[论文解读] 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 33

一句话总结

本文提出了一种基于32个叉指形换能器（IDT）阵列与反滤波技术的多功能表面声波（SAW）工具箱，可在单一平台上合成多种波场——平面波、聚焦波与涡旋波。该系统通过软件控制激励实现对液滴的芯片级操控，包括移动、分割、融合与雾化，具备完全可重构性。

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.

研究动机与目标

• 通过开发单一可重构SAW平台，克服传统IDT在每项微流体操作中均需定制设计的局限性。
• 实现在单一基板上仅通过一个换能器阵列合成复杂波场（如聚焦波、平面波与涡旋波）的目标。
• 展示利用涡旋SAW生成声学涡旋及实现三维粒子操控的可行性，这是标准IDT无法实现的。
• 在相同硬件平台上实现对静置液滴的多种流体操作（移动、分割、融合、雾化）。
• 探索IDT阵列作为执行器与传感器的潜力，实现实时液滴定位，减少对外部成像的依赖。

提出的方法

• 在1.05 mm厚的X切割LiNbO₃基板上，采用剥离工艺与Ti/Au层，制造出32个优化的单向叉指形换能器（IDT）阵列。
• IDT设计工作频率为11.9 MHz，沿具有轻微曲率的慢度曲线排列，以增强对中心5 mm '声学生境'区域的空间照明。
• 每个IDT由可编程电子设备独立驱动，并通过外部电感实现阻抗匹配，确保能量高效传输。
• 将反滤波技术从体波应用中适配至表面波，用于计算每个IDT的最优时域输入信号，以合成期望的波场。
• 该方法考虑了LiNbO₃基板的各向异性，实现了对波前形状、传播方向及拓扑荷数（如拓扑序为0或2的涡旋SAW）的精确控制。
• 系统支持波场的实时动态重构，可顺序执行多种流体操作于同一液滴或基板上。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一SAW平台能否通过单一换能器阵列合成多种波场类型（平面波、聚焦波、涡旋波）？
• RQ2 反滤波技术在各向异性基板上的表面波中，多大程度上可被适配用于复杂波场合成？
• RQ3 该平台能否在不进行硬件重构的情况下，对静置液滴执行广泛的微流体操作（移动、分割、融合、雾化）？
• RQ4 是否可利用该IDT阵列与反滤波方法生成具有可调拓扑荷数的声学涡旋？
• RQ5 IDT阵列能否同时作为执行器与传感器，实现实时液滴定位，从而减少对外部成像的依赖？

主要发现

• 系统成功合成了多个方向的平面SAW，实现了对2 µL液滴的可控移动，帧间时间分辨率达27 ms。
• 聚焦SAW被用于将两个2 µL液滴合并为一个，通过每27 ms拍摄一次的图像序列观察到融合过程，证实了精确的空间控制能力。
• 通过生成拓扑序为2的涡旋SAW，诱导液滴分裂，实现了不等体积的非对称分裂，利用角度包络调制实现。
• 中心高强度的拓扑序为0（环形波）涡旋SAW诱导了2 µL液滴的雾化，图像每13 ms拍摄一次，证明了其原子化能力。
• 反滤波方法在考虑基板各向异性的情况下，仍能实现精确的波场合成，成功生成如声学涡旋等复杂波场。
• 平台的可重构性使得在相同硬件设置下，可顺序执行四种不同操作——移动、分割、融合与雾化——于同一液滴上。