基于MEMS压电谐振器的单片集成式微粒声流富集及液相传感技术

近日，合肥工业大学钱金贵副研究员联合英国诺森比亚大学傅永庆教授、澳大利亚悉尼科技大学Joshua E.-Y. Lee教授等课题组，在物理学著名期刊《Applied Physics Reviews》在线发表了题为“Integrated functions of microfluidics and gravimetric sensing enabled by piezoelectric driven microstructures”的研究成果。该论文获得主编推荐（Featured Article），并受到美国物理学联合会《科学之光》（AIP Scilight）专访报道。合肥工业大学硕士研究生王越和香港城市大学Habiba Begum博士亦为本文主要贡献作者。

微纳机电谐振器是质量精准测量的重要工具，在生物传感、化学分析和环境监测等多个领域有着广泛应用。然而，该领域一直面临着诸多挑战，包括克服流体阻尼和电气接口问题，以及如何高效地将微分析物引入谐振器的传感检测区域，以满足高通量所需的精度和规模。针对这些难题，本研究提出了一种基于压电MEMS薄膜谐振器（PMDR）的自激局域化声学操纵方法。PMDR成功地将声学操控和质量传感功能集成于一体，能够在数十秒内使微颗粒聚集到最灵敏的区域，通过提高捕获率和实现均匀分布，有效降低了微量分析物的液相质量传感检测限。

具体来说，PMDR采用横向（2,0）谐振模态，基于氮化铝（AlN）压电薄膜结构，将兆赫兹级射频信号转化为高频谐振机械波，作为声流体的局域声波源，以无标签、无接触的方式对片上液滴内的微物质进行声学操控，使其聚集在传感器的高灵敏度区域。PMDR的微制造工艺遵循标准的AlN-on-SOI流程，采用全锚定式隔膜结构，确保顶部和底部完全密封，有效防止了声学操控过程中液滴的泄露，满足了声流体对器件结构的特殊要求。如图3所示，PMDR由四个90°扇形电极构成，激发产生横向（2,0）谐振模态，其全差分配置有效减少了射频信号的寄生馈通，增强了液相测量时谐振的电学特性。器件的结构组成包括400 μm厚的硅基底、1 μm厚的埋氧化层、10 μm厚的硅器件层、0.2 μm厚的二氧化硅层以及0.5 μm厚的AlN压电薄膜。

图3 PMDR的设计、制造与工作原理示意图

图4 PMDR声流体辅助液相质量传感

实验进一步发现，在相同类型微粒的情况下，频移与微粒浓度成正比；而在相同浓度下，频移又与微粒的材料密度成正比。如图5所示，不同浓度的PMMA微粒（分别为0.1875 mg/mL、0.375 mg/mL、0.75 mg/mL）在PMDR表面的四个扇区中均出现明显聚集，其对应的频移量分别为0.625 kHz、1.25 kHz、2.5 kHz，分数频移分别为0.068%、0.136%、0.272%。此外，相同浓度（0.75 mg/mL）的不同微粒样品（PS、PMMA、Silica）也都明显聚集在PMDR表面的四个扇形电极区域，对应的频率偏移分别为1.48 kHz、2.37 kHz、3.82 kHz，分数频移分别为0.016%、0.258%、0.415%。

图5 基于PMDR的微量分析物浓度、密度测定

原文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0225891