一种基于声表面波的Y型主动式微混合器的制作方法

本发明属于生物芯片和微全分析系统中液体微混合以及声表面波器件技术领域，技术涉及一种由叉指换能器和y型通道微混合器共同组成的溶液高效混合的主动式微混合器。

背景技术：

声表面波(saw)技术是一种集成了声学、电子学、材料学等多学科相互交叉的领域。声表面波具有频率高、传播速度低、波长短的特点，目前广泛应用于传感器、滤波器和振荡器等方面。声表面波主要通过叉指换能器激励产生，叉指换能器由压电基底和沉积在表面的金属叉指电极(interdigitaltransducers，idts)两部分组成。当叉指换能器上施加一定频率的交流电时，压电基底会在电场的作用下因电荷中心的偏移而产生周期性的形变，以弹性波的形式在基底表面沿垂直于电极的方向传播出去，形成声表面波。

微流控是在尺寸为几至几百微米的通道内操纵纳升至皮升体积(10^-9～10^-12l)样品的系统科学和技术，具有所需样品体积小、效率高、成本低、易于集成的优点，广泛应用于细胞培养、药物检测、细胞捕获和疾病检测等众多领域中，有着广阔的应用前景。微混合器是微流控技术中实现微量体积流体快速高效混合的重要前处理装置。微尺度流动的典型特征是流动的re非常低，大都处于层流区，分层不掺混的流动造成了混合困难。在宏观领域里，有足够的空间可供利用，借助湍流流动是获得充分混合的主要手段，而微尺度下的层流特性极大地限制了传统混合技术的混合性能。在微尺度下实现溶液快速高效的混合具有重要的应用价值。微混合器根据有无外界能量驱动分为主动式和被动式两种。相比于被动式微混合器，主动式微混合器由于有外界能量的输入，在低入口流量的条件下混合性能明显优于被动式，可实现溶液样品的充分混合。根据外界输入能量的不同，主动式微混合器分为多种类型，其中声表面波驱动流体混合技术是一种新型促混的方式。

声波与流体介质之间独特的相互作用促使声表面波与微流控技术良好结合，为微混合领域提供了一种新的方式。叉指换能器可以将电信号转换成声表面波经压电基底传播到微流控芯片中，以声流力的形式作用到流体中，流体在声流力的作用下会产生扰动及旋涡，会加速溶液的混合，显著提升微混合器的混合强度，以达到在低re下样本溶液快速高效混合的目的。

不同叉指换能器的结构尺寸及输入电压可以产生不同频率、不同波长和不同振幅的声表面波，最终作用到通道中流体的声流力也会不同，优化叉指换能器的结构尺寸对于提升微混合器混合性能具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种叉指换能器与y型微混合器通道相结合的主动式微混合器，可使样本溶液在低re下实现快速高效混合。

本发明采用的技术方案为一种弧形电极叉指换能器和y型通道相结合的基于声表面波的主动式微混合器。包括一片压电基底、两个交错排布的弧形叉指电极和一个y型微混合器通道。该主动式微混合器通过低传播损耗、高机电耦合系数的弧形叉指换能器将声表面波传播到y型通道中，利用声流力实现溶液的充分混合。

一种基于声表面波的y型主动式微混合器，包括两个叉指换能器弧形电极1、一片linbo3单晶压电基底2和一个y型通道微混合器，y型通道微混合器包括y型通道两入口3、混合通道4和y型通道出口5；两个叉指换能器弧形电极1镀在linbo3单晶压电基底2上，在声表面波传播方向上放置y型通道微混合器，y型通道微混合器的通道键合在linbo3单晶压电基底2上，混合通道4的方向与叉指换能器弧形电极1的声表面波的传播方向垂直。y型通道两入口3通过混合通道4和y型通道出口5连接。

叉指换能器弧形电极1的材质为铝膜，厚度为0.002mm，由两个互相插入且不接触的电极组成。每个电极中有15根叉指，互相插入后共形成15对叉指结构，每根叉指的宽度和相邻两根叉指之间的距离都为0.05mm，弧形的角度为60°，最长的叉指长度为4.8mm，最短的叉指长度为1.8mm。

linbo3单晶压电基底2为linbo3单晶材料，采用128°旋转y方向切割，沿x方向传播。

混合通道4的尺寸为宽0.3mm，高0.1mm。y型通道两入口3的两入口段长度均为2mm，夹角为90°；混合通道4的长度为7mm。

弧形电极的材质为铝膜，厚度为0.002mm，由两个互相插入且不接触的电极1组成，具体形状如图2所示。每个电极中有15根叉指，互相插入后共形成15对叉指结构，每根叉指的宽度和相邻两根叉指之间的距离均为0.05mm，弧形的角度为60°，最长的叉指长度为4.8mm，最短的叉指长度为1.8mm。两个弧形电极镀在压电基底2上，压电基底为linbo3单晶材料，该材料表面粗糙度小，能量转化率高，传播损耗小，机电耦合系数大的优点，其声表面波性能与切型和传播方向密切相关。本发明采用128°旋转y方向切割，x方向传播的linbo3单晶，该方向切割的linbo3单晶压电基底声波损耗最小，性能最优。叉指换能器产生的声表面波波长为0.2mm，频率为19.5mhz。在叉指换能器声表面波传播方向上放置了一个y型微通道，通道的方向与声表面波的传播方向垂直。y型通道由两个入口3和一个混合通道4组成，通道尺寸宽0.3mm，高0.1mm。通道两入口段长度均为2mm，夹角为90°，混合通道长度为7mm。

两种不同组分的流体分别从两入口等速流入微混合器，在混合通道中汇聚，最后从出口5流出。两种不同组分流体在混合通道流动的过程中，利用声表面波的作用促进两种流体的混合。

本发明采用上述技术方案后具有下列优点：

1.本发明能通过叉指换能器激励产生声表面波经压电基底传播到y型通道中，以声流力的形式作用到流体上，形成扰动及涡流从而促进两种不同组分流体的混合。

2.本发明的弧形叉指换能器结构更能使声表面波进行聚焦，作用于通道的范围较短，声表面波强度更高，声流力更大，促进混合的程度更明显。

3.本发明能有效提高不同组分流体在低re条件下的混合效率，实现微尺度下流体的高效混合，可以在简单的通道结构条件下实现较好的混合效果。

附图说明

图1为发明中提到的一种基于声表面波的y型主动式微混合器三维结构示意图；

图2为该发明中叉指换能器弧形电极的俯视图；

图中：1、叉指换能器弧形电极，2、linbo3单晶压电基底，3、y型通道两入口，4、混合通道，5、y型通道出口。

具体实施方式

本发明的基于声表面波的主动式微混合器芯片制作主要分为三部分，第一部分是叉指换能器的制作，第二部分是y型微流控芯片的制作，第三部分是将两部分进行键合加热。

叉指换能器的制作方式是在128°旋转y方向切割，x方向传播的linbo3单晶压电基底上利用镀膜的方式将两个互相插入的弧形电极镀在表面。首先利用蒸镀膜方法在压电基底表面沉积一层0.002mm的厚铝膜，在表面利用甩胶技术涂抹一层光刻胶，然后利用光学掩盖基片进行紫外线曝光后显影，最后进行金属腐蚀以及连接导线，完成叉指换能器部分的制作。

y型微流控芯片的制作，y型微流控芯片材质为聚二甲基硅氧烷pdms，方法采用与叉指换能器制作相类似的su-8负性光刻技术进行凸膜腐蚀。首先对硅片进行清理，利用甩胶的方法在表面旋涂su-8光刻胶，然后利用掩膜板进行硅片曝光和显影洗涤，最后在硅片上浇筑pdms并进行热固，在出入口完成打孔后完成y型微流控芯片的制作。

将叉指换能器与y型微流控芯片进行等离子处理精准对齐后加热4小时完成键合。

本发明的基于声表面波的主动式微混合器芯片在通入交流电后叉指换能器可以激励产生聚焦的高强度声表面波，经过linbo3压电基底传播到y型微通道中。在y型微通道中两种不同组分的流体分别从通道两入口等速流入微混合器，在混合通道中汇聚，经过声表面波传播的区域，声表面波以声流力的形式作用到流体中，形成一定的扰动及旋涡，最后从微混合器出口流出。声表面波的加入延长了流体在混合器中的流动路径，使溶液扩散效应明显提升，显著增强了微混合器的混合性能。