表面声波的选择性极化转换

声流体学是指在微纳米尺度上对流体以及浸没其中的颗粒或细胞进行主动操控，是生命科学领域的一项关键技术。声波——更准确地说，是频率远超人耳可听范围的超声波——非常适合用于此目的，因为它能够对极微小的物体进行精确可控且非接触式的操控。 IFW下属的萨克森州表面声波实验室（SAWLab Saxony）开发了一种由高频声波驱动的微流体新型机制。该方法基于对表面声波机械振动平面的主动操控，并已成功验证，可显著提升片上实验室应用中的微流体驱动性能。

表面声波（SAW）器件，如高频模拟带通滤波器和谐振器，已成为所有移动通信设备（包括无线网络、手机、蓝牙和红外信号传输）的关键组件。 萨克森州SAW实验室当前的研究重点集中在第二代和第三代表面声波应用上，即：I）在高温（>600°C）和恶劣环境下的无线、自给式传感；以及II）表面声波驱动的声流体学。

本文介绍的课题属于后者，其研究成果源于一种综合方法，该方法综合考虑了电声学基础理论、功能性薄膜以及具体的微流体应用。

利用超声波在微观尺度上对流体以及浸没其中的颗粒和细胞进行选择性、无创驱动，是当前最先进的技术。一般而言，高频机械波与流体的相互作用会产生声诱导力，可用于快速流体混合、颗粒/细胞的分选与捕获，以及气溶胶的生成。

激发超声波最常见的方法依赖于逆压电效应，即在特定固体材料中施加电场以产生机械应变。对于表面声波（SAW），电压施加在一对梳状平面电极（指状换能器，IDT）上，这些电极布置在压电基板材料（例如铌酸锂）上。 因此，声波沿基板表面传播，其穿透深度与波长量级相当。机械应变（位移振幅）由三个空间分量组成：两个平面内分量分别与传播方向平行和垂直，以及一个垂直于表面的平面外分量。此外，由于机械应变通过压电效应产生电势，因此表面声波（SAW）伴随有电场。 机械位移振幅分量与电势的分布共同构成了表面声波的极化。

基于表面声波的微流体器件通常由至少一个位于压电基板上的IDT组成，用于激发高频机械波。 流体及浸没其中的颗粒/细胞与基板表面直接接触，并被通常由聚合物制成的容器所包围。出于驱动目的，通常采用垂直极化的表面声波，因为其较大的离平面（垂直）位移振幅主要引发向流体的动量传递，从而产生声辐射力和声流。使用垂直极化表面声波存在两个主要缺点：

I) 声波在穿过容器壁时会受到严重衰减；II) 声波一接触容器内的流体，便立即与流体发生相互作用。

为克服这些缺点，IFW下属的萨克森州SAWLab基于声表面波偏振的选择性转换，发明并研究了一种替代方案。 其基本思路是激发一种剪切-水平表面声波（SAW），该声波的机械位移以垂直于SAW传播方向的平面分量为主，并在微流体通道内改变SAW的极化状态，从而启动流体驱动（图2）。