表面聲波的選擇性偏振轉換

聲流體學是指在微米與奈米尺度上主動操控流體以及浸沒其中的微粒或細胞，是生命科學領域的一項關鍵技術。聲波——更精確地說，是頻率高於可聽範圍的超音波——非常適合用於此目的，因為它們能夠對極微小的物體進行精確可控且非接觸式的操控。 IFW 轄下的薩克森州表面聲波實驗室（SAWLab Saxony）已開發出一種由高頻聲波驅動的微流體學新機制。該方法基於主動操控表面聲波的機械振動平面，並已成功驗證能顯著提升「晶片實驗室」應用中的微流體驅動效能。

表面聲波（SAW）裝置，例如高頻類比帶通濾波器和諧振器，早已成為所有行動通訊裝置的關鍵元件，涵蓋無線網路、行動電話、藍牙及紅外線訊號傳輸等領域。 薩克森州表面聲波實驗室（SAWLab Saxony）當前的研究重點在於第二代與第三代表面聲波應用，即：I) 在高溫（>600°C）及惡劣環境下進行無線、自給自足的感測，以及 II) 由表面聲波驅動的聲流體學。

本文所探討的主題屬於後者，其研究成果源自於一種綜合性方法，該方法同時考量了電聲學基礎原理、功能性薄膜以及特定的微流體應用。

利用超音波在微米尺度上對流體以及浸沒其中的微粒和細胞進行選擇性且非侵入性的驅動，是當今最先進的技術。一般而言，高頻機械波與流體的相互作用會產生聲學誘導力，可用於快速流體混合、微粒／細胞的分選與捕獲，以及氣溶膠的生成。

激發超音波最常見的方法是利用逆壓電效應，即透過施加電場，在特定固體材料中產生機械應變。就表面聲波（SAW）而言，電壓會施加於一對梳狀平面電極（指狀換能器，IDT）上，這些電極佈置在壓電基板材料（例如鈮酸鋰）上。 因此，聲波沿著基板表面傳播，其穿透深度約為波長量級。機械應變（位移振幅）由三個空間分量組成，即兩個分別與傳播方向平行及垂直的平面內分量，以及一個垂直於表面的平面外分量。此外，由於機械應變會因壓電效應產生電勢，因此表面聲波會伴隨電場。 機械位移振幅分量與電勢的分布，共同構成了表面聲波的極化。

基於表面聲波的微流體裝置，大多由至少一個設置在壓電基板上的 IDT 構成，用於激發高頻機械波。 流體及浸沒其中的微粒／細胞直接接觸基板表面，並被通常由聚合物製成的容器所包圍。基於驅動目的，通常採用垂直極化的表面聲波，因其具有較大的出平面（垂直）位移振幅，這主要會引發動量向流體的傳遞，從而產生聲輻射力和聲流。使用垂直極化的表面聲波伴隨著兩大缺點：

I) 聲波在穿過容器壁時會遭受強烈衰減；II) 聲波一接觸容器內的流體，便立即與流體產生相互作用。

為克服這些缺點，IFW 薩克森州 SAWLab 基於聲波微波（SAW）偏振的選擇性轉換，發明並研究了一種替代方案。 其基本構想是激發一種以水平剪切型表面聲波（SAW）為主的波，其機械位移的主要成分為平面內分量，且方向垂直於表面聲波的傳播方向；並在微流體管腔內改變表面聲波的偏振狀態，藉此啟動流體驅動（圖 2）。