中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，合肥工業(yè)大學(xué)錢(qián)金貴副研究員、英國諾森比亞大學(xué)傅永慶教授、澳大利亞悉尼科技大學(xué)Joshua E.-Y. Lee教授等課題組聯(lián)合在物理領(lǐng)域著(zhù)名期刊《Applied Physcis Reviews》在線(xiàn)發(fā)表了題為“Integrated functions of microfluidics and gravimetric sensing enabled by piezoelectric driven microstructures”的工作。該論文被選為主編推薦文章（Featured Article）（見(jiàn)圖1），并受到美國物理學(xué)聯(lián)合會(huì )《科學(xué)之光》（AIP Scilight）的專(zhuān)訪(fǎng)報道（見(jiàn)圖2）。本文主要貢獻作者還包括合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生王越和香港城市大學(xué)Habiba Begum博士。
圖1
圖2
微納機電諧振器作為質(zhì)量精準測量的強大工具，廣泛應用于生物傳感、化學(xué)分析、環(huán)境監測等領(lǐng)域。除了克服流體阻尼和電氣接口的問(wèn)題外，該領(lǐng)域長(cháng)期面臨著(zhù)如何將微分析物引入諧振器傳感檢測區域以達到高通量所需的精度和規模的巨大挑戰。本研究基于壓電微機械薄膜諧振器（PMDR）提出了一種自激局域化聲學(xué)操縱的方法以解決上述難題。PMDR將聲學(xué)操控和質(zhì)量傳感功能集成在單個(gè)MEMS器件上，數十秒內實(shí)現微顆粒在最靈敏區域的富集，利用高捕獲率和高度均勻分等手段有效提高了微量分析物的液相質(zhì)量傳感檢測限。
具體而言，橫向（2,0）諧振模態(tài)的PMDR兼具聲學(xué)操控與質(zhì)量傳感功能。PMDR基于氮化鋁壓電薄膜結構，將兆赫茲級射頻信號轉換為高頻諧振機械波作為聲流體局域聲波源，以無(wú)標簽無(wú)接觸方式對片上液滴內微物質(zhì)直接進(jìn)行聲學(xué)操控，使其聚集在傳感器最高靈敏度區域。PMDR微制造符合標準AlN-on-SOI工藝，使用全錨定式隔膜結構將頂部和底部完全密封有效防止聲學(xué)操控時(shí)液滴的泄露，滿(mǎn)足了聲流體對器件結構的要求。如圖3所示，所提出的PMDR由四個(gè)90°扇形電極組成，被激發(fā)產(chǎn)生橫向（2,0）諧振模態(tài)，全差分配置減少了射頻信號的寄生饋通，增強了液相測量時(shí)諧振的電學(xué)特性。器件結構包括400 μm厚硅基底、1 μm厚埋氧化層、10 μm厚硅器件層、0.2 μm厚的二氧化硅層和0.5 μm厚的AlN壓電薄膜。
圖3 PMDR的設計、制造與工作原理示意圖
如圖4所示，初始狀態(tài)下PMDR表面微液滴內的聚苯乙烯微粒稀疏分散，掃頻測量PMDR的傳輸系數S21時(shí)，只有少數微粒輕微移動(dòng)，顯示出富集的趨勢。然而，在24 V射頻信號驅動(dòng)下，微液滴中形成四個(gè)微粒簇并匹配諧振模態(tài)，關(guān)閉射頻信號后，聲聚焦的微粒未發(fā)生分散。對比無(wú)微粒與微粒聚集前后三種情況下PMDR諧振頻率，微粒聚集后的分數頻移（0.407%）遠遠大于稀疏粒子未聚集時(shí)的分數頻移（0.068%）。稀疏分布的粒子和聲聚焦粒子之間的諧振頻率偏移的差異，揭示了聲學(xué)定位對高靈敏度檢測的重要性。
圖4 PMDR聲流體輔助液相質(zhì)量傳感
實(shí)驗結果進(jìn)一步表明，相同類(lèi)型微粒下的頻移與微粒濃度呈正相關(guān)，相同濃度下的頻移與微粒的材料密度呈正相關(guān)。如圖5所示，不同濃度(0.1875 mg/mL、0.375 mg/mL、0.75 mg/mL)的PMMA微粒在PMDR表面的四個(gè)扇區中都有明顯的聚集，對應頻移量為0.625 k Hz、1.25 k Hz、2.5 k Hz ( 0.068 %、0.136 %、0.272 %)。相同濃度( 0.75 mg/mL )的微粒樣品(PS、PMMA、Silica)均明顯聚集在PMDR表面的4個(gè)扇形電極區域，對應頻率偏移為1.48 kHz、2.37 kHz、3.82 kHz ( 0.016 %、0.258 %、0.415 %)。
圖5 基于PMDR微量分析物的濃度、密度測定
這項工作驗證了 PMDR 上的自激聲流體定位效應推動(dòng)了微分析物在液滴內 PMDR 質(zhì)量敏感區域的快速積累，是解決液相共振質(zhì)量傳感中捕獲效率低、測量不準確和精度低等問(wèn)題的突破性解決方案，極大增強了納克級液相質(zhì)量傳感的靈敏度和檢測限。作為一種可擴展的緊湊型集成解決方案，有望在疾病快速診斷、食品生產(chǎn)過(guò)程和環(huán)境污染監測領(lǐng)域大顯身手。本研究受到國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金、香港研究資助局資助項目等的支持。
