中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
近日，合肥工業(yè)大學(xué)錢金貴副研究員、英國諾森比亞大學(xué)傅永慶教授、澳大利亞悉尼科技大學(xué)Joshua E.-Y. Lee教授等課題組聯(lián)合在物理領(lǐng)域著名期刊《Applied Physcis Reviews》在線發(fā)表了題為“Integrated functions of microfluidics and gravimetric sensing enabled by piezoelectric driven microstructures”的工作。該論文被選為主編推薦文章（Featured Article）（見圖1），并受到美國物理學(xué)聯(lián)合會(huì)《科學(xué)之光》（AIP Scilight）的專訪報(bào)道（見圖2）。本文主要貢獻(xiàn)作者還包括合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生王越和香港城市大學(xué)Habiba Begum博士。
圖1
圖2
微納機(jī)電諧振器作為質(zhì)量精準(zhǔn)測量的強(qiáng)大工具，廣泛應(yīng)用于生物傳感、化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。除了克服流體阻尼和電氣接口的問題外，該領(lǐng)域長期面臨著如何將微分析物引入諧振器傳感檢測區(qū)域以達(dá)到高通量所需的精度和規(guī)模的巨大挑戰(zhàn)。本研究基于壓電微機(jī)械薄膜諧振器（PMDR）提出了一種自激局域化聲學(xué)操縱的方法以解決上述難題。PMDR將聲學(xué)操控和質(zhì)量傳感功能集成在單個(gè)MEMS器件上，數(shù)十秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)微顆粒在最靈敏區(qū)域的富集，利用高捕獲率和高度均勻分等手段有效提高了微量分析物的液相質(zhì)量傳感檢測限。
具體而言，橫向（2,0）諧振模態(tài)的PMDR兼具聲學(xué)操控與質(zhì)量傳感功能。PMDR基于氮化鋁壓電薄膜結(jié)構(gòu)，將兆赫茲級射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻諧振機(jī)械波作為聲流體局域聲波源，以無標(biāo)簽無接觸方式對片上液滴內(nèi)微物質(zhì)直接進(jìn)行聲學(xué)操控，使其聚集在傳感器最高靈敏度區(qū)域。PMDR微制造符合標(biāo)準(zhǔn)AlN-on-SOI工藝，使用全錨定式隔膜結(jié)構(gòu)將頂部和底部完全密封有效防止聲學(xué)操控時(shí)液滴的泄露，滿足了聲流體對器件結(jié)構(gòu)的要求。如圖3所示，所提出的PMDR由四個(gè)90°扇形電極組成，被激發(fā)產(chǎn)生橫向（2,0）諧振模態(tài)，全差分配置減少了射頻信號(hào)的寄生饋通，增強(qiáng)了液相測量時(shí)諧振的電學(xué)特性。器件結(jié)構(gòu)包括400 μm厚硅基底、1 μm厚埋氧化層、10 μm厚硅器件層、0.2 μm厚的二氧化硅層和0.5 μm厚的AlN壓電薄膜。
圖3 PMDR的設(shè)計(jì)、制造與工作原理示意圖
如圖4所示，初始狀態(tài)下PMDR表面微液滴內(nèi)的聚苯乙烯微粒稀疏分散，掃頻測量PMDR的傳輸系數(shù)S21時(shí)，只有少數(shù)微粒輕微移動(dòng)，顯示出富集的趨勢。然而，在24 V射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，微液滴中形成四個(gè)微粒簇并匹配諧振模態(tài)，關(guān)閉射頻信號(hào)后，聲聚焦的微粒未發(fā)生分散。對比無微粒與微粒聚集前后三種情況下PMDR諧振頻率，微粒聚集后的分?jǐn)?shù)頻移（0.407%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于稀疏粒子未聚集時(shí)的分?jǐn)?shù)頻移（0.068%）。稀疏分布的粒子和聲聚焦粒子之間的諧振頻率偏移的差異，揭示了聲學(xué)定位對高靈敏度檢測的重要性。
圖4 PMDR聲流體輔助液相質(zhì)量傳感
實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明，相同類型微粒下的頻移與微粒濃度呈正相關(guān)，相同濃度下的頻移與微粒的材料密度呈正相關(guān)。如圖5所示，不同濃度(0.1875 mg/mL、0.375 mg/mL、0.75 mg/mL)的PMMA微粒在PMDR表面的四個(gè)扇區(qū)中都有明顯的聚集，對應(yīng)頻移量為0.625 k Hz、1.25 k Hz、2.5 k Hz ( 0.068 %、0.136 %、0.272 %)。相同濃度( 0.75 mg/mL )的微粒樣品(PS、PMMA、Silica)均明顯聚集在PMDR表面的4個(gè)扇形電極區(qū)域，對應(yīng)頻率偏移為1.48 kHz、2.37 kHz、3.82 kHz ( 0.016 %、0.258 %、0.415 %)。
圖5 基于PMDR微量分析物的濃度、密度測定
這項(xiàng)工作驗(yàn)證了 PMDR 上的自激聲流體定位效應(yīng)推動(dòng)了微分析物在液滴內(nèi) PMDR 質(zhì)量敏感區(qū)域的快速積累，是解決液相共振質(zhì)量傳感中捕獲效率低、測量不準(zhǔn)確和精度低等問題的突破性解決方案，極大增強(qiáng)了納克級液相質(zhì)量傳感的靈敏度和檢測限。作為一種可擴(kuò)展的緊湊型集成解決方案，有望在疾病快速診斷、食品生產(chǎn)過程和環(huán)境污染監(jiān)測領(lǐng)域大顯身手。本研究受到國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、香港研究資助局資助項(xiàng)目等的支持。
