بهبود آکوستوفورز و دستورزی ذرات با تفکیک اندازه با استفاده از سامانه صوتسیال دارای تیغههای تقویتکننده
پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1079-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
1دانشگاه تربیت مدرس دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر گروه الکترونیک تهران ایران
2دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
یک سامانهی صوتسیال مبتنی بر موج صوتی سطحی ایستاده (SSAW) با ساختار شامل تیغههای تقویتکننده طراحی و ساخته شد تا دستورزی ذرات میکروسکوپی بهصورت انتخابی بر اساس اندازه با کارایی بالا انجام گیرد. این سامانه از جفتالکترودهای شانهای (IDTs) الگوگذاریشده بر روی بستر لیتیوم نایوبات (LiNbO₃) و یک ریزکانال از جنس PDMS تشکیل شده است که در کف آن رزوناتورهای تیغهای SU-8 تعبیه شدهاند. این تیغهها موجب افزایش موضعی شدت میدان صوتی شده و گرادیان فشار قویتر و تشکیل گردابههای سیالی مؤثرتری را به همراه دارند.
دستگاه در فرکانس 9.87 مگاهرتز و با استفاده از ذرات پلیاستایرن با قطرهای 0.2، 0.5 و 2.5 میکرومتر، تحت دبیهای 1 تا 5 میکرولیتر بر دقیقه و ولتاژ تحریک تا 15 ولت، بهصورت تجربی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که رفتار آکوستوفورزی ذرات بهطور قابل تنظیم و وابسته به اندازه بوده و توسط برهمکنش میان نیروی تابشی صوتی و نیروی پسا ناشی از جریانهای القایی کنترل میشود. ذرات زیرمیکرونی گردشهای مشخصی در نزدیکی لبهی تیغهها نشان دادند، در حالیکه ذرات بزرگتر عمدتاً در نواحی گرههای فشار، بهواسطهی غلبهی نیروی تابشی، به دام افتادند و راندمان تمرکز تا حدود 83 درصد حاصل شد.
ساختار تیغهها بهطور چشمگیری موجب افزایش تمرکز انرژی و کوپلهشدن مؤثرتر امواج صوتی گردید و امکان دستورزی کارآمد ذرات را در توانهای تحریک پایین فراهم کرد. این پیکربندی SSAW تقویتشده با تیغه، بستری فشرده، مقیاسپذیر و کممصرف برای تمرکز و جداسازی بدون نیاز به نشانهگذاری ذرات در سامانههای آزمایشگاه روی تراشه و کاربردهای زیستی ـ پزشکی فراهم میکند.
دستگاه در فرکانس 9.87 مگاهرتز و با استفاده از ذرات پلیاستایرن با قطرهای 0.2، 0.5 و 2.5 میکرومتر، تحت دبیهای 1 تا 5 میکرولیتر بر دقیقه و ولتاژ تحریک تا 15 ولت، بهصورت تجربی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که رفتار آکوستوفورزی ذرات بهطور قابل تنظیم و وابسته به اندازه بوده و توسط برهمکنش میان نیروی تابشی صوتی و نیروی پسا ناشی از جریانهای القایی کنترل میشود. ذرات زیرمیکرونی گردشهای مشخصی در نزدیکی لبهی تیغهها نشان دادند، در حالیکه ذرات بزرگتر عمدتاً در نواحی گرههای فشار، بهواسطهی غلبهی نیروی تابشی، به دام افتادند و راندمان تمرکز تا حدود 83 درصد حاصل شد.
ساختار تیغهها بهطور چشمگیری موجب افزایش تمرکز انرژی و کوپلهشدن مؤثرتر امواج صوتی گردید و امکان دستورزی کارآمد ذرات را در توانهای تحریک پایین فراهم کرد. این پیکربندی SSAW تقویتشده با تیغه، بستری فشرده، مقیاسپذیر و کممصرف برای تمرکز و جداسازی بدون نیاز به نشانهگذاری ذرات در سامانههای آزمایشگاه روی تراشه و کاربردهای زیستی ـ پزشکی فراهم میکند.
کلیدواژه ها
Title
Enhanced Acoustophoresis Size-Selective Particle Manipulation Utilizing Ridge-included Acoustofluidics
Authors
Negar Alamdari, Behdad Barahimi, Elahe Hosseini, sara darbari, mohammad kazem morravej farshi
Abstract
A ridge-included standing surface acoustic wave (SSAW) acoustofluidic device was designed and fabricated for efficient size-selective manipulation of microparticles. The system integrates interdigital transducers (IDTs) patterned on a LiNbO₃ substrate with a PDMS microchannel incorporating SU-8 ridge resonators. These ridges locally enhance the acoustic field intensity, promoting stronger pressure gradients and vortex formation. Operating at 9.87 MHz, the device was experimentally characterized using polystyrene particles of 0.2, 0.5, and 2.5 µm diameters under flow rates of 1–5 µL min⁻¹ and excitation voltages up to 15 V. Results demonstrated tunable, size-dependent acoustophoretic behavior governed by the interplay between acoustic radiation and streaming-induced drag forces. Submicron particles exhibited pronounced circulation near ridge edges, while larger particles showed radiation-dominated trapping with efficiencies up to 83 %. The ridge structures significantly enhanced energy localization and acoustic coupling, enabling effective manipulation at relatively low power levels. This ridge-enhanced SSAW configuration provides a compact, scalable, and energy-efficient platform for label-free particle focusing and separation in lab-on-a-chip and biomedical applications.
Keywords
Standing Surface Acoustic Wave, Acoustofluidics, Ridge-included, Sub-micron Particle, Acoustic Fields Enhancement