[논문 리뷰] SAW synthesis with IDTs array and the inverse filter: toward a versatile SAW toolbox for microfluidics and biological applications

Antoine Riaud, Michaël Baudoin외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 15.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies참고 문헌 46인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 32개의 간섭형 전도체(Interdigitated Transducers, IDTs) 어레이와 역필터 기법을 사용하여 단일 플랫폼에서 평면파, 집중파, 소용리파 SAW를 합성하는 다용도 표면 구동파(SAW) 도구상자를 제시한다. 이 시스템은 소프트웨어 제어의 진동자에 의해 전체 재구성 가능하게, 방울의 이동, 분할, 융합, 미세 nebulization을 포함한 온칩 조작을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 IDT의 한계를 극복하기 위해 각 마이크로유체 작동마다 맞춤형 설계가 필요한 문제를 해결하고 단일 재구성 가능한 SAW 플랫폼을 개발한다.
• 단일 전도체 어레이를 사용하여 단일 기판 상에서 복잡한 파동장—예를 들어 집중파, 평면파, 소용리파 SAW—을 합성할 수 있도록 한다.
• 표준 IDT로는 달성할 수 없는 음향 소용리(acoustical vortices) 및 3차원 입자 조작이 가능한 소용리 SAW를 생성할 수 있음을 입증한다.
• 동일한 하드웨어 플랫폼을 사용하여 스테이션리어 드롭에 대해 이동, 분할, 융합, 미세 nebulization 등의 다기능적 유체 작동을 수행할 수 있도록 한다.
• 외부 영상 장치에 의존하지 않고도 IDT 어레이를 실시간으로 드롭 위치를 감지하는 액추에이터이자 센서로 활용할 잠재력을 탐색한다.

제안 방법

• Ti/Au 층을 사용한 리프오프 공정을 통해 1.05 mm 두께의 X-절단 LiNbO₃ 기판 상에 최적화된 단방향 32개의 간섭형 전도체(IDTs) 어레이가 제작되었다.
• 각 IDT는 11.9 MHz에서 동작하도록 설계되었으며, 중심 5 mm의 '음향 시나리오' 영역에 대한 공간적 조명을 향상시키기 위해 약간의 곡률을 가진 속도 곡선(slowness curve)에 따라 배치되었다.
• 각 IDT는 외부 인덕터를 통해 임피던스 매칭을 수행한 프로그래밍 가능한 전자기기로 독립적으로 구동되어 효율적인 에너지 전달을 보장한다.
• 역필터 기법은 기존의 부피파 응용에서 유도하여, 각 IDT에 대한 최적의 시간 영역 입력 신호를 계산함으로써 원하는 파동장을 합성하는 데 적용되었다.
• 이 방법은 LiNbO₃ 기판의 이방성(anisotropy)을 고려하여 파면의 형상, 방향, 위상 전하(topological charge, 예: 위상 순서 0 또는 2인 소용리 SAW)를 정밀하게 제어할 수 있다.
• 시스템은 실시간으로 파동장 재구성을 가능하게 하여, 동일한 드롭이나 기판에서 여러 개의 유체 작동을 순차적으로 실행할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 전도체 어레이를 사용하여 평면파, 집중파, 소용리파 등의 다양한 파동장 유형을 단일 SAW 플랫폼에서 합성할 수 있는가?
• RQ2 이방성 기판 상의 표면 구동파에 대해 이론적 역필터 기법을 얼마나 잘 적응시킬 수 있는가? 복잡한 파동장 합성에 있어 그 적용 범위는 어느 정도인가?
• RQ3 이 플랫폼은 하드웨어 재구성 없이도 이동, 분할, 융합, 미세 nebulization 등의 광범위한 마이크로유체 작동을 스테이션리어 드롭에서 수행할 수 있는가?
• RQ4 이 IDT 어레이와 역필터링 기법을 통해 조절 가능한 위상 전하를 가진 음향 소용리를 생성할 수 있는가?
• RQ5 IDT 어레이가 외부 영상 장치에 의존하지 않고도 실시간 드롭 위치 감지를 위한 액추에이터이자 센서로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 다수의 방향에서 평면 SAW를 성공적으로 합성하여 2 µL 드롭의 제어된 이동을 실현하였으며, 이미지 간 프레임 간격이 27 ms로 높은 시간 해상도를 확보하였다.
• 집중파 SAW는 두 개의 2 µL 드롭을 융합시키는 데 사용되었으며, 매 27 ms 간격으로 촬영한 이미지 스택를 통해 융합 과정이 명확히 관찰되어 정밀한 공간 제어가 가능함을 확인하였다.
• 위상 순서 2인 소용리 SAW는 드롭 분할을 유도하기 위해 생성되었으며, 각도형 가중치(angular apodization)를 적용하여 비대칭 분할로 서로 다른 부피의 드롭 두 개를 생성하였다.
• 중심에 집중된 고강도의 위상 순서 0 소용리 SAW(환형 파동)는 2 µL 드롭의 미세 nebulization을 유도하였으며, 매 13 ms 간격으로 촬영한 이미지를 통해 분해능 능력이 입증되었다.
• 역필터 방법은 기판의 이방성에도 불구하고 정확한 파동장 합성을 가능하게 하여, 음향 소용리와 같은 복잡한 파동장을 생성할 수 있었다.
• 플랫폼의 재구성 가능성 덕분에 동일한 하드웨어 설정에서 동일한 드롭에 대해 이동, 분할, 융합, nebulization의 네 가지 별도의 작동을 순차적으로 수행할 수 있었다.