[論文レビュー] SAW synthesis with IDTs array and the inverse filter: toward a versatile SAW toolbox for microfluidics and biological applications

Antoine Riaud, Michaël Baudoin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2016

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 46被引用数 33

ひとこと要約

本論文では、32個のインターディジテートドレイン（IDT）アレイと逆フィルタ技術を用いた汎用的な表面弾性波（SAW）ツールボックスを提案する。このシステムにより、1つのプラットフォーム上で平面波、焦点化波、渦状波を含む多様な波動場を合成可能であり、ソフトウェア制御による励振で、ドロップレットの移動、分割、融合、ネブライゼーションを含むオンチップでの操作が可能となる。

ABSTRACT

Surface acoustic waves (SAWs) are versatile tools to manipulate fluids at small scales for microfluidics and bio- logical applications. A non-exhaustive list of operations that can be performed with SAW includes sessile droplet displacement, atomization, division and merging but also the actuation of fluids embedded in microchannels or the manipulation of suspended particles. However, each of these operations requires a specific design of the wave generation system, the so-called interdigitated transducers (IDTs). Depending on the application, it might indeed be necessary to generate focused or plane, propagating or standing, aligned or shifted waves. Furthermore, the possibilities offered by more complex wave-fields such as acoustical vortices for particle tweezing and liquid twisting cannot be explored with classical IDTs. In this paper, we show that the inverse filter technique coupled with an interdigitated transducers array (IDTA) enables to synthesize all classical wave-fields used in microfluidics and biological applications with a single multi- function platform. It also enables to generate swirling SAWs, whose potential for the on-chip synthesis of tailored acoustical vortices has been demonstrated lately. The possibilities offered by this platform is illustrated by performing successively many operations on sessile droplets with the same system.

研究の動機と目的

• 従来のIDTが各マイクロフルイディクス操作毎にカスタム設計を必要としているという制限を克服し、1つの再構成可能なSAWプラットフォームを構築すること。
• 1つのトランスデューサアレイを用いて、1つの基板上に焦点化波、平面波、渦状波などの複雑な波動場を合成できることを実現すること。
• 標準的なIDTでは達成できない、音響的渦（acoustical vortices）と3次元粒子操作を可能にする渦状SAWの生成の妥当性を実証すること。
• 同じハードウェアプラットフォームを用いて、ドロップレットの移動、分割、融合、ネブライゼーションといったマルチファンクショナルなフルイディクス操作を実現すること。
• IDTアレイをアクチュエータとしてだけでなくセンサとしても機能させ、外部イメージングに依存せずにリアルタイムでのドロップレット位置特定の可能性を検討すること。

提案手法

• Ti/Au層を用いたリフトオフプロセスにより、1.05 mm 厚のX切リチウニオブートナイト（LiNbO₃）基板上に最適化された単方向性インターディジテートドレイン（IDT）アレイ（32個）をフォトリソグラフィーで形成した。
• 各IDTは11.9 MHzで動作するように設計されており、中央5 mmの「音響的シーン」における空間的照度を向上させるためにわずかに曲がったスローネスカーブに沿って配置された。
• 各IDTは、外部インダクタによるインピーダンスマッチングを経て、プログラマブルな電子回路によって個別に駆動され、エネルギー効率の高い伝達を実現した。
• 逆フィルタ技術はバルク波応用から取り入れられ、各IDTに最適な時間領域入力信号を計算し、所望の波動場を合成するためのものである。
• この手法はLiNbO₃基板の異方性を考慮しており、波-frontの形状、進行方向、トポロジカル電荷（例：トポロジカルオーダー0、2の渦状SAW）を精密に制御可能である。
• システムにより、波動場の動的再構成がリアルタイムで可能となり、同じドロップレットや基板上で複数のフルイディクス操作を逐次実行できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのトランスデューサアレイを用いて、1つのSAWプラットフォームで平面波、焦点化波、渦状波といった複数の波動場タイプを合成可能か？
• RQ2 逆フィルタ技術は、異方性基板上での表面弾性波の複雑な波動場合成にどの程度適応可能か？
• RQ3 このプラットフォームは、ハードウェアの再設定なしに、ドロップレットに対して移動、分割、融合、ネブライゼーションといった広範なマイクロフルイディクス操作を実行可能か？
• RQ4 本IDTアレイと逆フィルタリング手法を用いて、調整可能なトポロジカル電荷を持つ音響的渦を生成可能か？
• RQ5 IDTアレイがアクチュエータとしてだけでなくセンサとしても機能し、外部イメージングに依存せずにリアルタイムでのドロップレット位置特定が可能か？

主な発見

• システムは、複数の方向への平面SAWの合成に成功し、27 ms間隔のフレームで時間分解能を達成した。これにより、2 µLのドロップレットを制御的に移動可能となった。
• 焦点化SAWを用いて2つの2 µLドロップレットを融合させ、27 msごとの画像スタックにより融合が観察され、空間的制御の正確さが確認された。
• トポロジカルオーダー2の渦状SAWを生成し、ドロップレットの分割を誘導した。アングルアンプティゼーションを用いて、非対称な不均一体積の2つのドロップレットに分割を達成した。
• 中心部に高強度の渦状SAW（オーダー0、環状波）を発生させ、2 µLドロップレットのネブライゼーションを実現した。13 msごとの画像撮影により、原子化能力が実証された。
• 逆フィルタ法により、基板の異方性を考慮した正確な波動場合成が可能となり、音響的渦を含む複雑な場の生成が可能となった。
• プラットフォームの再構成可能性により、同じハードウェア構成で、移動、分割、融合、ネブライゼーションの4つの異なる操作を逐次実行可能であった。