应用于微纳米颗粒的MEMS超声分离装置的研究

摘要

在对生物微粒进行分析或检测时，其第一步就是将生物微粒从其所处介质中分离出来，因此一种高效、无污染的分离技术是十分关键的。与其它微纳米颗粒的分离技术相比，超声分离技术具备操作连续、可保证微粒的活性以利于后步处理，并且可分离非电性及非磁性粒子等优点，因此适用于生物微粒的分离或操纵。随着MEMS技术的迅速发展，采用微制造技术制造的MEMS器件在体积、重量、成本等方面，都具有十分明显的优势，这为超声分离器件的设计和制造带来了全新的思路。基于MEMS技术的超声分离装置可实现器件的微型化及芯片化，并为今后在同一芯片上实现生物微粒的检测提供基础。本文提出了一种新型的应用于微纳米颗粒的MEMS超声分离装置，并对微装置进行了分析研究。 本文在对微粒的超声分离理论进行研究的基础上，详细分析了MEMS超声分离器件中微粒的受力情况，给出了微粒受力的一维解析模型，在此基础上研究了微粒在流体介质中的运动与聚集情况，并讨论了影响微粒受力、运动的各个因素。在对MEMS器件各部分结构振动特性进行分析的基础上，完成了器件的设计，确定了器件的加工工艺流程，实现了MEMS超声分离器件的制造。文中采用解析分析方法与有限元分析方法相结合的方式，对器件的工作模式与声场分布进行了分析。其中器件中的声场分为两部分进行研究，即器件中微型薄膜振动所激发的声场与流体介质造成的声衰减，在两部分的分析结果基础上，得出了微型超声器件中决定微粒分离的有效声压，从而在此基础上对不同种类生物微粒的分离效果进行了讨论，最后，本文对整个课题的工作进行了总结，并提出了今后需要进一步研究和发展的方向。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、缩写与符号说明

声明

第一章绪论

1.1 MEMS概述与应用前景

1.2 微型流体分析系统

1.3 微粒分离技术

1.4 超声分离技术

1.5 本文的研究目的和内容

第二章超声分离原理与相关分析

2.1 超声驻波场中微粒所受作用力

2.1.1 超声驻波场中的声辐射力

2.1.2 液体介质对微粒的粘滞阻力

2.1.3 微粒所受重力与浮力的合力

2.2 超声-重力耦合场中作用于微粒的合力

2.3 超声-重力耦合场中微粒的运动与聚集

2.4 本章小结

第三章MEMS超声分离器件的设计与微制造

3.1 MEMS超声分离器件的设计

3.2 MEMS超声分离器件的微制造过程

3.2.1 硅片的清洗处理

3.2.2 器件制造中的薄膜工艺

3.2.3 器件制造中的光刻工艺

3.2.4 器件制造中的金属溅射工艺

3.2.5 器件制造中的反应离子刻蚀工艺

3.2.6 器件制造中的湿法腐蚀工艺

3.2.7 器件制造中的金属掩膜去除工艺

3.2.8 器件制造中的键合工艺

3.2.9 器件制造中的后处理工艺

3.3 本章小结

第四章MEMS超声分离器件的特性分析

4.1 MEMS超声分离器件的振动分析

4.2 氮化硅薄膜振动所激发的声场

4.3 微器件中流体对氮化硅薄膜振动的衰减作用

4.3.1 Navier-Stokes方程与Reynolds方程

4.3.2 矩形薄膜振动的衰减声压与衰减力

4.4 MEMS超声分离器件中的声场

4.5 MEMS超声分离器件中不同微粒的受力情况

4.6 本章小结

第五章全文总结与展望

5.1 本文主要研究工作

5.2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢