用于细胞导入的MEMS聚焦超声波器件的研究

摘要

MEMS超声波换能器具有小型化，功耗低，易于阵列化等特点。目前在超声成像，光声成像，检测探伤等领域具有很好的应用前景。将MEMS超声波换能器与微流体管道集成，构成MEMS超声微流体系统，有望实现微流体环境下的局域超声空化，利用空化产生的局域高温、高压和冲击波进行微流体环境下的细胞DNA导入和药物的精准输送。这种细胞导入方法无需强电场或生化试剂，不改变细胞生存环境;而且聚焦超声波不直接作用在细胞上，细胞存活率高和导入成功率均优于目前单细胞导入所用的电穿孔技术，能够满足日益增长的单细胞操作和精确分析的需求。该领域的研究正在兴起，把这个设想变为现实并走向实用的瓶颈在于研制出与微流体能量匹配并能集成在微管道上的超声波换能器。
　　为了探索解决这个难题的途径，本文提出了一种基于柔性基底压电薄膜的跨尺度的MEMS聚焦超声波换能器，并与微管道集成，构成MEMS超声微流体系统。其核心部分是碗状曲面压电薄膜结构，具有自动聚焦超声波的功能。这样，利用较低的输入电压和功率，就可在微管道内的某些局域得到超过空化阈的声压。通过数值计算，验证了曲面结构在超声波聚焦方面的优越性，并研究了其结构参数对器件谐振频率的影响。
　　制作这种跨尺度的碗状曲面结构是研制MEMS聚焦超声波换能器的一个难点。本文采用一种新颖的软-硬结合的压印工艺，在聚酰亚胺薄膜上制出碗形自聚焦微结构阵列。该工艺具有简单、经济、尺寸和曲率精密可控的优点。
　　然后，在碗形自聚焦微结构阵列上，利用磁控溅射制备氧化锌压电薄膜，得到柔性基底的MEMS聚焦超声波换能器阵列。为此，首先系统地研究了磁控溅射制备氧化锌压电薄膜的工艺。通过对研究磁控溅射关键工艺参数（气压、功率、气体流量等）及不同衬底材料对氧化锌薄膜的择优取向，沉积速率，晶粒尺寸和内应力的影响，得到了锌压电薄膜制备的最优工艺参数，制作出各方面性能优良的碗状曲面氧化锌压电薄膜。
　　最后，将柔性基底的MEMS聚焦超声波换能器阵列与PDMS微管道组装，得到超声基因递送的微流体芯片，并进行了初步的超声波细胞导入实验。实验证实了采用MEMS聚焦超声换能器阵列在微流体环境下进行基因导入的可行性和有效性。实验发现，细胞导入的成功效率随开启的超声波换能器的数量的增加而增加，说明这种细胞导入方法具有实现较高的导入成功率的潜力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 MUT国内外研究现状

1．2．1 MUT在超声成像领域的研究

1．2．2 MUT在指纹识别方面的应用

1．2．3 MUT在光声成像中的研究

1．2．4 MUT在基因导入与药物递送领域的研究

1．3 本文主要研究内容及意义

1．4 本章小结

第二章 曲面压电薄膜超声换能器的设计和仿真

2．1 压电效应的历史与发展

2．2 压电振动基础

2．2．1 描述压电效应的物态方程

2．2．2 常见压电材料及其特点

2．2．3 压电振子的振动形式

2．3 曲面压电结构的优越性

2．4 PMUT谐振频率的设计

2．4．1 谐振频率的理论计算

2．4．2 谐振频率的数值计算

2．5 本章小结

第三章 超声换能器阵列的加工

3．1 球冠结构的加工

3．1．1 球冠结构加工方法概述

3．1．2 压印法球冠结构的加工

3．1．3 改进的钢珠压印方法

3．2 上下电极和氧化锌的制作

3．2．1 常用的氧化锌沉积方法磁控溅射的特点

3．2．2 氧化锌溅射的最佳条件的摸索

3．3 磁控溅射基底材料的选择

3．4 内凹曲面换能器的制作

3．5 微管道的制作及系统集成

3．5．1 软压印方法的特点

3．5．2 芯片键合与系统组装

3．6 本章小结

第四章 超声换能器阵列的测试和实验

4．1 氧化锌的表征

4．1．1 表面粗糙度和截面的SEM表征

4．1．2 氧化锌薄膜的择优取向表征

4．1．3 电学参数的测量

4．2 换能器振动性能的表征

4．2．1 测量装置

4．2．2 厚度的影响

4．2．3 曲率半径的影响

4．2．4 驱动电压的影响

4．3 微管道内的基因导入实验

4．3．1 实验装置与步骤

4．3．2 实验结果与分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 研究总结

5．2 下一步工作计划

参考文献

致谢

攻读硕士期间科研成果