氮化铝声表面波器件表面微液滴的声表面波操控研究

材料表面性质、驱动源对流体的驱动方式以及流体受控时的耦合性质等[2]。在微流体芯片中，声学操控是实现芯片级微流体操控的重要技术之一，特别是声表面波驱动的微泵器与微混合器应用展现出巨大的优势，具有非破坏、成本低、可控性强和频率可调等特点。基于声表面波操控技术的微流体芯片系统在细胞或生物微粒的分选、分离、俘获和收集中，可准确调节细胞所在的液相环境参数，并能在单细胞水平下分析细胞间的亚细胞生物信息[3-4]，同时辅以其它分析表征技术可有效揭示细胞的生物学信息变化和演化规律，从而成为研究细胞的蛋白质组学和基因分析的一种新的微分析技术，被应用于各种新型多功能微流体器件集成系统中[5-6]。因此，声表面波驱动的微流体控制应用研究在受操控细胞的生化分析和新型微流体芯片实验室器件领域中具有诱人的前景。

由于声表面波激发方式灵活多样以及生物液体流体性质易变，采用声表面波驱动控制微流体研究潜力目前仍需进一步挖掘，特别是声表面波与微流体相互作用研究，可选择不同模式、不同压电基底的声表面波作为驱动源控制流体或液体中的离子。除了单向传播瑞利声表面波外，还可以利用西沙瓦谐波、驻波型声表面波、正交型声学镊子和声子晶体辅助控制声表面波等方法实现声波与流体耦合作用[5-8]。如何实现在新型压电器件表面用声表面波有效驱动操控微流体仍然是一个非常重要的问题。虽然压电单晶（如铌酸锂、钽酸锂）是比较常用的声波驱动微流体器件的基底材料，但其易碎裂、可集成性较低等特点限制了进一步微型化、集成化的发展[9-10]，而氮化铝薄膜基底具有优良的微加工工艺兼容性，可以较好地克服以上不足，并可灵活设计匹配的微电子集成电路用于检测特殊生化样品。氮化铝声表面波器件上激发的声表面波耦合作用于器件表面上的微量液滴，能够产生各种新奇的微流体力学现象，其中的机理也非常值得深入分析阐释。

文中通过在氮化铝薄膜声表面波器件表面滴放不同体积微液滴，在微尺度下借助高速相机和红外相机观察声表面波与雷诺数较小的流体液滴耦合作用特点，进一步讨论加载信号功率对声表面波操控微液滴的影响及其可能的耦合机理;观察并探讨微液滴操控过程中的声波加热效应及其变化特征。

1 微流体力学测试系统装置及实验条件

实验测试系统装置组成如图1所示，通过射频信号发生器（ Marconi 2024）产生氮化铝薄膜声表面波器件共振频率对应的正弦波信号，信号强弱可通过幅值调节，然后通过50欧同轴线输送到功率放大器（Amplifier research 75A250）进行信号强度放大，放大后的信后用50欧同轴线输出加载到铝质载片夹具上，夹具通过同轴线安装连接硅基氮化铝薄膜声表面波器件，其中氮化铝声表面波器件是使用文献[11]中加工得到的器件。经放大器放大后的信号功率用交流功率计测得。为了方便观测微液滴在疏水性表面的力学行为，在器件表面旋涂一层厚度20纳米左右的CYTOP氟涂层。去离子水液滴通过微移液器滴在叉指换能器产生的声表面波通道上，液滴体积通过微移液器控制。当用不同功率大小的信号加载到器件上时，在液滴侧视角度用高速相机（ Photron XLR Express）拍摄记录微液滴流体运动形态变化。在正对俯视角度，用红外熱像仪（ Flir T400）拍摄记录液滴与声表面波耦合的热现象。

2 实验结果与分析

图2给出射频信号源产生一系列不同幅值、载频为80. 35 MHz的正弦波信号经放大后的信号功率。拟合数据显示，初始信号幅值x与经系统放大后的信号功率y呈现出指数关系如下

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