Page 134 - 《应用声学》2022年第6期

980 2022 年 11 月

从图 12 中看出，当频率为 13 MHz 时，声波能 频率 -电势图。比较图 15(a) 与图 15(b)，当铜柱间
量聚焦于基片中心区域的铜柱阵列，有效地对表面 距变小后，部分频率范围内的总体电势随之变小。
波声场进行调控。为进一步详细观察铜柱个数对声 在 0∼4.8 MHz 内，该点的电势基本不变；4.8 ∼
场的影响，当铜柱个数为 3 个、5 个、7 个时，绘制基 30 MHz 时，电势平均减小约 0.25 V，其中当频率
达到 11.76 MHz 时，电势最大值从 0.942 V 降低至
片几何中心点频率 -声压图。如图 13 所示，在 0 ∼
30 MHz 范围内，当铜柱个数为 7 时，基片几何中心 0.494 V，降幅最大。
的电势最高：在3 MHz时，达到1.3 V；3个铜柱所构
2
成的声学微结构电势较低，而中心点在 5 个铜柱时 ௑ᫎ=1000 ns ᛫᭧ von Mises stress (N/m )
的电势分布在前二者之间。对比黑、红、蓝3 条曲线， T 3 mm    T 3 mm 7
电势平均增加约 0.23 V。故在一定频率范围内，声   6

学微结构铜柱阵列的个数与基片表面声场呈非严   5
 mm (10 4 N/m 2 )
格正相关态势。进而针对不同需求，适当调节微结 4
构阵列中的铜柱个数使得其形成的声场实现多尺 3
z
度的微流控需要，突破传统 SAW 器件单一声场的 y x 2
1
局限性，真正让SAW芯片做到“按需定制”。
1.5
3˔ᨷಏ 图 14 铜柱间距 72.5 µm 微流控芯片声压图
5˔ᨷಏ Fig. 14 Copper column pitch 72.5 µm microfluidic
7˔ᨷಏ
1.0
chip acoustic pressure map

ႃҹ/V 0.5 1.0

0
0.5
⭥࣯/V
-0.5
0
-1.0
0 5 10 15 20 25 30
ᮠဋ/MHz -0.5

图 13 不同个数铜柱阵列表面声场 0 5 10 15 20 25 30
ᮠဋ/MHz
Fig. 13 Different number of copper column array
(a) ᨷಏᫎᡰ˞ 145 µm
surface sound field
1.0
3.3 改变声学微结构铜柱间距对声场的影响
当声学微结构铜柱阵列中铜柱间距从 1/2 波 0.5
长 (145 µm) 变成 1/4 波长 (72.5 µm) 时，将图 14 与 ⭥࣯/V
图 6(b) 比较，可以看出 SAW 器件的声场区域随着 0
铜柱间距的减小而减小；且铜柱间距越小，聚集在
铜柱两侧的声压越大。故可以根据这一特性，来调 -0.5
SAW 器件声场。从理论上讲，只需保证将 SAW 芯 0 5 10 15 20 25 30
片的频率、功率等参数保持在一定范围内，不破坏 ᮠဋ/MHz
(b) ᨷಏᫎᡰ˞ 72.5 µm
细胞的活性以及各种属性，通过调节铜柱阵列间的
间距，开发适用于各种形态细胞、微流的声场分布。 图 15 不同间距声学微结构频率 -电势图
本研究选取输出端声学微结构铜柱阵列的任 Fig. 15 Frequency-potential diagram of acoustic
意一点，分别绘制铜柱间距为 145 µm、72.5 µm 的 microstructure with different spacing