[发明专利]一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片和应用

权利要求书

1.一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片，其特征在于，所述芯片包括压电基底、叉指换能器和微流腔，叉指换能器附着在压电基底上，微流腔键合或粘接于压电基底上；所述微流腔内部通道截面为矩形，所述叉指换能器包括两个相对的叉指换能器，叉指换能器制备在微流腔通道两侧，叉指换能器产生的表面驻波沿压电基底传播进入微流腔内的流体；

所述微流腔的腔体尺寸由目标分离纯度确定：先计算最小分离距离Δy，Δy≥2×(a₁+a₂)×tan(πd/2)，a₁、a₂为需要分离的两种粒子半径，d为目标分离纯度，根据最小分离距离Δy计算微流腔腔体内截面的宽度W和腔体内截面高度H，W≥2Δy，H≥5(a₁+a₂)；

芯片工作频率和液流参数由两种粒子的尺寸确定：先计算叉指换能器的驱动频率f和声表面驻波波长λ_s，λ_s＝c_s/f，c_s为基底中的声表面驻波传播速度，f＝20MHz；

根据所需分离粒子通量P和微流腔中目标粒子浓度n确定微流腔内流体流速v_f，v_f＝P/(n×S)，其中S为微流腔腔体内截面积，S＝W×H；

所述芯片还包括驱动电路，驱动电路驱动叉指换能器工作产生超声表面驻波，实现粒子分离所需的腔体内驻波声压幅值p₀＝ζV₀，ζ为电声转换系数，V₀为外围电路驱动电压。

2.根据权利要求1所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片，其特征在于，所述微流腔包括入口区域、预聚焦区域、超声表面驻波作用区域和出口区域，所述入口区域为三个，中间的第二入口为粒子入口，两侧的第一入口和第三入口为鞘流入口；所述出口区域包括两个出口，预聚焦区域聚焦流体和微粒子，超声表面驻波作用区域在叉指换能器作用下进行微粒子分离，根据叉指换能器的倾斜角度和相位变化速率分为两种类型的微流控芯片优化叉指换能器。

3.根据权利要求2所述的一种用于微粒子分离的超声表面驻波微流控芯片，其特征在于，所述芯片分为TaSSAW或PM-SSAW型，叉指换能器的相位变化速率为零时芯片为TaSSAW型，叉指换能器的倾斜角度为零时芯片为PM-SSAW型，根据芯片类型不同选择不同的公式优化叉指换能器参数；

所述微流控芯片为TaSSAW型芯片时，叉指换能器的最小口径L_IDT＝Δycosθ/(b₁²-b₂²)^1/2，θ为超声表面驻波的波阵面与液流方向角度，b₁＝sinθ，b₂＝k_yp₀²Ψ₁/(6ηρ₀c₀²)，其中k_y＝2π/λ_s为声表面驻波波数，Ψ₁、Ψ₂为微粒子参数，Ψ_i＝Φ_ia_i²，其中Φ_i为微粒子i的声学对比因子，Φ_i＝f_1i/3+Re(f_2i)(2c₀²-c_s²)/2c_s²；f_1i为微粒子i的声学单极子散射系数，f_2i为微粒子i的声学偶极子散射系数，f_1i＝(κ_pi-κ₀)/κ_pi，f_2i＝2(ρ_pi-ρ₀)/(2ρ_pi+ρ₀)，c₀为流体中声速，ρ_pi为粒子的密度，ρ₀为流体的密度，κ_pi为粒子的可压缩率，κ₀为流体的可压缩率，η为流体的动力粘滞系数，a_i为需要分离的粒子半径；

所述微流控芯片为PM-SSAW型芯片时，叉指换能器的最小口径L_IDT＝Δycosθ/(b₁²-b₂²)^1/2，cosθ＝1，b₁＝s/(2k_yv_f)，b₂＝k_yp₀²Ψ₁/(6ηρ₀c₀²)，k_y＝2π/λ_s为声表面驻波波数，Ψ₁、Ψ₂为微粒子参数，Ψ_i＝Φ_ia_i²，其中Φ_i为微粒子i的声学对比因子，Φ_i＝f_1i/3+Re(f_2i)(2c₀²-c_s²)/2c_s²；f_1i为微粒子i的声学单极子散射系数，f_2i为微粒子i的声学偶极子散射系数，f_1i＝(κ_pi-κ₀)/κ_pi，f_2i＝2(ρ_pi-ρ₀)/(2ρ_pi+ρ₀)，c₀为流体中声速，ρ_pi为粒子的密度，ρ₀为流体的密度，κ_pi为粒子的可压缩率，κ₀为流体的可压缩率，η为流体的动力粘滞系数，a_i为需要分离的粒子半径。