一種微流控高頻聲聚焦芯片及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種微流控高頻聲聚焦芯片及其制備方法。其產品由聲波換能器、帶有波導和聚焦功能的微結構的硅片、PDMS有機高聚物所構成。其中，硅片上的波導結構為45?鏡面結構的硅凹槽，聚焦結構為硅晶片內半圓柱?垂直反射壁形狀的凹槽。在45?硅鏡面凹槽上沉積了金薄膜作為聲波阻抗匹配層減。帶有孔洞的PDMS有機高聚物覆蓋在硅片上，其兩個孔洞與硅片微溝道內進、出樣處的位置相對應，且有機高聚物與硅片緊密封裝使得芯片不漏液。聲波換能器為氧化鋅薄膜組分并耦合在硅片底部。換能器正反面用鉑層作為電極。本發明專利技術將高頻體聲波集成到微流體芯片內，可對細胞、微顆粒等生物活體樣品進行快速捕獲并保證樣品活性。

【技術實現步驟摘要】
一種微流控高頻聲聚焦芯片及其制備方法
本專利技術屬于微全分析系統領域。特別涉及一種微流控高頻聲聚焦芯片及其制備方法。
技術介紹
微流控芯片是通過微機電加工工藝（MEMS）在特定基底上加工微溝道，使其可通入皮升至納升的流體，從而對流體以及流體內的生物樣品進行研究的微芯片。微流控芯片技術可將整個實驗室的功能包括樣片預處理、反應、分離、檢測等集成在一塊芯片上，具有高集成度，低試劑消耗，靈敏度高，分析效率高等特點，具有極為廣泛的適用性和應用前景。微流控芯片可作為高度交叉的學科平臺，集成聲、光、電、磁等技術手段在小型化的器件上。超聲波對小范圍內的流體以及流體內的小顆粒能進行有效的免接觸式的操控。通過控制輸入功率的大小，聲波能無損地控制活性生物體在微溝道中定向移動。因此，聲波集成的微流控操作平臺成為在微流系統中研究的新熱點。目前，在聲微流操控芯片的研究中，主要是基于駐波共振的低頻的體波操控和聲表面波操控（<20MHz）。這些方法通過在溝道中產生有波節和波腹的聲場，從而用聲學力將樣品聚集到相應的節點實現操控。然而，這些聲學器件的共振驅動頻率難以很高，其關聯的限制有溝道最小尺寸，樣品的通量和密度等。另一方面，高頻的聲波驅動頻率則有著更高的操控精度和更小的控制范圍。頻率越高，波長越小，從而特別適合對單個細胞大小的樣品進行捕獲、篩選、定向排列等操作。目前，現有的高頻聲波微流驅動技術主要基于聲表面波引起的聲流現象來操控液滴和顆粒（386MHz）。但就產業化而言，相比于體波技術，聲表面波微流芯片難以與常用的半導體材料（硅，玻璃等）集成，并且在樣本通量上容易達到瓶頸。專利技術內容本專利技術所要解決的技術問題是提供一種工作在高頻區間（500MHz~800MHz），響應快，功率低的微流控高頻聲聚焦芯片及其制備方法。實現本專利技術采用的技術方案是：一種微流控高頻聲聚焦芯片結構，由聲波換能器、帶有波導和聚焦功能微結構的硅片，帶孔洞的PDMS(polydimethylsiloxane)有機高聚物組成；所述的聲波換能器用于聲波信號的產生，由氧化鋅薄膜組成并與硅片下表面耦合，硅片下表面沉積鉑金屬薄膜作為氧化鋅換能器上表面的上電極，氧化鋅薄膜的下表面再次沉積鉑金屬薄膜作為氧化鋅薄膜的下電極；所述的帶有波導和聚焦功能微結構的硅片，波導結構由45?硅鏡面和硅鏡面上的金薄膜組成，聚焦功能微結構由半圓柱-垂直反射壁凹槽和凹槽兩端的用于進出樣的微溝道組成；所述的PDMS有機高聚物封裝在硅片表面上，PDMS有機高聚物上有兩個孔口作為樣品的進出樣口，并分別連通于硅片上的微溝道的端口。本專利技術的上述裝置，可用于的體聲波共振頻率為高頻（500MHz~800MHz），波導面為45?硅鏡面；聲阻匹配層為單層金薄膜。聚焦結構為半圓柱-垂直反射壁凹槽。氧化鋅薄膜耦合在硅片底部，其上下電極分別為鉑電極薄膜。本專利技術的微流控高頻聲聚焦芯片的制備方法，由下述步驟所構成：1）利用濕法刻蝕方法在硅片上形成45?硅鏡面；2）利用磁控濺射方法在45?硅鏡面上沉積金薄膜；3）利用深度反應離子刻蝕（DRIE）法在硅片上部制備聚焦功能的半圓柱-垂直反射壁凹槽和微溝道；4）在硅片下表面用熱蒸鍍法沉積鉑薄膜作為聲波換能器的上電極；5）用磁控濺射方法在硅片下表面的鉑薄膜上沉積氧化鋅薄膜形成聲波換能器；6）用熱蒸鍍法沉積鉑薄膜在氧化鋅薄膜下表面作為換能器的下電極；7）在有機高分子聚合物PDMS上打孔形成樣品的進出樣孔位，并將其鍵合到有微結構的硅片上表面，同時孔口的位置對應硅片上微溝道的兩端。本專利技術超聲波換能器的聲源來自耦合在硅片底部的氧化鋅壓電薄膜，其工作頻率由其薄膜的厚度與形狀決定。通過調節輸入信號的強度和頻率，可以產生高頻超聲波能量傳輸至芯片內。本專利技術波導結構來自硅片上加工出的45?硅鏡面及其上的金薄膜，使豎直方向傳播的聲波被反射成平行于硅片表面方向的聲波。金薄膜作為聲阻抗匹配層減少聲波反射過程能量損失。本專利技術聚焦結構來自硅片上加工出的半圓柱-垂直反射壁凹槽。在換能器產生的聲波被波導結構反射成平行于硅片表面方向的聲波后，當該聲波傳播到聚焦結構時，聲波能量會被匯聚到硅片的垂直反射壁上，從而在微溝道的液體內產生強聲流現象，進而操控液體內的微顆粒。本專利技術采用的方法與現有方法相比，具有如下的優點：此器件首次將高頻體波（500MHz~800MHz）集成到微流控芯片內，并實現了低輸入功率下（-10dBm）對微顆粒的混合與分離。該芯片成功實現了將豎直傳播的聲波波導并聚焦，使得局部流體區域內的樣品被有效操控。利用本專利技術能夠很容易地實現對細胞等生物活體樣品的混合、捕獲等操縱。據此，本專利技術可廣泛應用于生命科學、藥物科學和醫學等領域。附圖說明圖1是本專利技術的側面結構圖。圖2是本專利技術芯片內聲波波導、聚焦和聲流產生的示意圖。圖3是本專利技術整體結構示意圖。圖4是本專利技術的應用效果圖。圖中：1—下電極，2—氧化鋅壓電薄膜，3—上電極，4—硅片，5—45?硅面，6—金薄膜，7—PDMS有機高聚物，8—聚焦微溝道，9—PDMS孔口，10—微溝道的兩端，11—豎直方向的聲波，12—水平方向的聲波，13—聲流線。具體實施方式下面結合附圖所示實施例對本專利技術的具體實施方式作進一步的介紹。一、制備本專利技術的產品的過程如下：1、采用深濕法刻蝕法在硅片4內制備45?硅面。2、采用反應離子刻蝕（DRIE）法在硅片4制備聚焦微溝道8以及溝道的兩端10。3、采用磁控濺射法在45?硅面5上沉積單層金薄膜。4、采用熱蒸鍍法在硅片4下表面上沉積鉑薄膜3。5、采用磁控濺射法在鉑薄膜3上制備氧化鋅壓電薄膜2。6、采用熱蒸鍍法在氧化鋅壓電薄膜2上制備鉑薄膜1。7、在PDMS有機高聚物7上用打孔器打出孔口9，然后將PDMS7與硅片4上表面用等離子體鍵合法鍵合并密封，同時將孔口9與微溝道的兩端10對齊，即得到高頻聚焦超聲體波集成的微流控驅動芯片。二、本專利技術產品與效果圖：圖2是本專利技術的平面示意圖，圖3是本專利技術的立體示意圖。由圖2從壓電薄膜產生的豎直方向的聲波11進由45?硅面5反射后，變為水平方向的聲波12，通過聚焦微溝道8聚焦后產生聲流線13。從而可操控流體和微顆粒。圖4是本專利技術的應用效果圖。圖（a），未加聲場時微顆粒靜止在溝道里的液體中；圖（b），聲場開啟時，微顆粒隨著聲流線的軌跡快速運動。顆粒為9μm的聚苯乙烯微球并懸浮在溝道的去離子水中。換能器的輸入功率為5dBm，換能器的激勵聲波頻率為650MHz。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種微流控高頻聲聚焦芯片結構，其特征在于，由聲波換能器、帶有波導和聚焦功能微結構的硅片，帶孔洞的PDMS有機高聚物組成；所述的聲波換能器用于聲波信號的產生，由氧化鋅薄膜組成并與硅片下表面耦合，硅片下表面沉積鉑金屬薄膜作為氧化鋅換能器上表面的上電極，氧化鋅薄膜的下表面再次沉積鉑金屬薄膜作為氧化鋅薄膜的下電極；所述的帶有波導和聚焦功能微結構的硅片，波導結構由45°硅鏡面和硅鏡面上的金薄膜組成，聚焦功能微結構由半圓柱?垂直反射壁凹槽和凹槽兩端的用于進出樣的微溝道組成；所述的PDMS有機高聚物封裝在硅片表面上，PDMS有機高聚物上有兩個孔口作為樣品的進出樣口，并分別連通于硅片上的微溝道的端口。

【技術特征摘要】
1.一種微流控高頻聲聚焦芯片結構，其特征在于，由聲波換能器、帶有波導和聚焦功能微結構的硅片，帶孔洞的PDMS有機高聚物組成；所述的聲波換能器用于聲波信號的產生，由氧化鋅薄膜組成并與硅片下表面耦合，硅片下表面沉積鉑金屬薄膜作為氧化鋅換能器上表面的上電極，氧化鋅薄膜的下表面再次沉積鉑金屬薄膜作為氧化鋅薄膜的下電極；所述的帶有波導和聚焦功能微結構的硅片，波導結構由45°硅鏡面和硅鏡面上的金薄膜組成，聚焦功能微結構由半圓柱-垂直反射壁凹槽和凹槽兩端的用于進出樣的微溝道組成；所述的PDMS有機高聚物封裝在硅片表面上，PDMS有機高聚物上有兩個孔口作為樣品的進出樣口，并分別連通于硅片上的微溝道的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：國世上，李思晢，
申請(專利權)人：武漢大學，
類型：發明
國別省市：湖北,42