基于声子晶体的微流控结构、微流控器件及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种基于声子晶体的微流控结构、微流控器件及其制作方法，其中，所述基于声子晶体的微流控结构至少包括：声子晶体；所述声子晶体至少包括：固体基板，以及设于所述固体基板上的声学波散射结构和声学波控制区域；所述声学波控制区域适于通过设置所述声学波散射结构的形态和分布，来控制所述声学波在所述固体基板表面的传输和分布，以使所述微流体在所述声学波控制区域受到所述声学波的操控。本发明专利技术通过在微流控结构中引入声子晶体，能够有效控制声学波的传输和分布；采用该微流控结构的微流控器件，大大提高了声学波的控制效率，同时增加了声学波控制方式的多样性，能够形成独特的声场结构，实现了对微流体进行移动、离心、分离、检测等操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微机电系统、微声学和微流控
，特别是涉及一种基于声子晶 体的微流控结构、微流控器件及其制作方法。
技术介绍
微流控技术是把生物、化学、医学分析过程中的样品制备、分离、反应、检测等基本 操作集成到单一的微米尺度芯片上，自动完成分析过程的检测技术。因为具有实时分析，对 样品量需求较少，以及易于大规模制造的特点，微流控技术在生物、化学、医学等领域有着 巨大的应用潜力。 微流控技术在20世纪90年代由瑞士的Manz和Widmer提出。到目前为止，已经 发展出了包括电泳、压力、离心力等多种用于微流控技术的微流体（主要是微液滴）驱动方 法。这些方法各自具有一定的优缺点。例如，对于电泳驱动方式来讲，其需要利用微液滴中 离子的分布来对微液滴进行驱动，所以该驱动方式对于离子含量具有强烈的依赖性。对于 压力驱动方式来讲，其需要一个外置的微泵在微通道内形成较大的压力差以驱动微液滴， 设备的整体体积较大，无法进行集成。而对于离心力驱动方式，则需要微流控芯片的高速旋 转，并且其所能实现的操控方式非常有限。 在最近的几十年间，声表波器件成功的被应用到很多领域，包括射频通信、化学以 及生物监测、和光学调制。最近的几年中，声表波器件又引起了微流控研究人员的注意。声 表波驱动微流体的原理是基于器件基板和液体之间声学不匹配所导致的声学能量传播。与 其他驱动方式相比，声表波驱动方式有着相对较大的驱动力、操作迅速以及电极网络简单 等特点。另外，平面光刻加工工艺也使声表波器件的制造具有低成本，大批量的特点。微米 级的声表波集成器件将会是对于微流体集成小型化的一个绝佳选择。 声表面波微流控芯片工作的声场形态，由叉指换能器的几何参数及排布位置决 定。当叉指换能器制备完成后，其声场形态被固定，这就限制了声表面波微流控芯片的微操 控能力。另外，声学波传输过程中常伴有声学波畸变，尤其是在流固耦合等复杂环境中应用 的声学器件。由于声学波畸变改变了实际声场形态，因此固液之间声学能量的稱合也会降 低声学器件性能，并阻碍声学器件可以实现的微流体操作方式。比如，对于声表面波微流控 的微液滴雾化操纵，由于耦合过程中声表面波无法控制，声表面波驱动频率和微液滴雾化 频率并不相同，两者存在数量级上的差别，而这种现象在理论上还未能解释。此外，对于生 物和医学等复杂应用环境，声学波在传输过程中的损耗和声学波从芯片表面耦合到被操控 物的声场形态都无法预测，这也降低了声表面波微流控芯片的工作效率。因此，亟需一种能 够改善上述问题的声表面波微流控结构。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于声子晶体的微流 控结构、微流控器件及其制作方法，用于解决现有声表波微流体驱动技术中声学场无法进 行控制、声学波畸变、能量耦合及利用效率低等问题。 为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于声子晶体的微流控结构， 用于通过声学波对微流体进行操控，其中，所述基于声子晶体的微流控结构至少包括：声子 晶体；所述声子晶体至少包括：固体基板，以及设于所述固体基板上的声学波散射结构和 声学波控制区域；所述声学波控制区域适于通过设置所述声学波散射结构的形态和分布， 来控制所述声学波在所述固体基板表面的传输和分布，以使所述微流体在所述声学波控制 区域受到所述声学波的操控。 优选地，所述声学波控制区域具有在所述固体基板上形成的使所述声学波散射结 构改变形态或者缺失分布的缺陷结构，所述缺陷结构包括点缺陷、线缺陷、面缺陷中的一种 或几种。 优选地，所述声学波散射结构按照晶格结构分布在所述固体基板上。 优选地，所述声子晶体为四角晶格硅-空气声子晶体，所述固体基板为硅基板，所 述声学波散射结构为空气柱，所述空气柱按照四角晶格结构分布在所述硅基板上。 优选地，所述声子晶体为蜂巢晶格硅-空气声子晶体，所述固体基板为硅基板，所 述声学波散射结构为空气柱，所述空气柱按照六角晶格结构分布在所述硅基板上。 本专利技术还提供一种微流控器件，其中，所述微流控器件至少包括：基底，位于所述 基座上方的如上所述的基于声子晶体的微流控结构，以及设于所述固体基板上的用以向所 述固体基板表面提供声学波的声学波激励装置；所述基底具有凹槽，所述固体基板与所述 凹槽形成空腔，且所述固体基板至少在位于所述空腔上方处分布有所述声学波散射结构。 优选地，所述声学波控制区域至少包括：沿平行于所述声学波传输方向形成的具 有线缺陷结构的微流道。 优选地，所述声学波控制区域还包括：设于所述微流道入口端的具有锥形结构的 声学聚焦通道。 优选地，所述声学波控制区域还包括：沿垂直于所述声学波传输方向形成的具有 面缺陷结构的离心通道，所述离心通道与所述微流道的出口端连通。 优选地，所述声学波控制区域还包括：沿垂直于所述声学波传输方向形成的具有 线缺陷结构的声学波叠加通道，以及沿平行于所述声学波传输方向形成的具有线缺陷结构 的N个分流道，其中，N为自然数；所述微流道的出口端与所述声学波叠加通道连通，所述声 学波叠加通道与N个分流道的入口端连通，所述声学波叠加通道适于通过对所述声学波叠 加另一声学波，形成驻波，以操控所述微流体进行大小分离；其中，所述声学波的频率在所 述声子晶体禁带内，所述另一声学波的频率在所述声子晶体禁带外，且低于所述声学波的 频率。 优选地，所述声学波控制区域至少包括：沿垂直于所述声学波传输方向形成的具 有线缺陷结构的谐振腔。 优选地，所述微流控器件还包括：声学波转换装置，所述声学波激励装置和所述声 学波检测装置分别位于所述基于声子晶体的微流控结构的两侧，所述声学波检测装置适于 将通过所述谐振腔的声学信号转换为电学信号，以检测所述谐振腔的状态，从而检测在所 述谐振腔中的微流体。 优选地，所述声学波激励装置和所述声学波转换装置均为压电式叉指换能器，所 述压电式叉指换能器至少包括：压电元件，设于所述压电元件上的叉指电极结构。 本专利技术还提供一种微流控器件的制作方法，其中，所述微流控器件的制作方法至 少包括如下步骤： 提供一基底，所述基底具有凹槽； 形成绝缘层，覆盖所述基底以及所述凹槽的侧壁和底部； 在所述基底和所述绝缘层上键合固体基板，所述固体基板与所述凹槽之间形成空 腔； 形成压电薄膜层，覆盖所述固体基板，图形化所述压电薄膜层形成声学波激励装 置的压电元件； 形成金属层，覆盖所述固体基板和所述压电元件，图形化所述金属层形成声学波 激励装置的叉指电极结构； 形成牺牲层，覆盖所述固体基板和所述叉指电极结构，图形化所述牺牲层，在所述 牺牲层上形成开口，定义出声学波散射结构的位置，其中，至少在位于所述空腔上方处定义 有所述声学波散射结构的位置； 以图形化后的牺牲层为掩膜，刻蚀所述固体基板，形成至少包括声学波散射结构 和声学波控制区域的声子晶体以及基于声子晶体的微流控结构。 优选地，所述固体基板为硅基板，在所述基底和所述绝缘层上键合固体基板后，所 述固体基板与所述凹槽之间形成空腔，通过减薄工艺减薄所述固体基板，形成空腔-绝缘 体上硅。 优选地，所述微流控器件的制作方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于声子晶体的微流控结构，用于通过声学波对微流体进行操控，其特征在于，所述基于声子晶体的微流控结构至少包括：声子晶体；所述声子晶体至少包括：固体基板，以及设于所述固体基板上的声学波散射结构和声学波控制区域；所述声学波控制区域适于通过设置所述声学波散射结构的形态和分布，来控制所述声学波在所述固体基板表面的传输和分布，以使所述微流体在所述声学波控制区域受到所述声学波的操控。

【技术特征摘要】
1. 一种基于声子晶体的微流控结构，用于通过声学波对微流体进行操控，其特征在于， 所述基于声子晶体的微流控结构至少包括：声子晶体；所述声子晶体至少包括：固体基板， 以及设于所述固体基板上的声学波散射结构和声学波控制区域；所述声学波控制区域适于 通过设置所述声学波散射结构的形态和分布，来控制所述声学波在所述固体基板表面的传 输和分布，以使所述微流体在所述声学波控制区域受到所述声学波的操控。2. 根据权利要求1所述的基于声子晶体的微流控结构，其特征在于，所述声学波控制 区域具有在所述固体基板上形成的使所述声学波散射结构改变形态或者缺失分布的缺陷 结构，所述缺陷结构包括点缺陷、线缺陷、面缺陷中的一种或几种。3. 根据权利要求1所述的基于声子晶体的微流控结构，其特征在于，所述声学波散射 结构按照晶格分布在所述固体基板上。4. 根据权利要求3所述的基于声子晶体的微流控结构，其特征在于，所述声子晶体为 四角晶格硅-空气声子晶体，所述固体基板为硅基板，所述声学波散射结构为空气柱，所述 空气柱按照四角晶格结构分布在所述硅基板上。5. 根据权利要求3所述的基于声子晶体的微流控结构，其特征在于，所述声子晶体为 蜂巢晶格硅-空气声子晶体，所述固体基板为硅基板，所述声学波散射结构为空气柱，所述 空气柱按照六角晶格结构分布在所述娃基板上。6. -种微流控器件，其特征在于，所述微流控器件至少包括：基底，位于所述基座上方 的如权利要求1-5任一项所述的基于声子晶体的微流控结构，以及设于所述固体基板上的 用以向所述固体基板表面提供声学波的声学波激励装置；所述基底具有凹槽，所述固体基 板与所述凹槽形成空腔，且所述固体基板至少在位于所述空腔上方处分布有所述声学波散 射结构。7. 根据权利要求6所述的微流控器件，其特征在于，所述声学波控制区域至少包括：沿 平行于所述声学波传输方向形成的具有线缺陷结构的微流道。8. 根据权利要求7所述的微流控器件，其特征在于，所述声学波控制区域还包括：设于 所述微流道入口端的具有锥形缺陷结构的声学聚焦通道。9. 根据权利要求7所述的微流控器件，其特征在于，所述声学波控制区域还包括：沿垂 直于所述声学波传输方向形成的具有面缺陷结构的离心通道，所述离心通道与所述微流道 的出口端连通。10. 根据权利要求7所述的微流控器件，其特征在于，所述声学波控制区域还包括：沿 垂直于所述声学波传输方向形成的具有线缺陷结构的声学波叠加通道，以及沿平行于所述 声学波传输方向形成的具有线缺陷结构的N个分流道，其中，N为自然数；所述微流道的出 口端与所述声学波叠加通道连通，所述声学波叠加通道与N个分流道的入口端连通，所述 声学波叠...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊斌，冯端，徐德辉，马颖蕾，陆仲明，王跃林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31