集成球形玻璃谐振腔的超声微流控芯片的研究

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微流控技术把化学和生物实验室的大部分功能集成到尺寸很小的芯片上,并采用电场力、超声波、磁力等处理和操控微流体。实现超声波功能在单个微流控芯片上的集成是微流控技术的发展趋势之一。在微流控领域,玻璃因为其化学稳定性、亲水性、透光性等性质被认为是制备这种微流控器件中换能器的优势材料。前期工作已将球形玻璃谐振器集成到微流控器件中,并对空气填充的球腔的谐振特性进行了表征。本文改进了微流控芯片的制备工艺,模拟了声场-结构的相互作用,并研究了填充液体介质的谐振腔的谐振特性,为超声微流控芯片的制备和应用打下基础。  首先,通过使用发泡剂液体代替粉末的新型发泡工艺,制备了尺寸可控、成型度好的玻璃微流控芯片。  然后,对超声微流控芯片进行了设计与仿真。使用COMSOL Multiphysics软件建立了填充介质的球形谐振腔有限元模型,分析了球壳结构参数和填充液体介质对谐振频率的影响。结果显示对于特定大小的球形微腔,其内部流体介质由空气变成水之后一阶谐振频率偏移了约180KHz。  同时,通过建立填充液体介质的谐振腔的声壳耦合模型,模拟了声场对谐振频率的影响和声压场的分布。结果表明在声场与结构振动耦合后,谐振频率发生了50-150KHz的偏移。  最后,对谐振腔进行了振动测试。使用激光多普勒测振仪对两种尺寸的球形谐振腔进行表征,结果表明填充液体介质后一阶谐振频率发生了偏移,偏移量为145KHz和210KHz,与模拟基本相符。此结果表明液体介质填充导致的谐振频率的变化十分显著。同时,通过进一步实验,结果表明谐振频率的实验值与模拟值存在50-100KHz的偏差,分析表明此偏差可能与声场作用有关。
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