基于声表面波技术的微流体混合及仿真

　　微流控芯片(又称微全分析系统或芯片实验室)，现在已经广泛用于化学合成、生物化学分析、药物筛选、DNA测序等领域[1]。这些应用需要快速、有效的混合微流体，然而由于大多数微流控芯片的雷诺系数很低，流体在微流控芯片中主要是层流流动，不同物质的混合主要靠分子扩散，过程很缓慢，难以满足需要快速混合的要求[2]。因此大多数快速混合借助外力，比如，流体动力，介电泳力，电场力、声场力等[3]。其中，声能作用下的微流体混合因其器件制作简单，操作容易，反应快速而引起人们的关注[4-5]。

　　声表面波(SAW Surface Acoustic Wave)技术是20世纪60年代发展起来的一门新兴技术，是声学和电子学相结合的产物。声表面波器件由于其自身的优势，在微流体混合方面有了很好的应用。Sritharan[6]介绍利用平行声表面波在微米级别的微流沟道中进行混合，Shilton[7]报道了利用聚焦声表面波在微液滴中提高混合的效率。但是目前国内对于声表面波的仿真还很少见，而理论研究对于微流控芯片的研究又有很重要的意义。本文通过COMSOL模拟聚焦叉指换能器和平行叉指换能器的声辐射的理论分布，并通过对比来说明聚焦叉指换能器的聚焦能力。设计制作了聚焦声表面波器件并进行了验证。

　　1 实验

　　1.1 基本原理

　　叉指换能器是声表面波器件的关键。图1所示为叉指换能器的结构示意图。叉指换能器包括两个叉指形状的金属图案(右上)和位于其下的压电材料基底。两个叉指电极分别作为输入换能器和输出换能器。其中电极宽度为p且等于两电极之间的距离(如图所示)。叉指换能器是根据逆压电效应，将输入的电信号转化为声波，声波沿着垂直于电极的方向传播。产生声波的波长等于电极宽度的四倍即等于4p。产生的声波频率等于施加的电场信号的频率。当声波到达输出换能器时根据压电效应将到达的声信号转化为电信号[8]。

　　当输入换能器产生的声表面波进入液滴时，会驱动液滴流动。其工作原理如图2所示。当声波临近液滴时，产生漏声表面波，并以一定的角度 θR进入液滴，根据瑞利定律:

　　其中，Vl和VS分别是声波在液滴和基底里的传播速度。漏声表面波按角度θR辐射能量，产生一个声辐射压力，这个力促使液滴沿着声表面波传播的方向运动[9-11]。

　　1.2 数值模拟声表面波传播

　　使用压电本构方程来描述声表面波的产生[12-13]:

　　其中，T应力，C为弹性劲度常数，E为电场强度，e表示压电常数矩阵，D为电位移，S表示应变，ε为介电常数矩阵，上标T表示矩阵的转置。