Page 128 - 《应用声学》2022年第6期

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0 引言
自20世纪末以来，随着科学技术的发展进步和
更新迭代，微流控芯片在细胞操控领域引起了广大
学者们和科研人员的广泛关注。与其他微流控技
术相比，声表面波 (Surface acoustic wave, SAW)微
流控技术的强大之处在于它在微米级芯片上集成
了多个便于目标液滴通过的流道，并且能够在该芯
片上精确高效地完成细胞的提取、分离、计数
等操作。然而 SAW 微流控芯片仍然存在一些不足：
SAW 微流控芯片所使用的压电基片材料单一，而
且主要依靠普通的直通道操控细胞，导致 SAW 声
场分布具有局限性，能量分布不均匀，无法满足
微流控技术中适用于各种形态细胞、微流的声场
分布 [3−5] 。
为了解决上述问题，国内外许多学者进行了大
量的研究：Ung 等 [6] 将直径为 1.9 µm 的微球在不
同大小的矩形直管微通道横截面上进行实验，进
而说明了不同的高宽比对微粒聚焦的影响；Länge
等 [7] 在微流控芯片上集成 256 个矩形直管微通道，
利用惯性力聚焦细胞并计数；刘国君等
焦 SAW 对微流道内的流体进行混合，同时将各
部件集成于同一芯片上，并通过实验和数值仿真
发现该方法相对于传统方法能够使细胞操纵更加
有效，但其 SAW 芯片主要依靠普通的压电基底材
料作用于微流体，而压电基片材料性质很大程度
上影响着 SAW 微驱动器的性能，其形成的声场无
法很好地满足低能量、多尺度、多功能的微流控
需要。
根据微流控技术的多变要求，当前探索多变、
复杂物理场作用下的 SAW 微流控技术将有着巨
大的空间。人工声学微结构的发展为实现对微粒
的有效操控、突破传统 SAW 器件单一声场的局限
性指明了方向：决定其物理特性、声场分布的不
是原材料本身的声学性能，而是这些可与波相互
作用的微结构单元，以及这些单元按一定规则排
列形成的相互作用关系 [9] 。因此，本文利用有限
元分仿真软件 COMSOL 模拟声学超材料的结构设
计，将声学超材料结构加工在 SAW 芯片表面，利
用声学超材料特殊的声场调控手段实现多尺、多
功能的 SAW 微流控细胞操纵目的，改善了普通
SAW 微流控芯片的声场，为细胞操控技术提供了
新思路。
2022 年 11 月
1 理论分析
1.1 声表面器件基本构造及工作原理
基于 SAW 的微流控器件主要由叉指换能器
(Interdigital transducer, IDT)、基片以及吸声胶
3 部分组成，如图 1 所示。其中，IDT 是由铌酸锂
(LiNbO 3 )、石英等具有压电性质的非中心对称晶体
所构成的基片通过抛光、光刻等一系列相关工艺制
[1−2] 成的 [10−11] 。发射 (输入) 换能器和接收 (输出) 换能
器平行放置。当交流电信号接至发射换能器两端时，
由于压电效应，压电晶体基片中的晶格发生畸变，产
生振动，激发出与外接信号同频的声波，由于该声波
沿着基片表面双向传播，故称声表面波) [12] 。接收换
能器接收到 SAW 后，将其以电信号的形式输出给
下一级的控制电路。而沿相反方向传播的 SAW 则
被吸声胶吸收，避免了声波的泄露。
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[8] 使用聚 ԧ࠱૱ᑟ٨ ଌஆ૱ᑟ٨
图 1 SAW 器件结构示意图
Fig. 1 Schematic diagram of the structure of the
SAW device
沿 着 基 片 表 面 双 向 传 播 的 SAW 互 相 干 扰，
产生声表面驻波 (Standing surface acoustic wave,
SSAW)，由于两组声波的传播方向相反，频率相同，
故形成的驻波波节和波腹周期性分布在压电晶体
基板上。假设在理想状态下，不考虑声波的衰减，入
射声波为
y 1 = A sin(kx − ωt). (1)
反射声波为
y 2 = A sin(kx + ωt). (2)
二者产生的驻波为
y 1 + y 2 = A sin(kx − ωt) + A sin(kx + ωt)
= 2A cos(ωt) sin(kx). (3)
其中，x = nπ/k (n ∈ Z) 处为波节位置，x =
(nπ + π/2)/k (n ∈ Z)处为波腹位置。
当目标细胞与 SAW 相互作用时，目标细胞会
随着相互作用所产生的纵压力波，移动至 SSAW 的