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具有两个平行通道的微流体谐振器，用于独立样品加载和有效密度调谐

188博金宝官网登录体积8文章编号:16（2020）引用这篇文章

一个修正本文发表于2020年11月20日

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摘要

本文首次报道了双夹持微通道嵌入式谐振器，该谐振器集成了两个独立和并行的通道，用于有效的样品密度调谐。借助这种独特的设计，每个流体通道可以独立访问，从而可以同时加载不同的液体样品。所提出的流态谐振器是通过将氮化硅、多晶硅和氮化硅依次沉积在一组4英寸硅片的顶部，并用氢氧化钾(KOH)牺牲中间的多晶硅层来批量制造的。牺牲过程定义了两个并行通道并同时释放双夹束谐振器。此外，一个带有光学和流体接入的片外真空夹是定制的，以操作每个谐振器，提高质量因子。安装在定制真空夹上的微流体谐振器用激光多普勒振动计彻底表征，并用于测量有效样品密度从395到998 kg/m3.。

背景

微流体谐振器，包括悬浮微通道谐振器[1]和空心微管谐振器[2，3.]已应用于液体、合成颗粒和生物物质(包括细胞、细菌、病毒和外泌体)的测量，具有出色的性能。然而，这种有前途的微流体谐振器的制造过程仍然是费力和昂贵的，因为大多数相关的研究工作集中在进一步提高器件性能，主要是分辨率，通过制造更小的谐振器或通过晶圆级片上真空封装实现高质量因子。此外，迄今为止，谐振腔中只嵌入了一个单通道或分叉通道，这限制了同时对多个样品的独立注入和表征。这可能在工业应用中特别有用，当感兴趣的样品被测试时，校准标准需要一直存在于传感器中。此外，这种安排还有助于通过密度差分测量的概念实现更高的精度。因此，必须对多个感兴趣的样品进行一次一个的顺序测试，这反过来又增加了整体分析时间、污染风险和校准的不便，从而导致更高的操作和维护成本。此外，液体的质量密度比气体的质量密度大几个数量级，样品密度的中间范围无法用单个嵌入通道的微流体谐振器获得[4，5，6］．在这篇论文中，我们提出了两个平行通道的微流体谐振器的简单制作，并演示了独立的样品加载和有效的样品密度调谐。

实验的细节

制造

数字1展示了所提出的带有两个嵌入式并行通道的双箝位微流体谐振器的设计和制作过程。提出的微流控谐振器是通过沉积、蚀刻和牺牲工艺用一组4英寸硅晶圆批量制造的[7，8］．采用低压化学气相沉积法(LPCVD)依次沉积氮化硅和多晶硅。其次，在多晶硅层上采用光刻和反应离子刻蚀的方法绘制微流控谐振器两个平行通道的区域。然后，另一个LPCVD氮化硅层沉积在图案多晶硅和先前沉积的氮化硅层上。第二沉积的氮化硅层定义了微流体谐振器的通道侧壁和顶盖。最后，通过氢氧化钾(KOH)蚀刻牺牲去除多晶硅图案区，同时释放微流控谐振腔。两条平行的微通道(长500 μ m，宽16 μ m，高3 μ m)集成在平纹双夹束(长500 μ m，宽56 μ m，高0.4 μ m)上。计算得到了两个并联微通道的谐振腔的基频为218.8 kHz。较大的样品递送和废物收集通道与嵌入微流体谐振器中的两个通道和在多晶硅牺牲蚀刻过程中配置的四个液体端口连接。数字2显示光学和扫描电子显微图的制造双夹紧微流体谐振器嵌入两个通道。扫描电子显微图。2D显示了在其夹紧区域附近故意损坏的谐振腔，证实了定义良好的平行通道结构。

图1
图1

制造过程。一个横断面和三维等距视图和b基于多晶硅牺牲工艺的双通道双箝位微流控谐振器的制作工艺

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图2
图2

具有两个平行通道的微流体谐振腔的光学和扫描电子显微图。一个俯视图光学显微图。b顶部和c等距视图扫描电子显微图。d扫描电子显微图，显示有意破坏的装置的两个平行通道的内部

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设备挂载

为了测量微流控谐振器的机械谐振频率(高质量因子)，利用精密数控铣床设计并制作了一种定制的片外真空夹具。即插即用式真空钳使得在每次测量后交换传感器非常实用。数字3.a显示了定制片外真空夹的3D CAD，它由两个部分(顶部和底部)组成。顶部部分展示了一个用于光学通道的透明玻璃窗和一个连接到标准KF16真空法兰的气体通风口。底部部分分别展示了四个微流控端口、四个o形环的加工区域、谐振器芯片和压电驱动器。不锈钢管连接到四个微流体端口简单地成为芯片外旁路通道，方便液体样品的加载和交换。数字3.b显示了底部，分别插入了四根不锈钢管(上)、四个o形环(中)和一个微流体谐振器(下)。一旦在底部放置了四个o形圈和一个谐振器芯片，它将通过四个螺丝和四个翼形螺母与顶部紧固，同时在两个部分之间插入一个较大的o形圈，如图所示。3.c.谐振器芯片牢固地固定在顶部的一个较大的o形环和底部的四个小o形环之间，防止了附在KF16真空法兰上的涡轮泵在运行时发生泄漏。

图3
图3

设备挂载。一个具有光学和流体接入的真空包装的三维设计。b模块化芯片支架与4个不锈钢管插入(上)，4个o型环放置(中)，并与微流控谐振器芯片(下)。单个谐振器芯片的尺寸是5毫米乘5毫米。c上(黑色)和下(米色)夹具部件装配前后

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测量

为了测试定制的真空夹，用激光多普勒振动计(MSA-500, Polytec)在部分真空和常压下收集微流体谐振器(空气存在于两个通道中)的振幅和相位响应。数据4a和b为0.062 mbar时的数据，其中基频和相应的质量因子分别为218.8 kHz和10940。数字4c显示质量因子作为真空水平和图的函数。4D表示基频处的最大振幅与真空能级的函数关系。在1atm和6.1 × 10−5mbar，共振频率分别为209.2和218.9 kHz，质量因子分别为186和15,094。在真空条件下，质量因子和最大振幅均显著提高。

图4
图4

共振谱和压力依赖性。一个振幅和b在0.062毫巴下测量的两个平行通道充满空气的微流体谐振腔的相位谱。c质量因子作为真空水平的函数。1013、0.062、6.1 × 10的标准差分别为2.85、518.59、143.17−5分别mbar。d基频共振的最大振幅与真空能级的函数关系。标准差分别为0.22,9.92,15.12 pm

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其次，对微流控谐振器的两个通道分别充满不同的液体样品进行了表征。数字5A表示两个平行通道部分或完全充满乙醇或水时的共振频移，参考两个通道均为空(充满空气)时的共振频移。对于同一对样本，考虑到重复，在加载样本时可能出现四种情况。当切换两个不同样品的注入通道时，在-24、-29和-46 kHz附近观察到的共振频率偏移有轻微的不匹配。这些差异归因于加工公差。数字5B表示共振频移是平均密度的线性函数，(ρ一个+ρB) / 2。在乙醇和空气条件下，有效样品密度低至395 kg/m3.很容易配置。正如预期的那样，通过添加更多的嵌入通道，可以进一步下调有效样本密度。

图5
图5

密度测量。一个当两个平行通道部分或完全充满乙醇或DI水时，共振频率发生偏移，参考两个通道均为空时的情况。b共振频率位移是平均样品密度的函数

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结论

本文报道了具有两个平行嵌入通道的双夹紧束谐振器的微细加工，该通道可以注入相同或不同的液体样品，也可以选择性地清空。特别是，只将液体样品注入一个通道可以显著降低有效样品密度。本文介绍的自定义片外真空夹简单地实现了两个旁路通道，方便和加快样品加载和交换，同时提供耗散最小化的环境。本文报道的微通道谐振器可用于几个有趣的应用。例如，如果两个通道中充满了两种不同温度的液体，微观热交换实验可以在平行流和逆流两种配置下进行。如果两个通道中的一个充满等离子体或磁颗粒悬浮液，则可以启用远程光热或感应加热，以便在不同的调制温度下对引入其余通道的实际液体样品进行检测。

数据和材料的可用性

在当前研究中使用和/或分析的数据集可根据合理要求从通讯作者处获得。

改变历史

  • 2020年11月20日

    本文的修订版已经发布，可以通过原文访问。

参考文献

  1. Burg T, Godin M, Knudsen SM, Shen W, Carlson G, Foster JS, Babcock K, Manalis SR(2007)液体中生物分子、单个细胞和单个纳米颗粒的称重。自然446:1066 - 1069

    文章谷歌学者

  2. Kim J, Song J, Kim K, Kim S, Song J, Kim N, Khan MF, Zhang L, Sader JE, Park K, Kim D, Thundat T, Lee J(2016)基于硅自组装的中空微管谐振器在亚atgram质量传感中的应用。纳米列托人16 (3):1537 - 1545

    文章谷歌学者

  3. Je J, Song J, Lee B, Lee J(2019)自组装无上硅结构的内部氧化和氧化蚀刻多尺度流体通道。微电机系统28(5):865-868

    文章谷歌学者

  4. Sparks D, Smith R, Straayer M, Cripe J, Schneider R, Chimbayo A, Anasari S, Najifi N(2003)使用微流控芯片测量密度和化学浓度。实验室芯片3:19-21

    文章谷歌学者

  5. Khan MF, Schmid S, Larsen PE, Davis ZJ, Yan W, Stenby EH, Boisen A(2013)悬浮微通道谐振器在线测量pL流体样品的质量密度和粘度。参议员致动器,B-Chem。185:456 - 461

    文章谷歌学者

  6. 李毅，Park K, Lee J(2013)利用悬浮微通道谐振器测量乙醇-水二元混合物的精确密度和体积收缩。参议员致动器,phys。194:622 - 666

    文章谷歌学者

  7. Khan MF, Schmid S, Davis ZJ, Dohn S, Boisen A(2011)具有集成透明流体通道的谐振悬臂的制造。Microelectron Eng 88:2300 - 2303

    文章谷歌学者

  8. Scaiola D, Stassi S, Calmo R, Maillard D, Varricchio SSG, Pastina AD, Villanueva G, Renaud P, Ricciardi C(2020)带有嵌入式流体纳米通道的夹紧-夹紧束谐振器的制备。Microelectron Eng 231:111395

    文章谷歌学者

下载参考

确认

不适用。

资金

本研究得到了韩国政府(科学和信息通信技术部)资助的韩国国家研究基金(NRF) (NRF- 2020r1a2c3004885和NRF- 2020r1a4a2002728)的支持。

作者信息

作者和联系

  1. 韩国科学技术高等学院机械工程系，韩国大田儒城区大学路291号，邮编34141

    Jungchul Lee & Bong Jae Lee

  2. 韩国高等科学技术学院极端热物理与制造中心，韩国大田34141

    Jungchul Lee & Bong Jae Lee

  3. 福里恩，埃德蒙顿，T6B2N2

    Faheem汗

  4. 布法罗大学化学与生物工程系，美国纽约14260-4200

    托马斯Thundat

作者
  1. Jungchul李
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  2. Faheem汗
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  3. 托马斯Thundat
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  4. Bong李杰从前
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贡献

JL和FK发展了这个想法并进行了实验。JL和FK分析了结果，所有作者一起起草了手稿。所有作者阅读并批准了最终稿件。

相应的作者

对应到Jungchul李。

道德声明

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版

不适用。

相互竞争的利益

作者声明他们没有竞争利益。

额外的信息

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引用这篇文章

李，J.，汗，F.， Thundat, T。et al。具有两个平行通道的微流体谐振器，用于独立样品加载和有效密度调谐。微纳系统莱特816(2020)。https://doi.org/10.1186/s40486-020-00119-8

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  • DOI：https://doi.org/10.1186/s40486-020-00119-8

关键字

  • 批量制造
  • 密度感应
  • 密度调优
  • 微流体谐振器
  • 牺牲的过程
  • 真空夹
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