TWI760078B - 平板聲波微流體結構 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種平板聲波微流體結構，其包含一壓電基板、至少一第一電極組、至少一第二電極組以及一微流體流道；第一電極組設置於壓電基板之第一面；第二電極組設置於壓電基板之第二面；微流體流道設置於壓電基板之第一面且供一微流體容置；其中，微流體內包含至少一粒子，第一電極組及第二電極組中至少其中之一被驅動使壓電基板作動於至少二平板聲波模態，當壓電基板作動於一平板聲波模態時，粒子以第一方式聲泳，當壓電基板作動於另一平板聲波模態時，粒子以第二方式聲泳。藉由改變平板聲波模態，可提升平板聲波微流體結構的應用多元性。

Description

平板聲波微流體結構

本發明是有關一種微流體結構，且尤其是有關一種應用平板聲波的平板聲波微流體結構。

微流體結構係將流體置於微小通道中，並藉由聲波振動使微流體內部產生聲壓變化而可推動微流體中的部分粒子，因而常應用於微小粒子的篩選或排列等，例如生醫領域中用以培養細胞或分析血液。相關業者於壓電基板上設置電極以將電能轉換成聲波，然壓電基板、電極與流道皆為精密結構，不但製作難度較高，且必須對應微流體中的粒子特性進行配置，一旦完成製作便僅限用於特定的部分微流體而難以做其他有效應用。

有鑑於此，如何改善聲波微流體結構，提升聲波微流體結構的應用多元性，遂成為相關業者努力的目標。

依據本發明之一實施方式提供一種平板聲波微流體結構，其包含一壓電基板、至少一第一電極組、至少一 第二電極組以及一微流體流道；前述至少一第一電極組設置於壓電基板之一第一面；前述至少一第二電極組設置於壓電基板之一第二面；微流體流道設置於壓電基板之第一面，且供一微流體容置；其中，微流體內包含至少一粒子，前述至少一第一電極組及前述至少一第二電極組中至少其中之一被驅動使壓電基板作動於至少二平板聲波模態，當壓電基板作動於一平板聲波模態時，前述至少一粒子以一第一方式聲泳，當壓電基板作動於另一平板聲波模態時，前述至少一粒子以一第二方式聲泳。

藉此，透過改變平板聲波模態，可提升平板聲波微流體結構的應用多元性。

依據前述之平板聲波微流體結構，其中壓電基板受一平板聲波作用而振動。

依據前述之平板聲波微流體結構，其中前述至少一第一電極組與前述至少一第二電極組的位置對應。

依據前述之平板聲波微流體結構，其中前述至少一第一電極組的數量可為四，四第一電極組設置於第一面且環繞微流體流道，且前述至少一第二電極組的數量可為四，各第二電極組與各第一電極組的位置對應。

依據前述之平板聲波微流體結構，其中微流體流道可包含至少一出口，前述至少一粒子以第一方式聲泳至前述至少一出口。

依據前述之平板聲波微流體結構，其中微流體流道之一截面可概呈圓弧形。

依據本發明之一實施方式提供一種平板聲波微流體結構，包含一壓電基板、至少一第一電極組、至少一第二電極組以及至少二微流體流道；至少一第一電極組設置於壓電基板之一第一面；至少一第二電極組設置於壓電基板之一第二面；至少二微流體流道設置於壓電基板之第一面；其中，各微流體內包含至少一粒子，前述至少一第一電極組及前述至少一第二電極組中至少其中之一被驅動使壓電基板作動於至少二平板聲波模態，當壓電基板作動於一平板聲波模態時，觸發前述至少二微流體流道中的其中一微流體流道，當壓電基板作動於另一平板聲波模態時，觸發前述至少二微流體流道中的所有微流體流道。

依據前述之平板聲波微流體結構，其中前述至少二微流體流道的數量可為四，且各微流體流道的尺寸不同。

依據前述之平板聲波微流體結構，其中前述至少一第一電極組與前述至少一第二電極組的位置對應。

依據前述之平板聲波微流體結構，其中前述至少一第一電極組的數量可為四，四第一電極組設置於第一面且環繞微流體流道，且前述至少一第二電極組的數量可為四，各第二電極組與各第一電極組的位置對應。

10,10a,10b,10c,10d:平板聲波微流體結構

110:第一電極組

111,112:第一指叉電極

120:第二電極組

121,122:第二指叉電極

130:壓電基板

131:第一面

132:第二面

140,140a,140b,140c,140d,140e,140f,140g:微流 體流道

141:出口

150:基體

F:微流體

H1:厚度

H2:高度

P:粒子

PAW:平板聲波

T:基板厚度

W1:寬度

X,Y,Z:軸

第1圖繪示依照本發明一第一實施例之一種平板聲波微流體結構的立體示意圖； 第2圖繪示第1圖第一實施例之平板聲波微流體結構沿剖面線2-2的剖視圖；第3A圖繪示第2圖第一實施例之平板聲波微流體結構的一局部剖視圖；第3B圖繪示第2圖第一實施例之平板聲波微流體結構的另一局部剖視圖；第3C圖繪示第2圖第一實施例之平板聲波微流體結構的又一局部剖視圖；第4A圖繪示第3A圖第一實施例之平板聲波微流體結構的一局部俯視圖；第4B圖繪示第3B圖第一實施例之平板聲波微流體結構的另一局部俯視圖；第4C圖繪示第3C圖第一實施例之平板聲波微流體結構的又一局部俯視圖；第5圖繪示依照本發明一第二實施例之一種平板聲波微流體結構的剖視圖；第6圖繪示依照本發明一第三實施例之一種平板聲波微流體結構的立體示意圖；第7圖繪示依照本發明一第四實施例之一種平板聲波微流體結構的立體示意圖；第8圖繪示依照本發明一第五實施例之一種平板聲波微流體結構的立體示意圖；以及第9圖繪示依照本發明一第六實施例之一種平板聲波微流體結構的細部放大圖。

以下將參照圖式說明本發明之實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，閱讀者應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示；並且重複之元件將可能使用相同的編號或類似的編號表示。

此外，本文中當某一元件(或機構或模組等)「連接」、「設置」或「耦合」於另一元件，可指所述元件是直接連接、直接設置或直接耦合於另一元件，亦可指某一元件是間接連接、間接設置或間接耦合於另一元件，意即，有其他元件介於所述元件及另一元件之間。而當有明示某一元件是「直接連接」、「直接設置」或「直接耦合」於另一元件時，才表示沒有其他元件介於所述元件及另一元件之間。而第一、第二、第三等用語只是用來描述不同元件或成分，而對元件/成分本身並無限制，因此，第一元件/成分亦可改稱為第二元件/成分。且本文中之元件/成分/機構/模組之組合非此領域中之一般周知、常規或習知之組合，不能以元件/成分/機構/模組本身是否為習知，來判定其組合關係是否容易被技術領域中之通常知識者輕易完成。

請參照第1圖及第2圖，其中，第1圖繪示依照本發明第一實施例之一種平板聲波微流體結構10的立體示意圖；第2圖繪示第1圖實施例之平板聲波微流體結構 10沿剖面線2-2的剖視圖。由第1圖及第2圖可知，平板聲波微流體結構10包含一壓電基板130、至少一第一電極組110、至少一第二電極組120以及一微流體流道140；前述至少一第一電極組110設置於壓電基板130之一第一面131；前述至少一第二電極組120設置於壓電基板130之一第二面132；微流體流道140設置於壓電基板130之第一面131，且供一微流體F容置；其中，微流體F內包含至少一粒子P，前述至少一第一電極組110及前述至少一第二電極組120中至少其中之一被驅動使壓電基板130作動於至少二平板聲波模態，當壓電基板130作動於一平板聲波模態時，前述至少一粒子P以一第一方式聲泳，當壓電基板130作動於另一平板聲波模態時，前述至少一粒子P以一第二方式聲泳。

藉此，透過改變平板聲波模態，可提升平板聲波微流體結構10的應用多元性。

在製程上，可以是於一基體150的底部製成特定形狀之開口槽，再將基體150設置於壓電基板130後，開口槽與壓電基板130之間所形成之空間即是微流體流道140，基體150可以是高分子有機矽化物(PDMS)，且可例如是使用微機電系統技術(Microelectromechanical Systems；MEMS)製作。平板聲波微流體結構10的壓電基板130的基板厚度T小至足以受平板聲波PAW作用而產生振動，例如小於數釐米，於其他實施例中，壓電基板的基板厚度可在設計時根 據欲進行篩選或控制的粒子尺寸與特性而改變，然不以此限制本發明。

於本實施例中，平板聲波微流體結構10的第一電極組110的數量可為四，四第一電極組110設置於第一面131且環繞微流體流道140，第二電極組120的數量可為四，且各第二電極組120與各第一電極組110的位置可於二維方向，例如於X軸-Y軸上互相對應，其中對應可指位置完全相同或有偏移錯位但仍是以相同的對稱方式排列。在其他實施例中，第一電極組與第二電極組的數量可依實際應用改變，且第一電極組與第二電極組可呈不對稱配置，不同的電極組配置具有不同的聲波頻譜，藉由改變電極組的配置，於相同輸入訊號情況下，亦可激發出不同的平板聲波模態。各電極組的配置與數量可視實際運用情況改變，不以此限制本發明。

如第1圖所示，各第一電極組110可包含二第一指叉電極111、112，於接收訊號後建立電場，壓電基板130受電場作用而產生耦合振動，以發出平板聲波PAW，並傳遞至微流體流道140，微流體F受平板聲波PAW推動而形成聲壓節點和聲射流，改變訊號可使得微流體F中的部分粒子P受不同聲壓、聲射流或其他可引起聲泳效應之作用影響而產生不同的聲泳行為，不以上述為限。如第2圖所示，各第二電極組120亦包含二第二指叉電極121、122，分別與第一指叉電極111、112對應設置，換句話說，各第一指叉電極111對應各第二指叉電極121，各第 一指叉電極112對應各第二指叉電極122。

請參照第3A圖及第4A圖，並請一併參考第2圖，其中，第3A圖繪示第2圖實施例之平板聲波微流體結構10的局部剖視圖，此時僅第一電極組110接收訊號；第4A圖繪示第3A圖第一實施例之平板聲波微流體結構10的一局部俯視圖。本實施例中，壓電基板130於第一電極組110與第二電極組120接收不同訊號時可作動於三種平板聲波模態，而第3A圖及第4A圖繪示第一種平板聲波模態。由第3A圖可知，單獨輸入訊號於第一電極組110時，各第一指叉電極111、112接受訊號並建立第一種電場，使壓電基板130被作動於第一種平板聲波模態，微流體F中的複數粒子P以第一方式聲泳，呈現如第4A圖中的第一種排列方式。

請參照第3B圖及第4B圖，並請一併參考第2圖，其中，第3B圖繪示第2圖實施例之平板聲波微流體結構10的局部剖視圖，且第一電極組110及第二電極組120接收相位相同的訊號；第4B圖繪示第3B圖第一實施例之平板聲波微流體結構10的另一局部俯視圖。由第3B圖及第4B圖可知，第一電極組110與第二電極組120同時輸入相同相位的訊號，意即各第一指叉電極112與各第二指叉電極122相位相同，且各第一指叉電極111與各第二指叉電極121相位相同，使壓電基板130被作動於第二種平板聲波模態，且微流體F中的複數粒子P以第二方式聲泳，而呈現如第4B圖中的第二種排列方式。

請參照第3C圖及第4C圖，並請一併參考第2圖，其中，第3C圖繪示第2圖實施例之平板聲波微流體結構10的局部剖視圖，且第一電極組110及第二電極組120接收相位相反的訊號；第4C圖繪示第3C圖第一實施例之平板聲波微流體結構10的又一局部俯視圖。由第3C圖及第4C圖可知，於第一電極組110與第二電極組120分別輸入相反的訊號時，意即各第一指叉電極112與各第二指叉電極122相位相反，且各第一指叉電極111與各第二指叉電極121相位相反，此時壓電基板130被作動於第三種平板聲波模態，微流體F中的複數粒子P則以第三方式聲泳，而呈現如第4C圖中的第三種排列方式。綜上所述，在相同第一電極組110與第二電極組120的配置下，透過改變訊號可切換平板聲波模態，並改變微流體F中粒子P的聲泳方式，另外，輸入訊號的頻率、波長等亦會影響所激發的平板聲波模態。

請參照第5圖，第5圖繪示依照本發明一第二實施例之一種平板聲波微流體結構10a的剖視圖。由第5圖可知，微流體流道140是設置於基體150的內部而非底部，微流體流道140具有一寬度W1、一厚度H1及相對於壓電基板130的一高度H2，於本實施例中，寬度W1、厚度H1及高度H2均可小於數釐米。在設計時，可依據不同的微流體F及粒子的特性，以及所欲進行之聲泳而改變微流體流道140的尺寸、形狀或位置。另外，基體150的總高度亦會影響所激發的平板聲波模態，第一電極組、第二 電極組受訊號激發之行波向上傳遞遇到空氣介面反彈相干涉形成駐波，微流體F中較高位置的聲壓分佈不受限於壓電基板130節點位置，轉而由激發頻率控制其橫向節點距離，並且可使接近基體150頂部區域之粒子受縱向駐波移動至縱向位置，呈現縱向分布。

請參照第6圖及第7圖，其中，第6圖繪示依照本發明一第三實施例之一種平板聲波微流體結構10b的部分立體示意圖；第7圖繪示依照本發明一第四實施例之一種平板聲波微流體結構10c的部分立體示意圖，且為求圖面簡潔，第6圖及第7圖中僅繪示微流體流道140a、140b分別設置於壓電基板130的示意圖。由第6圖及第7圖可知，微流體流道140a、140b之一截面可概呈圓弧形，意即，於Y軸-Z軸平面上呈現半圓弧形，然微流體流道140a實際上呈一半球形，而微流體流道140b實際上呈一半圓柱形，由第一電極組或第二電極組中至少一者所激發出的平板聲波PAW會因微流體流道140a、140b的形狀不同而影響入射角度並產生不同的高度節點，進而使微流體流道140a、140b中的粒子受不同的力量作用而產生不同變化。於其他實施例中，微流體流道的截面可視實際欲控制的粒子特性而變化，例如曲線、曲面狀等，並不依此限制本發明。

請參照第8圖，其中，第8圖繪示依照本發明一第五實施例之一種平板聲波微流體結構10d的立體示意圖，為求圖面簡潔，第8圖中並未繪示第一電極組與第二電極 組。由第8圖可知，平板聲波微流體結構10d包含至少二微流體流道140c、140d、140e、140f，當壓電基板130作動於一平板聲波模態時，觸發至少二微流體流道140c、140d、140e、140f中的其中一微流體流道(例如微流體流道140c)，當壓電基板130作動於另一平板聲波模態時，觸發至少二微流體流道140c、140d、140e、140f中的所有微流體流道140c、140d、140e、140f。於本實施例中，微流體流道140c、140d、140e、140f的數量為四，由於不同尺寸之微流體流道140c、140d、140e、140f的共振頻率不同，故藉由改變輸入訊號可選擇性觸發各微流體流道140c、140d、140e、140f中的至少一者或同時觸發多者，例如單獨觸發微流體流道140c，或同時觸發微流體流道140d、140e，甚至同時觸發微流體流道140c、140d、140e及140f；於其他實施例中，微流體流道的數量、尺寸、形狀及相對位置可依實際需求改變，不以此限制本發明。

請參考第9圖，第9圖繪示依照本發明一第六實施例之一種平板聲波微流體結構的細部放大圖，且僅繪示微流體流道140g的細部放大圖。由第9圖可知，微流體流道140g可包含至少一出口141，當壓電基板作動於一平板聲波模態時，至少一粒子P以第一方式聲泳到至少一出口141；而當壓電基板作動於另一平板聲波模態時，粒子P以第二方式聲泳到另一出口141，如第9圖所示，微流體流道140g可包含三出口141，而於一平板聲波模態 時，粒子P可以聲泳至最左及最右的出口141。於其他實施例中，各出口亦可於垂直方向呈現高低落差，藉由不同的平板聲波模態可使微流體中的不同粒子分別聲泳至不同出口，且在其他應用領域中，聲波微流體流道亦可為封閉式腔體而不具有任何出口，然不依此限制本發明。

綜上所述，透過改變第一電極組及第二電極組的配置、改變輸入訊號或改變微流體流道的結構以切換平板聲波模態，可提升平板聲波微流體結構的應用多元性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10:平板聲波微流體結構

110:第一電極組

111,112:第一指叉電極

130:壓電基板

140:微流體流道

150:基體

X,Y,Z:軸

Claims (10)

1. 一種平板聲波微流體結構，包含：一壓電基板；一基體，設置於該壓電基板之一第一面；至少一第一電極組，設置於該壓電基板之該第一面；至少一第二電極組，設置於該壓電基板之一第二面；以及一微流體流道，設置於該基體的內部且具有一寬度、一厚度及相對於該壓電基板的一高度，該高度大於零，且該微流體流道供一微流體容置；其中，該微流體內包含至少一粒子，該至少一第一電極組及該至少一第二電極組中至少其中之一被驅動使該壓電基板作動於至少二平板聲波模態，當該壓電基板作動於一該平板聲波模態時，該至少一粒子以一第一方式聲泳，當該壓電基板作動於另一該平板聲波模態時，該至少一粒子以一第二方式聲泳。
2. 如請求項1所述之平板聲波微流體結構，其中該壓電基板受一平板聲波作用而振動。
3. 如請求項1所述之平板聲波微流體結構，其中該至少一第一電極組與該至少一第二電極組的位置對應。
4. 如請求項3所述之平板聲波微流體結構，其中該至少一第一電極組的數量為四，四該第一電極組設置於該第一面且環繞該微流體流道，且該至少一第二電極組的數量為四，各該第二電極組與各該第一電極組的位置對應。
5. 如請求項1所述之平板聲波微流體結構，其中該微流體流道包含至少一出口，該至少一粒子以該第一方式聲泳至該至少一出口。
6. 如請求項1所述之平板聲波微流體結構，其中該微流體流道之一截面概呈圓弧形。
7. 一種平板聲波微流體結構，包含：一壓電基板；至少一第一電極組，設置於該壓電基板之一第一面；至少一第二電極組，設置於該壓電基板之一第二面；以及至少二微流體流道，設置於該壓電基板之該第一面；其中，該至少一第一電極組及該至少一第二電極組中至少其中之一被驅動使該壓電基板作動於至少二平板聲波模態，當該壓電基板作動於一該平板聲波模態時，觸發該至少二微流體流道中的其中一該微流體流道，當該壓電基板作動於另一該平板聲波模態時，觸發該至少二微流體流道 中的所有該微流體流道。
8. 如請求項7所述之平板聲波微流體結構，其中該至少二微流體流道的數量為四，且各該微流體流道的尺寸不同。
9. 如請求項7所述之平板聲波微流體結構，其中該至少一第一電極組與該至少一第二電極組的位置對應。
10. 如請求項9所述之平板聲波微流體結構，其中該至少一第一電極組的數量為四，四該第一電極組設置於該第一面且環繞該微流體流道，且該至少一第二電極組的數量為四，各該第二電極組與各該第一電極組的位置對應。

Images