與控制。通過超聲波信號(hào)發(fā)生器(9)輸出正弦信號(hào)予與之相連的PZT-4薄片(I)，使其產(chǎn)生高頻往復(fù)振動(dòng)，當(dāng)這種振動(dòng)能量通過Glass片(3)親合到Si3N4薄膜(4)上，驅(qū)動(dòng)Si3N4薄膜(4)產(chǎn)生更大幅度的振動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)產(chǎn)生高幅度高頻地往復(fù)振動(dòng)，并在微管道內(nèi)激勵(lì)出聲場(chǎng)彎曲行波;這樣即可實(shí)現(xiàn)變傳統(tǒng)微流體驅(qū)動(dòng)的點(diǎn)驅(qū)動(dòng)為面驅(qū)動(dòng)，且整個(gè)聲場(chǎng)均為驅(qū)動(dòng)源；當(dāng)激勵(lì)的超聲行波傳播至PZT-4薄片(2)端時(shí)，也使其產(chǎn)生上下往復(fù)地高頻振動(dòng)。由于PZT-4薄片(2)具有壓電效應(yīng)，它可將高頻的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，這樣可通過電阻(7)與電感(8)來予以吸收行波能量，從而防止行波出現(xiàn)反射而形成駐波，阻礙微管道內(nèi)微流體的運(yùn)輸，這樣超聲行波就可源源不斷地朝著PZT-4薄片(2)端傳播，從而產(chǎn)生單向直線式超聲驅(qū)動(dòng)行波。同樣，通過調(diào)節(jié)阻抗匹配(即電阻(7)與電感(8)的阻值大小)可控制微流體流速的快慢，當(dāng)彎曲行波的能量被全部吸收時(shí)，微流體的流速達(dá)到最大。產(chǎn)生的超聲行波會(huì)驅(qū)使微管道壁上的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生與管道壁垂直的橢圓運(yùn)動(dòng)，管徑產(chǎn)生周期性的蠕動(dòng)變形。管徑的周期性變化便會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生擠壓與蠕動(dòng)作用。在流固耦合界面附近，由于固壁面處存在的粘性作用和液體分子與固體表面物質(zhì)分子間的相互作用，便會(huì)形成無滑移邊界層。其中，近壁面的流體分子黏附在壁面上具有固體性質(zhì)，近邊界層的液體受到邊界層液體分子的引力，具有半固體的性質(zhì);遠(yuǎn)離邊界層的分子是自由液體分子。在超聲行波作用下，下壁面的質(zhì)點(diǎn)將做橢圓運(yùn)動(dòng)，此時(shí)緊靠壁面的流體分子黏附在壁面上隨壁面質(zhì)點(diǎn)一起做橢圓運(yùn)動(dòng)，這樣近邊界層的液體在分子間作用力的作用下也隨之運(yùn)動(dòng)，最后帶動(dòng)遠(yuǎn)離固壁面的自由液體分子隨之運(yùn)動(dòng)，從而通過液體對(duì)管壁的粘附力及聲輻射壓的作用即可驅(qū)動(dòng)微管道內(nèi)的流體流動(dòng)，并形成超聲行波引導(dǎo)微流體運(yùn)輸。值得注意的是:這種激振-吸振行波引導(dǎo)微流體裝置，超聲行波在微管道內(nèi)流體場(chǎng)產(chǎn)生的聲速要大于微流體媒介的聲速，只有這樣超聲行波才可在微流體內(nèi)產(chǎn)生斜向的聲輻射力，其水平分力可引導(dǎo)微流體運(yùn)輸。PZT-4薄片(I)和PZT-4薄片
(2)在結(jié)構(gòu)參數(shù)上具有高度的一致性，因此通過互換電阻(7)、電感(8)和超聲波信號(hào)發(fā)生器(9)可實(shí)現(xiàn)微流體朝著另一方向的運(yùn)輸，如圖5所示，圖中“箭頭”方向?yàn)樾胁▊鬟f方向。所以該發(fā)明裝置只需輕易更換激發(fā)方式與接收方式即可實(shí)現(xiàn)另一方向上的微流體驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種激振-吸振行波引導(dǎo)微流體運(yùn)輸?shù)难b置，包括超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)，超聲波信號(hào)發(fā)生器(9)，電阻(7)和電感(8);其特征在于所述的超聲行波驅(qū)動(dòng)微器件(100)是通過在第二硅片(5)上沉積一層Si3N4薄膜(4);然后通過微加工工藝把第二硅片(5)刻蝕為第三硅片(5a)并同時(shí)完成第三硅片(5a)與第一硅片(6)的鍵合，其中第一硅片(6)上刻有所需的直線式微管道結(jié)構(gòu);隨后在Si3N4薄膜(4)上鍵合Glass片(3)，然后在Glass片(3)上分別粘結(jié)PZT-4薄片(I)和PZT-4薄片(2);最后PZT-4薄片(I)與超聲波信號(hào)發(fā)生器(9)連接，以產(chǎn)生高頻往復(fù)振動(dòng)并激勵(lì)出彎曲行波;PZT-4薄片(2)與電阻(7)和電感(8)連接，以吸收由PZT-4薄片(I)端傳遞來的彎曲行波能量。
【文檔編號(hào)】F04B43/12GK105927519SQ201610457446
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月22日
【發(fā)明人】江海, 呂慶慶, 顧守東, 路崧, 劉建芳, 王吉舉, 王全偉, 吳亞東, 王迪
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)