[發明專利]一種用于微粒子分離的超聲表面駐波微流控芯片設計方法

有效

• 申請號: 202010549544.9
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111659479B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 郭霞生;劉子星;章東
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00
• 代理公司: 江蘇瑞途律師事務所 32346
• 代理人: 金龍

1.一種用于微粒子分離的超聲表面駐波微流控芯片設計方法，其特征在于，所述芯片設計包括如下步驟：

步驟一、確定微粒子的分離參數和芯片的結構組成；根據需分離的微粒子半徑a_i，i為微粒子代號，i＝1、 2，以及目標分離純度d確定微粒子的最小分離距離Δy；根據最小分離距離Δy和半徑a_i確定微流腔內截面的寬度W和高度H，微流腔通道截面積S＝W*H；最小分離距離的計算公式為Δy≥2×(a₁+a₂)×tan(πd/2)，微流腔內截面寬度計算公式為W≥2Δy，微流腔內截面高度計算公式為H≥5(a₁+a₂)；

步驟二、確定芯片工作頻率和液流參數；根據微粒子半徑確定叉指換能器的驅動頻率f以及超聲表面駐波波長λ_s，λ_s＝c_s/f，c_s為芯片基底中超聲表面駐波的傳播速度；選擇承載微粒子的流體并計算流體的粘滯層厚度δ，δ＝(η/πρ₀f)^1/2，η為流體的動力粘滯系數，ρ₀為流體密度；據微粒子分離通量P、通道截面積S和目標粒子的體積濃度n確定微通道中的液流速度v_f，步驟二中液流速度計算公式為v_f＝P/(n×S)；

步驟三、確定叉指換能器及微流腔的設計參數；通過微流控芯片的電聲轉換系數ζ和典型驅動電壓幅度V₀確定微流腔內駐波聲壓幅值p₀；計算微粒子參數Ψ_i，叉指換能器輸入信號的相位差時變速率s以及叉指換能器指條方向與微流控通道的夾角θ，確定超聲表面駐波作用區的長度L、叉指換能器的最小口徑L_IDT、叉指換能器與液流通道最短距離d_IC和叉指換能器之間最小距離d_II；微粒子參數Ψ_i＝Φ_ia_i²，其中Φ_i為微粒子i的聲學對比因子，Φ_i＝f_1i/3+Re(f_2i)(2c₀²-c_s²)/2c_s²；f_1i為微粒子i的聲學單極子散射系數，f_2i為微粒子i的聲學偶極子散射系數，f_1i＝(κ_pi-κ₀)/κ_pi，f_2i＝2(ρ_pi-ρ₀)/(2ρ_pi+ρ₀)，c₀為流體中聲速，ρ_pi為粒子的密度，ρ₀為流體的密度，κ_pi為粒子的可壓縮率，κ₀為流體的可壓縮率，步驟三中微流腔內駐波聲壓幅值p_0＝ζV₀；

叉指換能器輸入信號的相位差時變速率s以及叉指換能器指條方向與微流控通道的夾角θ的優化有兩種方式，根據芯片制備工藝選擇一種方式進行優化：

方式一：使s＝0，θ≠0，將θ確定為

定義b₁＝sinθ，b₂＝k_yp₀²Ψ₁/(6ηρ₀c₀²)；其中k_y＝2π/λ_s為聲表面駐波波數；經此優化的芯片記為TaSSAW型；

方式二：使θ＝0，s≠0，將s確定為

定義b₁＝s/(2k_yv_f)，b₂＝k_yp₀²Ψ₁/(6ηρ₀c₀²)；k_y＝2π/λ_s為聲表面駐波波數，經此優化的芯片記為PM-SSAW型；

叉指換能器的最小口徑計算公式為L_IDT＝Δycosθ/(b₁²-b₂²)^1/2；

步驟四、確定芯片工作參數；根據叉指換能器向流體中輻射聲波的電聲轉換系數ζ_j， j為叉指換能器代號，j＝I、 II， 以及 微流腔內駐波聲壓幅值p₀確定叉指換能器的輸入電壓峰值V_p,j，設置叉指換能器的輸入電壓Vj；

叉指換能器的輸入電壓峰值V_p,j＝p₀/ζ_j，叉指換能器I和叉指換能器II的輸入電壓分別設置為和其中t為時間，為任意相位值。