[发明专利]用于借助压电换能器移动液体的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有用于移动液体的装置的设备以及使用用于这样的装置 移动液体的方法。

背景技术

例如作为生物传感器使用的微流体系统，由于其结构大小和相对小的可用 液体容积要求具有小横截面的微型通道的系统。由于该小的横截面和相对小的 流速，使这样的系统的雷诺数(Reynolds-Zahlen)很小，雷诺数表征惰性与粘 滞力的关系，并且对无粘滞性的理想液体为无穷大。由此造成在这些通道中的 液流主要是片状的，并因此而没有充分混合。

这样的充分混合例如在生物传感器中是必要的，以使聚合酶链式反应 (Polymerasekettenreaktion，PCR)加速或还引起DNA杂交，因为这两种情况都 是扩散限制过程。

为了解决这个问题，最近建议基于铌酸锂芯片的表面波谐振器，其在 140MHz情况下以直至500mW的HF功率工作。由此产生液体的准无序的混合， 由此例如可以在几分钟内完成杂交。

然而这样的解决方案常常由于结构大小和频率范围而受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有用于移动液体的装置的设备以 及使用这样的装置的用于移动液体的方法。

该技术问题通过如权利要求1特征部分描述的设备和通过如权利要求19 特征部分描述的用于移动液体的方法来解决。

本发明的优选实施方式和其它细节在从属权利要求中给出。

根据本发明所述设备包括用于移动液体的装置，该装置具有至少一个压电 声谐振元件，和连接在压电层上的两个电极，其中压电声谐振元件这样实现， 通过借助电极在压电层上施加压力而以谐振频率激励该压电层的容积振荡，该 容积振荡在液体中传递。

这样的压电声谐振元件作为所谓的BAW(bulk acoustic wafe，体声波)谐振 器在技术上是公知的，并且被开发为适合于高频应用的无源组件，例如在移动 无线通信技术中。

与表面声波谐振器(SAW，Surface Acoustic Wafe Resonator)不同，BAW 谐振器激励压电层的声容积振荡(固体声振荡)，且没有表面波。根据压电声谐 振器的配置，被激励的压电声谐振器元件的容积振荡可以是纵向振荡和/或容积 剪切振荡。例如在六角形压电材料例如PZT(锆钛酸铅)的c轴的垂直晶体方 向下，在电极设置于底部和上部(三明治结构)的情况下得到沿压电层层厚的 纵向振荡。反之，可以得到沿着压电层的横向延伸的容积剪切振荡，其中多晶 层这样取向，使c轴在层平面中延伸。

优选本发明设备的压电声谐振元件这样工作，即激励纵向振荡。优选压电 声谐振元件工作在0.5到10GHz的频率范围内，其中产生在液体中强烈衰减的 波，该波导致液体充分混合。

优选该装置包括多个逆相(gegenphasig)控制的压电声谐振元件。由此就 是较大的液体容积也可以得到充分混合，因为通过逆相控制可以实现在液体中 的涡流以及改善的充分混合。

优选本发明装置的压电声谐振元件的大小为50到200μm。相对已有的解 决方案的重要优点在于提高了小型化的潜力，由此可以大大限制整个微流体系 统的大小。

根据本发明可以将用于移动液体的装置构成为混合装置和/或作为泵装置。 作为微型泵它们例如可以设置在通过压电声谐振元件的控制而弯曲偏转的膜 上。以优选方式压电声谐振元件的厚度为半个波长(λ/2)。

所述设备可以构造为模块。该模块可以这样构造，使得可整合在微流体系 统中，例如通过简单的推入或插入。

在压电声谐振元件的简单的实施中，将其设置于声镜上，该声镜包括多个 具有非常不同的声阻抗的层。但是压电声谐振元件也可以设置于薄膜上，该薄 膜例如可以通过对具有例如氮化或氧化覆盖层的硅片的背面腐蚀制造成腐蚀止 档。在此该设备可以被构造为微型泵，其中膜通过压电声谐振元件的控制经历 弯曲偏转，其振荡在液体中传递。

当该设备包括多个逆相控制的压电声谐振元件时，可以获得改善的泵性 能。在特别优选的实施方式中，该装置被构造为多膜反接触泵(Multi- Membran-Gegenkontaktpumpe)，其中将流体通道中在流向上先后接续的多个压 电声谐振元件设置为执行器(泵)，并且在两个压电声谐振元件之间设置了逆流 障。