一种基于仿生基底的宽频带式声表面波分选芯片的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种粒子分选芯片，特别涉及一种新型的具有仿生基底的宽频带式声表面波分选芯片。

背景技术：
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基于声表面波的粒子分选芯片具有结构简单、紧凑，易于制作，适于批量生产，集成化、对生物粒子(如细胞)无损伤，分选精度高等优点，在药物合成与成分筛选，细胞、无机粒子分选和治疗诊断学等领域有着广泛的应用。

近几十年来，微流控技在化学、生物和制药等领域发展迅速。而近几年内，在微流控研究领域，人们又对使用声表面波驱动微流体展开了卓有成效的研究，在粒子分选技术上也取得了很大进步。目前已有很多的研究团队致力于微流控粒子分选技术的研究，其应用的技术包括利用微结构、流体动力学等的被动分选技术和利用声、光、电、磁等外力场的主动分选技术。被动分选技术一般需要依赖流道的微型结构，这不仅需要对流道的尺寸和流速进行比较严格的控制，而且流道易堵塞且分选精度低。在主动分选技术中，光分选芯片结构复杂、设备也相对昂贵，而依据电场和磁场进行分选时，需要粒子带有特殊的电、磁特性，不具有一般性。

基于声表面波(saw)的微流控粒子分选技术是近些年新兴的一种分选技术。声表面波是一种在固体表面传播的的弹性声波。在压电基底表面的叉指换能器上施加正弦电压，由于压电逆效应基底表面产生变形进而在其表面产生声表面波，且声表面波的振幅随着基底深度的增加迅速衰减,机械能集中在压电基底的表面一个波长的深度范围内。因此,声表面波系统具有很高的能量密度。

根据作用原理的不同,声表面波在粒子分选中的应用主要分为两类。一类是行波声表面波分选，其分选原理是声表面波单方向作用微流道中的流体时，不同属性(密度，直径，可压缩率)的粒子受到的声辐射力大小不同，因此侧向迁移距离也不同，进而实现分选。另一类是驻波声表面波分选，其分选原理是驻波作用微流道中的流体时，由于声流效应会在流道内形成周期分布的压力节点和反压力节点，粒子在声辐射力的作用下会迁移至压力节点或反压力节点，进而实现分选。相对行波声表面波分选，驻波声表面波分选在器件的设计上需要在微流道两侧对称布置两组叉指换能器，并且微流道与叉指换能器的对准精度要求很高。

目前，在声表面波粒子分选领域所应用的叉指换能器多是只能在一个频率下产生最大能量，其在应用行波声表面波分选粒子时，难以实现较宽范围内的粒子分选。

技术实现要素：
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本发明的目的是为了解决上述问题，而提供一种新型的基于仿生基底的宽频带式声表面波分选芯片，利用宽频带式叉指换能器产生的声表面波与具有仿簸箕筛动面结构基底在分选流道内共同作用实现粒子较大范围的多级分选。

本发明采用的技术方案是：

利用光刻技术在洁净的压电基底(1)表面绘制一层带有双梯形叉指换能器图案的光刻胶，且叉指换能器与分选流道呈一定角度放置，采用溅射+剥离工艺在压电基底表面制作双梯形叉指换能器(2)。

利用光刻技术在洁净的压电基底(1)表面形成流道处绘制一层带有类似于簸箕筛动面凹凸有致结构的光刻胶，采用溅射+剥离工艺在压电基底分选流道底部制作仿簸箕筛选面的仿生基底(10)。

利用精雕机雕刻微流道系统的模具，利用模具选取材质(如pdms)制作微流道系统(5)，并进行出入口接口处理。

将经过清洗的微流道系统(5)键合在压电基底(1)的表面。

本发明的优势在于：可根据不同尺寸的粒子在不同频率下所受的声辐射力不同，通过调整叉指换能器的输入频率，从而能较大范围高效率的实现粒子的多级分选。且在宽频带式叉指换能器产生的声表面波与流道底部仿簸箕筛动面结构基底的共同作用下，能实现对粒子的高纯度多级分选。除此之外，本发明还具有结构简单，易于制作，成本低廉等特点。

附图说明：

图1为本发明的微流控芯片的等轴侧视图

图2为本发明的微流控芯片的分选流道主视图

图3为本发明的微流控芯片进行粒子分选的原理示意图。

具体实施方式：

参照图1、图2和图3对本发明的结构特点和工作原理进行详细叙述。

本发明提出一种新型的基于仿生基底的宽频带式声表面波分选芯片。该芯片主要由压电基底(1)、宽频带式叉指换能器(2)和微流道系统(5)组成，其中微流道系统(5)包括去离子水流入接口(13)和(16)、粒子流入接口(14)、去离子水流入流道(12)和(17)、粒子流入流道(15)、分选流道(11)、大粒子流出流道(9)、中等粒子流出流道(6)、小粒子流出流道(3)、大粒子流出出口(8)、中等粒子流出出口(7)、小粒子流出出口(4)。

在粒子分选时需要将芯片整体与水平面呈一定角度放置，其角度大小需根据所分选粒子的尺寸等特性来调整。

将信号发生器的输出信号的+/-两极分别与叉指换能器的两极相连，然后输出连续的正弦信号。

将混有不同尺寸粒子的液体以一定的流量通过流入接口(14)注入分选流道系统中。将去离子水以一定的流量分别通过流入接口(13)和(16)注入分选流道系统中，其中接口(13)的流量大于接口(16)的流量。参照图2，不同尺寸的粒子在流入分选流道(11)后受到流道底部类似于簸箕筛动面凹凸有致结构(10)的作用，大粒子会比小粒子运动的速度更快。

参照图3，不同尺寸的粒子进入分选流道(11)后，由于流入接口(13)和(16)注入去离子水的流量不同，进而确保混合粒子集中于分选流道的设定区域。在流体、仿簸箕结构和声辐射力的共同作用下，粒子的运动轨迹呈抛物线状，且大粒子运动的相对较快、偏转角度也相对较大，从而使得尺寸大的粒子能够较快的从流出流道(9)流出，而中等粒子从流出流道(6)流出，小粒子则从流出流道(3)流出。

本发明采用的宽频带式叉指换能器不同与传统的叉指换能器只能在一个频率下产生最大的能量，宽频带式叉指换能器在一定的频率范围内均可产生很大能量。因此，可根据不同尺寸的粒子在不同频率下所受的声辐射力不同，通过调整叉指换能器的输入频率，从而能较大范围高效率的实现粒子的多级分选。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于仿生基底的宽频带式声表面波分选芯片。该芯片由压电基底，宽频带式叉指换能器和分选流道系统组成，其中叉指换能器和分选流道系统呈一定角度布置在压电基底上，且分选流道底部制作成类似于簸箕筛动面凹凸有致的结构。分选流道包括入口流道、分选流道和出口流道，其中入口流道、分选流道和流出流道依次相连形成分选流道系统。通过利用宽频带式叉指换能器产生的声表面波和具有仿簸箕筛动面凹凸有致的结构的分选流道共同作用，使不同尺寸的粒子在分选流道中的运动轨迹不同，进而实现粒子的多级分选。本发明还具有结构简单、分选范围广、分选效率高等优点。

技术研发人员：刘国君;何芳;马祥;王记波;李新波;刘建芳;孙晓东;杨志刚
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2018.01.18
技术公布日：2018.05.04