自聚焦超声玻璃微流控器件的发泡法制备及应用基础研究

In the design of on-chip integration of Microfluidics with the function of ultrasound, reflection at the interfaces between the ultrasound source and the fluid leading to a significant vibration energy loss at the interface at high frequency, which can not meet the demand of high frequency manipulation application. The goal of this research is to provide a novel chemical foaming process to prepare self-focusing ultrasonic glass microfluidic device with a precisely controlled 3-D structures. The 3-D glass microfluidic devices, having a metal line pattern on the curved surface for Lorentz force driving, have interconnected spherical and cylindrical structures, which exhibit excellent ultrasonic frequency resonance and self focusing characteristics when they were used as resonators. The design overcomes the disadvantages of the existing designs by the functional integration between the micro channels and the ultrasonic wave transducer, which make it possible for the direct contacting of the channels and the fluid. The research mainly focuses on the following three aspects: (1) Find methodology for precisely controlling the dimensions of interconnected spherical glass bubbles and channels by the chemical foaming process; (2) Characterize the resonant performance of glass microfluidic channels; (3) Explore the application of the self-focusing ultrasonic glass microfluidic devices in the cell manipulation.

现有微流控技术在超声波功能单芯片集成设计中，波源与流体之间往往设有多个固体界面，容易导致较大的高频超声能量损失，已难以适应高频超声处理和操控的需求。本研究创新性地提出一种发泡热成型方法，制备了由球形玻璃微腔和圆柱形微流道连接而成、外表面覆有金属导线的玻璃微流控器件，其突出特点是：该结构因具有良好的超声波谐振特性和自聚焦特性，从而实现了玻璃微流道与谐振器功能的一体化，使超声波谐振器能够与流体直接接触，降低了界面传播损耗；自聚焦结构特性还能够实现较高的能量密度。本项目的核心研究内容是具有微流道和超声波换能器一体化功能的玻璃微流控器件结构的精确控制，包括：(1)揭示热发泡制备的球形玻璃微腔与圆柱形微流道结构的过程原理，研究结构参数与发泡驱动力、制备工艺之间的关系；(2)研究微流道的超声换能器特性，并建立谐振特性与结构参数之间的定量关系；(3)研究自聚焦超声玻璃微流控器件在细胞操控方面的应用。

MEMS技术的发展带来了传感器的微型化和成本的降低，使之广泛应用于消费类电子、军事等领域。本研究提出了一种热发泡成型工艺，并利用此工艺探索其在封装、微流控、航空航天等领域的应用。本研究成果主要表现在一下几个方面：1. 建立了热发泡成型工艺的理论模型，实验验证了热发泡的可行性，并与理论模型进行了对比； 2. 将热发泡工艺成功应用于微流控器件的制备，在玻璃微流道、超声谐振器等方面进行了初步的探索；3. 成功利用热成型技术制备出微玻璃壳体谐振子，为半球谐振陀螺的微型化打下了坚实的基础； 4. 利用热成型工艺在军用方面在原子磁力仪方面进行了深入的研究，成功制备出微原子磁力仪样机；5. 热发泡工艺制备的玻璃壳体在LED封装、透镜方面进行了初步的应用探索。经历了4年热发泡工艺的研究，工艺日渐成熟，在微壳体谐振陀螺和微原子磁力仪两个方面具有重要的应用，有望实现应用。在项目的进行过程中，项目成员在国际主流会议 (IEEE MEMS、IEEE ECTC、EPTC、ICEPT)和期刊上共发表论文24篇，在会场上展示了我们项目的研究成果。申请中国发明专利11项，其中授权专利4项；申请PCT专利2项；申请国防专利7项；美国授权专利1项。