專利名稱：一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流控芯片中的數(shù)字微流體破裂技術(shù)，尤其是涉及一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置及方法。
背景技術(shù)：
微流技術(shù)可以將一系列諸如抽樣、樣品預(yù)處理、分離、反應(yīng)、檢測和數(shù)據(jù)分析集成于一微流基片上，極大地降低了微流分析的成本、縮短了微流分析的時間，因而獲得了快速發(fā)展。相應(yīng)地，以微流技術(shù)為基礎(chǔ)的微流分析系統(tǒng)也逐漸得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在疾病診斷、醫(yī)療衛(wèi)生等需要昂貴分析試劑、昂貴分析儀器及對分析時間和分析精度要求相對較高的場合得到了應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)的分析系統(tǒng)，微流分析系統(tǒng)具有較多的優(yōu)點，如較短的反應(yīng)時間、較低的分析成本、靈活多樣的器件結(jié)構(gòu)、極少的微流體積和相對較小的系統(tǒng)尺寸等，因而微流分析系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于DNA測序、蛋白質(zhì)分析、單細胞分析、毒品檢測和食物安全等領(lǐng)域。根據(jù)微流分析系統(tǒng)中的微流體工作形式來分，它有兩種類型，包括連續(xù)流形式和數(shù)字流形式。一般來說，工作于數(shù)字流形式的微流分析系統(tǒng)具有試劑體積更少、分析時間更短和分析精度更高等優(yōu)勢， 因而工作于數(shù)字流形式的微流分析系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于微流輸運、混合、融合、分離和分析等微流操作和微流分析。在工作于數(shù)字流形式的微流分析系統(tǒng)中，為減少試劑或樣品用量，往往需要對微流基片上的數(shù)字微流體進行破裂，以減少數(shù)字微流體的體積，降低微流分析的成本。在工作于數(shù)字流形式的微流分析系統(tǒng)中，一種常用的破裂數(shù)字微流體的方法是采用“T型結(jié)”結(jié)構(gòu)的微通道，待分析的數(shù)字微流體浮載于與之不相溶的載流體中，載流體在外部壓力驅(qū)動下流動，并帶動載流體中的數(shù)字微流體輸運，當(dāng)載流體中的數(shù)字微流體經(jīng)過“T型結(jié)”時，數(shù)字微流體由于受到“T型結(jié)”和載流體共同作用而發(fā)生形變，當(dāng)形變引起的剪切力大于數(shù)字微流體的表面張力時，數(shù)字微流體發(fā)生破裂。該方法的優(yōu)點是數(shù)字微流體破裂的體積可以根據(jù)載流體的流動速度和“T型結(jié)”的結(jié)構(gòu)尺寸進行靈活調(diào)節(jié)，但是該方法需要額外的、用于攜帶數(shù)字微流體輸運的載流體，并且需要外加諸如壓力泵等壓力驅(qū)動源，這不僅增加了成本，而且壓力泵難以集成于微流基片上，增加了微流分析系統(tǒng)的尺寸。在工作于數(shù)字流形式的微流分析系統(tǒng)中，另一種常見的破裂數(shù)字微流體的方法是在微流通道中設(shè)置孤立的PDMS微障礙物，PDMS微障礙物固定于微流通道中，當(dāng)外加壓力驅(qū)動時，數(shù)字微流體隨載流體在微流通道內(nèi)輸運，遇到固定于微流通道內(nèi)的PDMS微障礙物時，數(shù)字微流體產(chǎn)生形變而引起剪切力，在載流體的攜帶作用下發(fā)生破裂。該方法的優(yōu)點是相對于“T型結(jié)”來說，其結(jié)構(gòu)較為簡單，且數(shù)字微流體破裂的體積可以根據(jù)孤立的PDMS微障礙物與微流通道間的距離進行調(diào)節(jié)，但是該方法需要外加壓力驅(qū)動源，不便于集成于微流基片上。上述兩種常見的在微流通道內(nèi)實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的方法除了其上述提及的不足之處外，還往往難以應(yīng)用于開放式數(shù)字微流系統(tǒng)。開放式數(shù)字微流系統(tǒng)是將待操作的數(shù)字微流體直接置放于微流基片的表面上，在諸如聲、電等外力作用下在微流基片的表面兩維平面內(nèi)運動，實現(xiàn)數(shù)字微流系統(tǒng)的微流分析。開放式數(shù)字微流系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，且無需載流體攜帶。常見的開放式數(shù)字微流系統(tǒng)是基于介電電潤濕的開放式數(shù)字微流系統(tǒng)，其利用電場改變微流基片表面的電潤濕程度來實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂，但是該系統(tǒng)需要在微流基片的表面上光刻出電極陣列，并對電極陣列中各電極進行通、斷電控制，操作較為復(fù)雜?；诼暠砻娌ǖ拈_放式數(shù)字微流系統(tǒng)可克服上述基于介電電潤濕的開放式數(shù)字微流系統(tǒng)所存在的一些不足之處。數(shù)字微流體在聲輻射力作用下沿壓電基片表面實現(xiàn)兩維平面內(nèi)操作?，F(xiàn)有的基于聲表面波數(shù)字微流體破裂的方法是采用較大電信號電壓加到聚焦叉指換能器上，聚焦叉指換能器激發(fā)較高強度的聲表面波使得待破裂的數(shù)字微流體發(fā)生飛逸實現(xiàn)數(shù)字微流體的破裂。這種方法由于要使數(shù)字微流體飛逸，需要在聚焦叉指換能器上加載較高的電信號功率，以激發(fā)較高強度的聲表面波，因此常采用壓電陶瓷作為基片，而這樣使得這種方法難以得到推廣應(yīng)用。如期刊《微電子機械系統(tǒng)》2008年第17卷第I 期 147-156 頁(Journal of microelectromechanical systems, Vol.17 (I), 2008:147-156)公開的《基于微液滴油包封微反應(yīng)器》(《Droplet-Based Microreactions WithOil Encapsulation》)， 它是在玻璃基片的表面上放置油相數(shù)字微流體，待反應(yīng)的反應(yīng)液數(shù)字微流體置放于PZT壓電基片上，經(jīng)功率放大器放大后的RF電信號加載到設(shè)置于PZT壓電基片上的聚焦叉指換能器上激發(fā)強聲表面波，使得聲傳播路徑上的反應(yīng)液數(shù)字微流體破裂并飛逸到位于PZT壓電基片上方的玻璃基片的油相數(shù)字微流體上，形成油包封反應(yīng)液數(shù)字微流體，以減少反應(yīng)液蒸發(fā)，并在油相微流體中完成化學(xué)反應(yīng)。這種破裂數(shù)字微流體的方法需要較高的電信號功率，因而常采用壓電陶瓷作為基片，然而在壓電微流系統(tǒng)中，一般采用機電耦合系數(shù)較大、成本較低的鈮酸鋰基片，若用如此高功率的電信號激發(fā)聲表面波極易使鈮酸鋰基片發(fā)生碎裂；同時，聚焦叉指換能器設(shè)計較為復(fù)雜，因而這種聲表面波破裂數(shù)字微流體的方法難以得到推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置及方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于集成，且該裝置及方法只需較低的電信號功率就能實現(xiàn)數(shù)字微流體的破裂。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置，其特征在于包括壓電基片和用于產(chǎn)生RF電信號的信號發(fā)生裝置，所述的壓電基片的上表面為工作表面，所述的壓電基片的工作表面上設(shè)置有與所述的信號發(fā)生裝置連接且用于激發(fā)聲表面波的叉指換能器、用于放置待破裂的數(shù)字微流體的第一疏水層、用于衰減所述的叉指換能器激發(fā)的聲表面波的強度的吸聲涂層及用于接收破裂后的數(shù)字微流體的第二疏水層，所述的第一疏水層、所述的吸聲涂層和所述的第二疏水層依次位于所述的叉指換能器激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上，所述的信號發(fā)生裝置加載到所述的叉指換能器上的RF電信號的功率瞬間降低大于或等于15 dBm時放置于所述的第一疏水層上的數(shù)字微流體發(fā)生破裂，破裂后的數(shù)字微流體飛逸出并落于所述的第二疏水層上。所述的信號發(fā)生裝置由用于產(chǎn)生RF電信號的可調(diào)信號發(fā)生器及與所述的可調(diào)信號發(fā)生器連接的功率放大器組成，所述的功率放大器與所述的叉指換能器連接。
放置于所述的第一疏水層上的數(shù)字微流體破裂前，所述的可調(diào)信號發(fā)生器通過所述的功率放大器后加載到所述的叉指換能器上的RF電信號的功率為12dBm 18 dBm，在持續(xù)0.5s 2s后使所述的可調(diào)信號發(fā)生器通過所述的功率放大器后加載到所述的叉指換能器上的RF電信號的功率瞬間降至-3dBm 3dBm，放置于所述的第一疏水層上的數(shù)字微流體破裂飛逸出。所述的壓電基片的下表面上連接有PCB板，所述的PCB板上設(shè)置有多個引線腳，所述的叉指換能器包括兩個匯流條，所述的匯流條通過導(dǎo)線與所述的引線腳相連接，所述的引線腳通過導(dǎo)線與所述的功率放大器相連接。所述的壓電基片的工作表面上還設(shè)置有用于減少加載于所述的叉指換能器上的RF電信號的功率的反射柵。所述的吸聲涂層的厚度為ΙΟΟμπι 1mm。所述的吸聲涂層的寬度與所述的叉指換能器的孔徑一致。所述的吸聲涂層為聚酰亞胺吸聲橡膠層或PDMS涂覆層。所述的第二疏水層上設(shè)置有用于阻擋破裂出的數(shù)字微流體飛逸出后落于所述的壓電基片上的擋板， 所述的擋板朝向所述的叉指換能器的一側(cè)面上設(shè)置有疏水薄層，所述的擋板的高度為大于或等于3cm ;所述的擋板通過由PDMS材料制成的固定塊固定于所述的
第二疏水層上。一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的方法，其特征在于包括以下步驟:
①連接信號發(fā)生裝置的可調(diào)信號發(fā)生器與功率放大器，連接功率放大器與叉指換能
器；
②將待破裂的數(shù)字微流體放置于第一疏水層上，并使待破裂的數(shù)字微流體位于叉指換能器激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上；
③啟動信號發(fā)生裝置的可調(diào)信號發(fā)生器和功率放大器，可調(diào)信號發(fā)生器輸出RF電信號，并傳輸RF電信號給功率放大器，同時控制功率放大器輸出的放大的RF電信號的功率為12 dBm 18 dBm ；
④信號發(fā)生裝置的功率放大器輸出的放大的RF電信號傳輸給叉指換能器，叉指換能器接入RF電信號后激發(fā)聲表面波，叉指換能器激發(fā)的聲表面波作用于放置于第一疏水層上的待破裂的數(shù)字微流體上，此時待破裂的數(shù)字微流體內(nèi)產(chǎn)生聲流形成聲流力，使得待破裂的數(shù)字微流體存在斜向上運動的趨勢；
⑤在待破裂的數(shù)字微流體保持斜向上運動的趨勢0.5s 2s后，調(diào)節(jié)信號發(fā)生裝置的可調(diào)信號發(fā)生器輸出的RF電信號，使功率放大器輸出的放大的RF電信號的功率瞬間降至-3dBm 3dBm，此時待破裂的數(shù)字微流體因慣性克服其表面張力作用而破裂，破裂后的數(shù)字微流體飛逸出并落于第二疏水層上；
⑥關(guān)閉信號發(fā)生裝置的可調(diào)信號發(fā)生器和功率放大器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
I)本發(fā)明裝置通過設(shè)置壓電基片和信號發(fā)生裝置，并在壓電基片上設(shè)置與信號發(fā)生裝置連接且用于激發(fā)聲表面波的叉指換能器、用于放置待破裂的數(shù)字微流體的第一疏水層、用于衰減叉指換能器激發(fā)的聲表面波的強度的吸聲涂層及用于接收破裂后的數(shù)字微流體的第二疏水層，同時使第一疏水層、吸聲涂層和第二疏水層依次位于叉指換能器激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上，這樣叉指換能器激發(fā)的聲表面波直接作用于置放在第一疏水層上的數(shù)字微流體上，此時在數(shù)字微流體內(nèi)產(chǎn)生聲流形成聲流力，使得數(shù)字微流體存在一種按一定角度向上運動的趨勢，但又不能在第一疏水層上運動，這種狀態(tài)持續(xù)一段時間后控制信號發(fā)生裝置加載到叉指換能器上的RF電信號的功率下降15 dBm以上，此時放置于第一疏水層上的數(shù)字微流體破裂飛逸出，并最終落于第二疏水層上，本裝置通過控制信號發(fā)生裝置加載到叉指換能器上的RF電信號的功率實現(xiàn)了數(shù)字微流體的破裂，由于無需對叉指換能器進行加權(quán)設(shè)計，即采用等指長均勻間隔的叉指換能器，因而叉指換能器設(shè)計和制作簡單；同時，只需較低的RF電信號功率即可實現(xiàn)數(shù)字微流體的破裂；另一方面，本裝置無需外加壓力驅(qū)動源，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于集成，可用于壓電微流芯片進行微流前處理操作。2)本發(fā)明方法工藝簡單，且只需較低的RF電信號功率即可實現(xiàn)數(shù)字微流體的破
裂 ο


圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2為圖1中A部分的放大示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。本發(fā)明提出的一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置，如圖所示，其包括壓電基片I和用于產(chǎn)生RF電信號的信號發(fā)生裝置2，壓電基片I的上表面為工作表面，壓電基片
I的工作表面上設(shè)置有與信號發(fā)生裝置2連接且用于激發(fā)聲表面波的叉指換能器3、用于放置待破裂的數(shù)字微流體8的第一疏水層4、用于衰減叉指換能器3激發(fā)的聲表面波的強度的吸聲涂層5、用于接收破裂后的數(shù)字微流體的第二疏水層6及用于減少信號發(fā)生裝置2加載于叉指換能器3上的RF電信號的功率的反射柵7,第一疏水層4、吸聲涂層5和第二疏水層6依次位于叉指換能器3激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上，反射柵7位于叉指換能器3激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑的反方向上，即反射柵7和第一疏水層4分別位于叉指換能器3的兩側(cè)，信號發(fā)生裝置2加載到叉指換能器3上的RF電信號的功率瞬間降低大于或等于15 dBm時放置于第一疏水層4上的數(shù)字微流體8發(fā)生破裂，破裂后的數(shù)字微流體飛逸出并落于第二疏水層6上。在此，叉指換能器3和反射柵7均是采用現(xiàn)有的微電子工藝光刻在壓電基片I的工作表面上的，反射柵7用來反射叉指換能器3激發(fā)的聲表面波以減小RF電信號的功率。在本實施例中，信號發(fā)生裝置2由用于產(chǎn)生RF電信號的可調(diào)信號發(fā)生器21及與可調(diào)信號發(fā)生器21連接的功率放大器22組成，功率放大器22與叉指換能器3連接，可調(diào)信號發(fā)生器21輸出RF電信號，該RF電信號經(jīng)功率放大器22放大后加載到叉指換能器3上，叉指換能器3在RF電信號的作用下激發(fā)聲表面波；放置于第一疏水層4上的數(shù)字微流體8破裂前，控制可調(diào)信號發(fā)生器21通過功率放大器22后加載到叉指換能器3上的RF電信號的功率為12dBm 18 dBm,在持續(xù)0.5s 2s后控制可調(diào)信號發(fā)生器21通過功率放大器22后加載到叉指換能器3上的RF電信號的功率瞬間降至_3dBm 3dBm，此時放置于第一疏水層4上的數(shù)字微流體8破裂飛逸出，并最終落于第二疏水層6上。在此，可調(diào)信號發(fā)生器21可采用現(xiàn)有的輸出電壓調(diào)節(jié)精度為0.1V的信號發(fā)生器；功率放大器22采用市售產(chǎn)品；在實際操作過程中，開啟可調(diào)信號發(fā)生器21和功率放大器22后可控制可調(diào)信號發(fā)生器21通過功率放大器22后加載到叉指換能器3上的RF電信號的功率如為15 dBm,叉指換能器3激發(fā)的聲表面波以輻射角輻射入放置于第一疏水層4上的待破裂的數(shù)字微流體8，在待破裂的數(shù)字微流體8內(nèi)產(chǎn)生聲流形成聲流力，使得待破裂的數(shù)字微流體8存在一種按一定角度向上運動的趨勢，但又不能在第一疏水層4上運動，這種狀態(tài)持續(xù)0.5s后控制可調(diào)信號發(fā)生器21通過功率放大器22后加載到叉指換能器3上的RF電信號的功率下降15 dBm以上，如下降至-ldBm，此時放置于第一疏水層4上的數(shù)字微流體8破裂飛逸出，并最終落于第二疏水層6上。在本實施例中，壓電基片I的下表面上連接有PCB板9，PCB板9上設(shè)置有兩個引線腳91，叉指換能器3包括兩個匯流條31，一個匯流條通過導(dǎo)線經(jīng)壓焊或?qū)щ娿y膠與一個引線腳相連接，另一個匯流條通過導(dǎo)線經(jīng)壓焊或?qū)щ娿y膠與另一個引線腳相連接，兩個引線腳91通過導(dǎo)線與功率放大器22相連接。在此，PCB板9也可由其它現(xiàn)有的可以固定導(dǎo)線的基板替代。
在本實施例中，第二疏水層6上設(shè)置有用于阻擋破裂出的數(shù)字微流體飛逸出后落于壓電基片I上的擋板61，擋板61朝向叉指換能器3的一側(cè)面上設(shè)置有疏水薄層(圖中未示出)，該擋板61可采用現(xiàn)有的薄玻璃片，且在薄玻璃片的工作面即朝向叉指換能器3的一側(cè)面上涂覆Teflon AF 1600疏水薄層,該擋板61的高度可設(shè)計為大于或等于3cm,在加工時可在該擋板61的底部涂上一層PDMS材料，然后將該擋板61粘接于第二疏水層上，或者也可以通過一個由PDMS材料制成的固定塊62固定于第二疏水層6上。在此，該擋板61設(shè)置于第二疏水層6遠離吸聲涂層5的一側(cè)上，擋板61的寬度可設(shè)計成與叉指換能器3的孔徑相同。在設(shè)計第二疏水層6時,如果第二疏水層6的長度大于6cm,則在第二疏水層6上不設(shè)置擋板61，破裂后的數(shù)字微流體也不會飛離出第二疏水層6。在此，疏水薄層為在擋板61的一側(cè)面上涂覆一層Teflon AF 1600疏水材料，再經(jīng)160度恒溫箱烘干I小時左右形成。在本實施例中，吸聲涂層5為在叉指換能器3激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上涂覆一層PDMS (聚二甲基硅氧烷)材料，再經(jīng)24小時自然固化后形成的，并要求形成的PDMS涂覆層的厚度為100 μ m 1_，如實際操作時可使PDMS涂覆層的厚度為100 μ m，如果吸聲涂層5采用PDMS涂覆層，則第一疏水層4和第二疏水層6可以一體設(shè)置，直接在疏水層上涂覆PDMS材料形成即可。吸聲涂層5也可以采用厚度為100 μ m Imm的聚酰亞胺吸聲橡膠層，如果采用聚酰亞胺吸聲橡膠層，則一般只能將該聚酰亞胺吸聲橡膠層設(shè)置于壓電基片I上。在此，吸聲涂層5的寬度與叉指換能器3的孔徑一致，即吸聲涂層5相對第一疏水層4和第二疏水層6的方向的寬度與叉指換能器3的孔徑一致，這樣剛好使得叉指換能器3激發(fā)的聲表面波全部經(jīng)過吸聲涂層，強度被吸聲涂層5衰減掉，當(dāng)然在實際設(shè)計過程中，吸聲涂層5的寬度可以設(shè)計得比叉指換能器3的孔徑大；吸聲涂層5的長度為4_ 6_，即叉指換能器3激發(fā)的聲表面波經(jīng)過吸聲涂層5的距離為4_ 6_，在實際設(shè)計過程中可設(shè)計為5mm，一般不建議設(shè)計得太窄，這樣聲表面波的強度衰減效果不理想，也不建議設(shè)計得太寬，這樣不僅會浪費材料，而且可能會使得破裂后的數(shù)字微流體飛逸出后落于該吸聲涂層5上。
在此，吸聲涂層5的設(shè)置是為了防止落于第二疏水層6上的破裂后的數(shù)字微流體在第二疏水層6上繼續(xù)破裂，采用吸聲涂層5等吸聲材料衰減聲表面波的強度，吸聲涂層5不影響第一疏水層4上的原始數(shù)字微流體8的破裂，但會大幅降低加到位于第二疏水層6上的破裂后的數(shù)字微流體上的聲表面波的強度，從而避免了破裂后的數(shù)字微流體進一步破裂
在本實施例中，第一疏水層4和第二疏水層6均為在叉指換能器3激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上涂覆一層Teflon AF 1600疏水材料，再經(jīng)160度恒溫箱烘干I小時左右形成，由于如果第一疏水層4和第二疏水層6太 厚，則衰減聲表面波太大，所需RF信號功率增加，如果第一疏水層4和第二疏水層6太薄，則壓電基片I的工作表面疏水性不夠好，導(dǎo)致置放于第一疏水層4和第二疏水層6上的數(shù)字微流體不成液滴狀，無法保證在聲表面波作用下破裂出小體積的數(shù)字微流體，因此，進行了大量的實驗，實驗結(jié)果說明當(dāng)該第一疏水層4和第二疏水層6的厚度控制在I 3 m范圍內(nèi)時均能取得很好的效果。在本實施例中，壓電基片I可采用機電耦合系數(shù)稍大的壓電基片，基本可取機電耦合系數(shù)大于5.5%的壓電基片，如128°-YX LiNbO3壓電基片。在具體設(shè)計該裝置的過程中，可在壓電基片I上設(shè)置多個叉指換能器形成叉指換能器陣列，每個叉指換能器均與信號發(fā)生裝置2連接，這樣就可根據(jù)需要對破裂后的數(shù)字微流體通過叉指換能器陣列輸運到第一疏水層4上再進行破裂獲得更小體積的數(shù)字微流體，也可以通過叉指換能器陣列對破裂后的小體積的數(shù)字微流體進行輸運。利用上述的裝置實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的方法，其具體包括以下步驟:
①連接信號發(fā)生裝置2的可調(diào)信號發(fā)生器21與功率放大器22，連接功率放大器22與叉指換能器3。②將待破裂的數(shù)字微流體8放置于第一疏水層4上，并使待破裂的數(shù)字微流體8位于叉指換能器3激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上。③啟動信號發(fā)生裝置2的可調(diào)信號發(fā)生器21和功率放大器22，可調(diào)信號發(fā)生器21輸出RF電信號，并傳輸RF電信號給功率放大器22，同時控制功率放大器22輸出的放大的RF電信號的功率為12dBm 18 dBm，如具體操作時可控制為15 dBm。實際上，具體加載到叉指換能器3上的RF電信號的功率可根據(jù)待破裂的數(shù)字微流體8的體積大小確定，一般情況下如果待破裂的數(shù)字微流體8的體積較大，如為10微升 20微升時，則可以將加載到叉指換能器3上的RF電信號的功率控制在18dBm左右，如果待破裂的數(shù)字微流體8的體積較小，如為I微升 10微升時，則可以將加載到叉指換能器3上的RF電信號的功率控制在12dBm左右。④信號發(fā)生裝置2的功率放大器22輸出的放大的RF電信號傳輸給叉指換能器3,叉指換能器3接入RF電信號后激發(fā)聲表面波，叉指換能器3激發(fā)的聲表面波作用于放置于第一疏水層4上的待破裂的數(shù)字微流體8上，此時待破裂的數(shù)字微流體8內(nèi)產(chǎn)生聲流形成聲流力，使得待破裂的數(shù)字微流體8存在斜向上運動的趨勢。⑤在待破裂的數(shù)字微流體8保持斜向上運動的趨勢0.5s 2s后(如在Is后)，調(diào)節(jié)信號發(fā)生裝置2的可調(diào)信號發(fā)生器21輸出的RF電信號，使功率放大器22輸出的放大的RF電信號的功率瞬間降至_3dBm 3dBm，具體操作時如降至_1 dBm,此時待破裂的數(shù)字微流體8因慣性克服其表面張力作用而破裂，破裂后的數(shù)字微流體飛逸出并落于第二疏水層6上。實際上，保持待破裂的數(shù)字微流體8斜向上運動的趨勢的時間在0.5秒以上都可以，為了應(yīng)用方便和時間節(jié)省，一般情況下，選用I秒；而瞬間降低RF電信號的功率的范圍需在15 dBm以上，即如果原來加載到叉指換能器3上的RF電信號的功率為12 dBm,則需瞬間降至-3dBm以下即可，如降至_5dBm，如果原來加載到叉指換能器3上的RF電信號的功率為18 dBm,則需瞬間降至3dBm以下,如降至ldBm。⑥關(guān)閉信號發(fā)生裝置2的可調(diào)信號發(fā)生器21和功率放大器22。在具體操作過程中，加載到叉指換能器3的RF電信號的功率不能太小，否則待破裂的數(shù)字微流體8產(chǎn)生的聲流力不夠強，慣性不足以克服數(shù)字微流體的表面張力，不能實現(xiàn)數(shù)字微流體的破裂；加載到叉指換能器3的RF電信號的功率不能過大，否則叉指換能器3激發(fā)的聲表面波將驅(qū)動待破裂的數(shù)字微流體8在第一疏水層4上滑移，即使瞬間降低RF電信號強度，也不能實現(xiàn)數(shù)字微流體的破裂。當(dāng)加載到叉指換能器3上的RF電信號持續(xù)
0.5秒以上，瞬間使RF電信號降低足夠量的強度時可實現(xiàn)數(shù)字微流體的破裂。經(jīng)過實驗表明，加載到叉指換能器3上的RF電信號的功率在12dBm 18dBm范圍瞬間降低RF電信號的功率幅度范圍為15dBm以上， 即可實現(xiàn)數(shù)字微流體的破裂。
權(quán)利要求
1.一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置，其特征在于包括壓電基片和用于產(chǎn)生RF電信號的信號發(fā)生裝置，所述的壓電基片的上表面為工作表面，所述的壓電基片的工作表面上設(shè)置有與所述的信號發(fā)生裝置連接且用于激發(fā)聲表面波的叉指換能器、用于放置待破裂的數(shù)字微流體的第一疏水層、用于衰減所述的叉指換能器激發(fā)的聲表面波的強度的吸聲涂層及用于接收破裂后的數(shù)字微流體的第二疏水層，所述的第一疏水層、所述的吸聲涂層和所述的第二疏水層依次位于所述的叉指換能器激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上，所述的信號發(fā)生裝置加載到所述的叉指換能器上的RF電信號的功率瞬間降低大于或等于15dBm時放置于所述的第一疏水層上的數(shù)字微流體發(fā)生破裂，破裂后的數(shù)字微流體飛逸出并落于所述的第二疏水層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置，其特征在于所述的信號發(fā)生裝置由用于產(chǎn)生RF電信號的可調(diào)信號發(fā)生器及與所述的可調(diào)信號發(fā)生器連接的功率放大器組成，所述的功率放大器與所述的叉指換能器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置，其特征在于放置于所述的第一疏水層上的數(shù)字微流體破裂前，所述的可調(diào)信號發(fā)生器通過所述的功率放大器后加載到所述的叉指換能器上的RF電信號的功率為12dBm 18 dBm，在持續(xù)0.5s 2s后使所述的可調(diào)信號發(fā)生器通過所述的功率放大器后加載到所述的叉指換能器上的RF電信號的功率瞬間降至_3dBm 3dBm，放置于所述的第一疏水層上的數(shù)字微流體破裂飛逸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置，其特征在于所述的壓電基片的下表面上連接有PCB板，所述的PCB板上設(shè)置有多個弓I線腳，所述的叉指換能器包括兩個匯流條，所述的匯流條通過導(dǎo)線與所述的引線腳相連接，所述的引線腳通過導(dǎo)線與所述的功率放大器相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置，其特征在于所述的壓電基片的工作表面上還設(shè)置有用于減少加載于所述的叉指換能器上的RF電信號的功率的反射柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置，其特征在于所述的吸聲涂層的厚度為100 μ m 1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置，其特征在于所述的吸聲涂層的寬度與所述的叉指換能器的孔徑一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置，其特征在于所述的吸聲涂層為聚酰亞胺吸聲橡膠層或PDMS涂覆層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置，其特征在于所述的第二疏水層上設(shè)置有用于阻擋破裂出的數(shù)字微流體飛逸出后落于所述的壓電基片上的擋板，所述的擋板朝向所述的叉指換能器的一側(cè)面上設(shè)置有疏水薄層，所述的擋板的高度為大于或等于3cm ;所述的擋板通過由PDMS材料制成的固定塊固定于所述的第二疏水層上。
10.一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的方法，其特征在于包括以下步驟: ①連接信號發(fā)生裝置的可調(diào)信號發(fā)生器與功率放大器，連接功率放大器與叉指換能器；②將待破裂的數(shù)字微流體放置于第一疏水層上，并使待破裂的數(shù)字微流體位于叉指換能器激發(fā)的聲表面波的聲傳輸路徑上； ③啟動信號發(fā)生裝置的可調(diào)信號發(fā)生器和功率放大器，可調(diào)信號發(fā)生器輸出RF電信號，并傳輸RF電信號給功率放大器，同時控制功率放大器輸出的放大的RF電信號的功率為12 dBm 18 dBm ； ④信號發(fā)生裝置的功率放大器輸出的放大的RF電信號傳輸給叉指換能器，叉指換能器接入RF電信號后激發(fā)聲表面波，叉指換能器激發(fā)的聲表面波作用于放置于第一疏水層上的待破裂的數(shù)字微流體上，此時待破裂的數(shù)字微流體內(nèi)產(chǎn)生聲流形成聲流力，使得待破裂的數(shù)字微流體存在斜向上運動的趨勢； ⑤在待破裂的數(shù)字微流體保持斜向上運動的趨勢0.5s 2s后，調(diào)節(jié)信號發(fā)生裝置的可調(diào)信號發(fā)生器輸出的RF電信號，使功率放大器輸出的放大的RF電信號的功率瞬間降至-3dBm 3dBm，此時待破裂的數(shù)字微流體因慣性克服其表面張力作用而破裂，破裂后的數(shù)字微流體飛逸出并 落于第二疏水層上； ⑥關(guān)閉信號發(fā)生裝置的 可調(diào)信號發(fā)生器和功率放大器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲表面波實現(xiàn)數(shù)字微流體破裂的裝置及方法，該裝置包括壓電基片和信號發(fā)生裝置，壓電基片上設(shè)置有用于激發(fā)聲表面波的叉指換能器、用于放置待破裂的數(shù)字微流體的第一疏水層、用于衰減叉指換能器激發(fā)的聲表面波的強度的吸聲涂層及用于接收破裂后的數(shù)字微流體的第二疏水層，第一疏水層、吸聲涂層和第二疏水層依次位于聲表面波的聲傳輸路徑上，信號發(fā)生裝置加載到叉指換能器上的RF電信號的功率瞬間降低大于或等于15dBm時數(shù)字微流體發(fā)生破裂，破裂后的數(shù)字微流體飛逸出并落于第二疏水層上，優(yōu)點是該裝置采用了不加權(quán)的叉指換能器，因此只需較低的RF電信號功率即可實現(xiàn)數(shù)字微流體的破裂；此外，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于集成。
文檔編號B01L3/00GK103223358SQ20131010806
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者章安良, 査燕, 付相庭, 尉一卿, 韓慶江 申請人:寧波大學(xué)