[0027] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0028] 本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种用于微流控的声学镊子。
[0029] 实施例一
[0030] 本实施例提供一种用于微流控的声学镊子，如图1‑2所示，包括支架8，支架8上安装有微流控通道层4以及设置于微流控通道层4下方的压电基底1、隔膜；微流控通道层4具有中空的通道，中空的通道包括主通道、设置于主通道一侧的至少两个流体入口通道、设置于主通道另一侧的至少两个流出口通道；主通道的两侧设置一对相互平行且相对放置的声表面波换能器组3，流体入口通道一侧放置有加速换能器2，压电基底1的背面设置有叠层体声波压电换能器5；隔膜设置在压电基底1上并覆盖声表面波换能器组3。
[0031] 压电基底1由压电材料制作而成，可选铌酸锂晶体、石英晶体或锗酸铋晶体等材料，最后形成铌酸锂衬底。
[0032] 隔膜为厚度190‑200nm的SiO2薄膜。
[0033] 微流控通道层4为中空通道，粒子流入的一端称为流体入口通道，粒子流出的一端成为流体出口通道；流体入口通道与流体出口通道通过主通道相连接。
[0034] 流入口通道为至少两个，流体出口通道为至少两个，本实施例均以两个为例，其中一个流体入口通道由第一流体入口通道601和第一流体入口603组成；另一个流入口通道由第二流体入口通道602、第二流体入口604组成；一个流出口通道由废液输出管道701、废液出口703组成；另一个流出口通道由样品收集管道702、样品出口704组成。
[0035] 微流控通道层4形成于PDMS(聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)，是有机硅的一种，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。)结构上，PDMS结构与铌酸锂衬底键合。
[0036] 微流控通道层形成具体为：
[0037] 在硅基底上用光刻制备SU8模具，具体步骤为：使用4ml的SU8光刻胶进行匀胶、前烘、光刻、后烘、显影等操作。模具生成后，将PDMS和固化剂以10：1的质量混合，放入干燥泵内除气半小时，再倒入装SU8模具的硅片上进行烘箱烘干和固化操作，大约1小时后取出，完成制作。
[0038] 将制作完成的PDMS微流控通道层4通过氧等离子处理，并和溅射有190‑200nm的SiO2隔膜的铌酸锂衬底对齐后，在150℃保温3小时后完成不可逆键合。
[0039] 在本实施例中，流体入口通道2的前方设置有加速换能器2；主通道的两侧设置有一对相互平行且相对放置的声表面波换能器组3；压电基底1的背面设置有叠层体声波压电换能器5。
[0040] 加速换能器2用于控制在进入微流控通道层4粒子在y轴的流动，声表面波换能器组3用于控制在进入微流控通道层4粒子在x轴的流动，叠层体声波压电换能器5用于控制在进入微流控通道层4粒子在z轴的流动。
[0041] 声表面波换能器的高度为90‑100nm，使用光刻工艺、金属(铝离子)刻蚀等方式在铌酸锂衬底表面制作一层带有声表面波换能器图案的光刻胶，再采用蒸镀、溅射、剥离等工艺在铌酸锂衬底上制作声表面波换能器3，微流控通道层4和隔膜通过氧等离子体表面处理实现不可逆键合。
[0042] 声表面波换能器组3包括第一声表面波换能器301、第二声表面波换能器302，其中每个声表面波换能器均为可编码的声表面波换能器，设置在压电基底1的上表面、微流控通道层4的下方。
[0043] 第一声表面波换能器301、第二声表面波换能器302所在的直线与微流控通道层4所在的直线之间呈预设夹角，其中预设夹角为0°‑+15°或‑15°‑0°，本实施例设置为平行。
[0044] 如图2所示，每个声表面波换能器由两个电控模块12、两组叉指指条9、供电电源Vin、数个开关管、两根金属条13(用于连接开关管和电控模块引出的电极14)以及声表面波换能器电极14组成。
[0045] 本实施例以叉指指条9为12根、开关管的数量为12个具体说明：
[0046] 两组叉指指条9交叉且平行于主通道设置，每个叉指指条呈现等腰梯形形状，每组6根；开关管包括K1，K2，K3，K4，K5，K6，K7，K8，K9，K10，K11，K12。
[0047] 声表面波换能器具有编码可控功能，本实施例通过对不同开关管进行通断操作，进而增大或减少声表面波换能器的输出电压，改变对悬浮液粒子的驱动频率，不同频率对应不同的声辐射力；当粒子受到不同声辐射力，则偏转角度也会不同，从而改变不同性质(尺寸、密度、质量)粒子的悬浮高度。但具体的频率、声辐射力需要根据实际应用场景再做判断。
[0048] 例如在筛选血浆的场景下，需要筛选出血细胞，并从已固定高度的样品收集管道702收集，就需要在程序中设定K1，K5，K9为高电平(K1＝K5＝K9＝1，逻辑信号)，设定K2，K3，K4，K6，K7，K8，K10，K11，K12为低电平(K2＝K3＝K4＝K6＝K7＝K8＝K10＝K11＝K12＝0,逻辑信号)，即输入端开关管编码为100010，输出端开关管编码为001000，如图3(a)所示，在两端供电电源Vin供电作用下，电流流经两组电控模块12和搭载在开关管上的两组声表面波换能器电极14，从而实现控制两组金属条上的各个开关管开与关，叉指指条9受到电压值V1，通过电‑声的转换原理，在该电压值下血细胞受到的声辐射力为F1，由于叉指指条是等腰梯形，产生的力F1与主通道呈现α角度，α的范围在0°～+15°范围内，由梯形内角而定。根据力的分解，F1可分解成F1x和F1y、F1x可将混合流体中的颗粒偏离至x轴正方形，力越大，偏离的效果越好；F1则加速颗粒的流动，使其更快流向出口，也能避免粒子粘连在通道层内壁，防止漏检。辅以压电基底背部的叠层压电换能器，颗粒才会悬浮到指定的高度，最后在x、y、z三个维度的声辐射力作用下流到流体出口通路7，最后流入样品收集管道702。
[0049] 又例如在筛选某种病毒细胞的场景下，病毒细胞和血细胞的颗粒大小、直径或质量存在差异，若想要采取同一套装置筛选出病毒细胞，而样品收集管道702在该套装置中的高度已被设定不能改动，只需要在程序中修改参数，设定另外几个开关管的通断，K2，K6，K10为高电平(K2＝K6＝K10＝1,逻辑信号)，设定K1，K3，K4，K5，K7，K8，K9，K11，K12为低电平(K1＝K3＝K4＝K5＝K7＝K8＝K9＝K11＝K12＝0,逻辑信号)，即输入端开关管编码为010001，输出端开关管编码为000100，如图3(b)，达到另一个电压值V2，由于声表面波换能器3的电‑声转换功能，在该电压值下病毒细胞所受到的声辐射力为F2，此时产生的力F2与主通道呈现α角度，α的范围在‑15°～0°范围内，F2作用力分解成F2x和F2y两个方向的分力，此时F2y与F1y方向和作用均相同，都用于加速颗粒流动。而F2x偏向于x轴负方向，与F1x呈相反方向，但作用均相同，都是促使颗粒偏离，差异在于使颗粒偏向于x轴正方形还是x轴负方向，可配合样品收集管道702是偏向于x轴正方形或负方向而灵活调控。最后同样在叠层压电换能器的作用下，颗粒悬浮到与血细胞颗粒同样的高度，偏离到预期的轨迹，最后在x、y、z三个维度的声辐射力作用下也能流入指定高度的样品收集管道702。因此在不同的场景下能够实现不同质量、体积或尺寸的颗粒筛选分拣。
[0050] 需要说明的是，在本实施例中叉指指条、开关管的总数不局限于12根，可根据实际情况减少或增加数量。
[0051] 如图4所示为叠层体声波压电换能器的侧视图以及粒子的轨道，叠层体声波压电换能器主要由电压Vin、叠层体声波压电换能器电极1和压电变压器材料11组成，本实施例设置的叠层体声波压电换能器5单数层电极连接到电压Vin的正极，双数层电极连接到电压Vin的负极，本实施例设计的压电材料为6层，形状为多个圆柱体相叠加，而实际应用中不仅限于6层，且形状可以设定为三角形，正方形或者六边形，但必须为上下相互叠加的效果。压电变压器材料11由钙钛矿型压电陶瓷材料组成，具有压电效应。叠层体声波压电换能器5能够对颗粒产生一个垂直于压电基底1平面的z轴方向上的功率信号，形成一个纵向声波辐射力，调整颗粒在悬浮液中的竖直高度，进而能够更精准促使不同性质的颗粒在流体腔体中形成不同高度的流体轨迹，并流向下游的不同高度的流体出口。
[0052] 在本实施例中，加速换能器和声表面波换能器是通过电压控制，电压输出到电控模块，电控模块可以设定哪个开关管开/管，那么电流大小就不同，作用到叉指指条上的电压也就不同，那么整个换能器的工作频率就不同，由于其电转声(电能转换成声能)的特性，产生的声辐射力就不同，导致对颗粒的推动力就不同。
[0053] 叠层体声波压电换能器：利用某些材料的压电效应和电致伸缩效应来进行一个电能和声能的转换，从图4中可知，上面两端由电压vin，通过两根电极引到具有压电效应的材料，连接方式是单层材料通过一根导线连接到电源正极，双层材料通过另一根导线连接到电源负极。
[0054] 其中，压电效应：某些单晶材料的结构具有非对称特性，当这些材料受到外加应力作用而产生应变时，其内部晶格结构的变化(形变)会破坏原来宏观表现为电中性的状态，产生极化电场(电极化)，所产生的电场(电极化强度)与应变的大小成正比。这种现象称为正压电效应，它是由居里兄弟于1880年发现的。随后，在1881年又进一步发现这类单晶材料还具有逆压电效应，即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时，会有应力和应变产生，其应变与外电场的大小成正比。压电效应是晶体结构的一个特性，它与晶体结构的非对称性有关，而压电效应的大小及性质则与施加的应力或电场对晶体结晶轴的相对方向有关。具有压电效应的单晶材料种类很多，最常用的如天然石英晶体，以及人工单晶材料如硫酸锂、铌酸锂等等。
[0055] (2)电致伸缩效应：某些多晶材料中存在有自发形成的分子集团，即所谓“电畴”，它具有一定的极化，并且沿极化方向的长度往往与其他方向的长度不同。当有外加电场作用时，电畴会发生转动，使其极化方向与外加电场方向趋于一致，从而使该材料沿外加电场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变。这种现象称为电致伸缩效应。电致伸缩效应也有逆效应，即具有电致伸缩效应的多晶材料在经受外加应力产生应变时，其总的极化强度将会发生变化，即表现为电极化(产生电场)。因此，电致伸缩效应可以说与电极化现象有关(自极化)。
[0056] 支架8设置在压电基底1的底部，由于叠层体声波压电换能器5安装在压电基底1的背面，因此支架8能够更好支撑整个微流控装置，避免其它材料被挤压变形；其中，支架8的材料可采用玻璃、木质材料均可。
[0057] 本实施例的粒子在微流控通道层中的处理方式具体为：
[0058] 当不同流体分别被输入，经过第一流体入口603和第二流体入口604后进入第一流体入口通道601和第二流体入口通道602，由于受到加速换能器2的叉指电极产生的声表面波影响，颗粒受到y轴上的作用力，被加速推动，能够更快逐渐汇聚集中到主通道，实现更好聚焦，减少例子筛选，提高效率。由于在主通道两侧分别设置第一声表面波换能器301和第一声表面波换能器302，两组可编程的声表面波换能器沿着主通道平面x轴方向产生两组声辐射力，筛选粒子在体积、质量、尺寸上各有差异，所需要的声辐射力也会不同，而声辐射力可通过对程序修改，对左右两组开关管进行独立通断控制即可产生不同大小的电压和频率，由于声表面波换能器的电‑声转换原理，得到的声辐射力自然不同。并且由于叉指指条的特殊设置，将传统的长方形设置成等腰梯形，既实现了传统微流控装置中放置倾斜的叉指换能器以产生波阵面与流体方向成α的超表面驻波的效果，同时通过编码的方式实现了α角度的可调性，本发明设计的可调范围为‑15°～+15°，具体由梯形内角所决定。角度不同，分解的作用力方向和大小也不同，从x轴维度，实现颗粒的流动速度和偏移方向(x轴正方向和x轴负方向)的双向控制。同时在垂直于压电基底的背面设置叠层体声波压电换能器5，对颗粒产生z轴方向上的声表面驻波，使混合后的不同大小、体积或重量的颗粒产生流动方向、位置的偏移，进而形成有序的流动，使得粒子在纵向上更好呈现层次分明的运动轨迹，减少漏检现象，最后通过流体出口通道7流出装置，即混合颗粒分别进入废液输出管道701后的废液出口703和样品收集管道702后的样品出口704流出装置。
[0059] 本实施例将声表面波的应用于微流控芯片上，辅以叠层体声波压电换能器，从x、y和z轴三个维度控制颗粒的流动和排列，能够更加有效快速实现悬浮颗粒的筛选分离。相对于磁场、电厂、机械力等控制方式对例子进行驱动、检测，该发明具有高生物相容性、无侵入性、泛化性强等优势。
[0060] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
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