本实用新型专利技术涉及一种激振‑吸振行波引导微流体运输的装置，属于微精密驱动领域。它包括超声波信号发生器、超声行波驱动微器件、电感和电阻。本实用新型专利技术是利用压电陶瓷的逆压电效应产生高频振动并利用激振‑吸振的原理在微管道内产生超声行波声场，声场内的声辐射压可驱使微管道内微流体沿着行波方向运输,它是变传统微流体驱动的点驱动为面驱动且整个声场均为驱动源。这种激振‑吸振行波引导微流体运输的装置的优点在于：无活动部件，控制方式简单，控制精度高，微型化，集成化高等特点。
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及一种激振-吸振行波引导微流体运输的装置，属于微精密驱动领域。
技术介绍
近年来，由于新型技术的快速发展和市场对微流体器件需求的持续推动，微流体系统已成为科学界、企业界研究的热点。微流体的驱动与控制是微流体系统中经常遇到的问题，是发展MEMS需要解决的关键技术之一。随着生物芯片技术的进步，更是迫切要求实现微量流体自动、精确的驱动和控制。因此微流体驱动与控制技术的发展严重影响微流体器件的进一步微型化和性能的改进。目前微流体驱动与控制技术的研究已逐渐成为研究的热点。现有的微流体驱动与控制技术主要有：1)压力驱动和控制，它可看作是宏观流动控制技术的一种移植；依靠入口、出口和管道内的相对压差来驱动流体运输；2)电驱动，它是通过在储液池的两端放置外电极，通过在电极上施加电压以在溶液中形成驱动电场来实现微管道内液体的运输。它是目前最常用和最有效的驱动方式。但也存在一定的局限性，它对管壁材料和被驱动流体的物理化学性质比较敏感，因此只可适用于一定范围的流体和管壁材料；3)电水力驱动与控制，它需要在流体中或流-固界面诱导产生自由电荷，并通过电场与自由电荷的相互作用产生的驱动力来驱动微流体。但它一般只适用于导电率极低的液体；4)表面张力驱动微流体流动，它是利用在流-固表面产生某种特定的表面张力梯度，来驱使流体在特定的方向上运输；5)离心力驱动和控制，通过采用光刻和膜塑成型的方法在塑料圆盘上制作微管道网络，流体被贮存在靠近圆盘中心的供液池中，当圆盘被马达带动旋转时，流体就会在离心力的作用下沿着微管道网络向远离圆心的方向运动。这种方式的微流体运输速度可通过调节马达的转速来控制。为了更能简易地实现微管道内微流体的运输，本技术提出了一种新型利用激振-吸振形成法产生超声行波并在微器件的管道内产生声辐射压以克服液体间的粘滞力与惯性力，从而达到驱动微流体沿着行波方向运输的目的。
技术实现思路
为了实现驱动和控制微管道内微流体的运输问题，本技术设计了一种激振-吸振行波引导微流体运输的装置。该装置致力于一种新原理的微流体驱动与控制技术，并利用激振-吸振法产生具有驱动源的超声行波，同时利用产生的超声行波来实现微流体的运输与控制。该专利技术装置核心部分在于超声行波驱动微器件(100)的制作，它是利用激振-吸振的原理在超声行波驱动微器件(100)上产生单向直线式超声行波，当第一硅片(6)上的微管道内的超声行波的波速大于媒介中的声速时，就会在媒介中形成斜向的声辐射压力，这样微管道内 的液体就会在这种声辐射压和管壁的粘附力的作用下克服液体间的粘滞力与惯性力，从而实现微流体的驱动与控制。为达到以上目的，本技术采用以下技术方案：其中本技术的关键部件是超声行波驱动微器件(100)的制作，它可通过以下技术方案及流程实现。1)由于Si3N4材料具有优良的机械及光电性能、热和化学稳定性，硬度高、耐磨损等特点而得到重视。因此本装置也采用Si3N4作为需要的薄膜材料，并采用低压化学汽相沉积法对第二硅片(5)进行低应力Si3N4薄膜(4)的生长。2)在Si3N4薄膜(4)上进行光刻胶PR(11)的旋涂。通过旋转涂胶台将光刻胶PR(11)均匀涂于Si3N4薄膜(4)，从而使得光刻胶PR(11)与Si3N4薄膜(4)能够很好地结合，而获得精准的几何图案。3)曝光与显影：通过曝光技术对前烘后的光刻胶PR(11)进行曝光处理。然后把曝光后的第二硅片(5)放在NaOH显影液里，这样显影液就会将应去除的光刻胶PR(11)除干净，以获得所需的图形。显影后可将样品匀速放入到去离子水中定影1min。4)在光刻胶PR(11)及Si3N4薄膜(4)表面反应溅射一层Cr金属(10)作为保护层，后续再通过金属剥离技术，使无需刻蚀的第二硅片(5)能够得到Cr金属(10)的保护。将溅射完的第二硅片(5)浸泡于丙酮溶液中，这样光刻胶PR(11)上的Cr金属(10)会随光刻胶PR(11)在丙酮溶液中溶解而从第二硅片(5)上剥离出来，从而掩膜图形即呈现出来。5)选用反应离子刻蚀(RIE)法除去未被Cr金属(10)保护的Si3N4薄膜(4)。6)利用ICP刻蚀法对无需的第二硅片(5)层进行刻蚀处理，以形成具有两凸台的第三硅片(5a)。同样，利用ICP刻蚀法对第一硅片(6)进行刻蚀，以获取所需的直线式微管道结构的第一硅片(6)。然后再通过高温处理法将第一硅片(6)与第三硅片(5a)进行键合处理。7)采用H3PO4溶液将Cr金属(10)去除，之后进行清洁并干燥处理，从而达到对保护层Cr金属(10)的去除。8)利用静电技术将第三硅片(5a)与Glass片(3)键合在一起。通过在第三硅片(5a)上接正极，Glass片(3)上接负极，并对Glass片(3)与第三硅片(5a)进行加热处理，从而使其两者之间产生较大的静电吸引力，以使两者紧密接触牢牢紧固在一起。9)将PZT-4薄片(1)和PZT-4薄片(2)分别粘结于Glass片(3)的中央。值得注意的是：这两片PZT-4薄片应在理论参数上具有完全的一致性，即选用相同参数的PZT-4薄片。这样就完成了整个超声行波驱动微器件(100)的制作。作为本技术的优化方案，利用超声波信号发生器(9)输出正弦信号予与之相连的PZT-4薄片(1)使其产生高频往复振动，这种振动能量可通过Glass片(3)耦合到Si3N4薄 膜(4)上，驱动Si3N4薄膜(4)使其产生更大幅度的振动；同时调节电阻(7)与电感(8)吸收来自PZT-4薄片(1)端的弯曲行波，从而带动整个超声行波驱动微器件(100)产生高幅度高频地往复振动，并在微管道内激励出单向直线式超声行波并形成斜向的声辐射压力，这样微管道内的液体在就会这种声辐射压和管壁的粘附力的作用下克服液体间的粘滞力与惯性力，从而实现微流体的驱动与控制。作为本技术的优化方案，本装置是采用高频振动方式产生驱动微流体的驱动源，因此整个超声行波驱动微器件(100)装置的振幅越大，则产生的行波驱动力越大。因此在设计超声行波驱动微器件(100)时，需要对超声行波驱动微器件(100)及Si3N4薄膜(4)结构的振动特性进行分析，以求设计最合理的模型尺寸和工作频率，从而获得一个最佳尺寸、最佳性能的结构(谐振振幅最大，行波驱动力最大)。作为本技术的优化方案，选择合适匹配的电阻(7)与电感(8)。通过合适的电阻(7)与电感(8)来予以吸收自PZT-4薄片(1)端传递来的行波能量，从而防止行波出现反射而形成驻波，阻碍微管道内微流体的运输，这样超声行波就可源源不断地朝着PZT-4薄片(2)端传播，从而产生单向直线式超声行波。同样，通过调节阻抗匹配(即电阻(7)与电感(8)的阻值大小)可控制微流体流速的快慢，当弯曲行波的能量被全部吸收时，微流体的流速达到最大。本技术的优点在于：把激振-吸振的行波形成原理应用到微流体驱动领域，利用超声行波在微流体管道内产生的斜向声辐射力的水平分力来驱动微管道内的微流体作单向直线式运输。它与现有技术相比，超声行波驱动会在微管道内形成层流现象，在越接近管壁位置流体的流速越快，与压力驱动的流速分布恰好相反。这种特性可应用在微流体散热方面。它可很好的解决微流体的散热问题，提高其热扩散效率。该专利技术装置本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激振‑吸振行波引导微流体运输的装置，包括超声行波驱动微器件(100)，超声波信号发生器(9)，电阻(7)和电感(8)；其特征在于所述的超声行波驱动微器件(100)是通过在第二硅片(5)上沉积一层Si3N4薄膜(4)；然后通过微加工工艺把第二硅片(5)刻蚀为第三硅片(5a)并同时完成第三硅片(5a)与第一硅片(6)的键合，其中第一硅片(6)上刻有所需的直线式微管道结构；随后在Si3N4薄膜(4)上键合Glass片(3)，然后在Glass片(3)上分别粘结PZT‑4薄片(1)和PZT‑4薄片(2)；最后PZT‑4薄片(1)与超声波信号发生器(9)连接，以产生高频往复振动并激励出弯曲行波；PZT‑4薄片(2)与电阻(7)和电感(8)连接，以吸收由PZT‑4薄片(1)端传递来的弯曲行波能量。
【技术特征摘要】
1.一种激振-吸振行波引导微流体运输的装置，包括超声行波驱动微器件(100)，超声波信号发生器(9)，电阻(7)和电感(8)；其特征在于所述的超声行波驱动微器件(100)是通过在第二硅片(5)上沉积一层Si3N4薄膜(4)；然后通过微加工工艺把第二硅片(5)刻蚀为第三硅片(5a)并同时完成第三硅片(5a)与第一硅片(6)的键合，其中第一硅片(6)上...
【专利技术属性】
技术研发人员：江海，吕庆庆，顾守东，路崧，刘建芳，王吉举，王全伟，吴亚东，王迪，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林;22
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