Моделювання і аналіз зустрічно-штирьового перетворювача для акустофоретичного керування потоком мікрочасток в Лаб-чипах
Автор: Климкович Дмитро Богданович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Системне проектування
Інститут: Інститут комп'ютерних наук та інформаційних технологій
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2022-2023 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Климкович Д.Б., Матвійків О.М. (керівник). Моделювання і аналіз ЗШП для акустофоретичного керування потоком мікрочасток в Лаб-чипах. Maгicтepcька кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2022. Акустичне маніпулювання рідинами та нерозчинними частками як у мікро, так і в наномасштабах стало активним напрямком досліджень за останнє десятиліття. Відомо, що використання акустичних хвиль дає змогу безконтактним способом переміщувати, сортувати або змішувати мікро та наночастинки, мікробульбашки, краплі, мікрогранули чи живі клітини, залежно від їх відносної густини, стисливості чи розміру. Для розроблення ефективних акустофлюїдних пристроїв типу Лаб-чип необхідно мати джерело акустичних хвиль. Типовим пристроєм є зустрічно штирковий електромеханічний перетворювач (ЗШП), який широко використовують у мікроелектроніці, телекомунікаціях тощо. Коли на електроди ЗШП подається змінна напруга, між ними на поверхні підкладки генеруються механічні (акустичні) хвилі відповідної частоти. При поширенні поверхневих акустичних хвиль (ПАХ) в рідинне середовище, в мікроканалі за певних умов може сформуватись стояча акустична хвиля. Тоді мікро чи наночасточки, що містяться в рідині, під дією сили акустичного випромінювання спрямовуються до вузлів з нульовим тиском або до пучності і затримуються в цих місцях. Після того, як мікро/нано часточки сфокусовані, частоту та фазу ПАХ пристрою можна змінити, щоб перемістити їх. Оскільки пристрої на основі ПАХ набувають все більшої популярності у багатьох сферах: біохімії, медицині, моніторингу оточуючого середовища тощо, розроблення ефективних ЗШП є надзвичайно актуальною задачею. Для побудови ефективного ЗШП необхідно враховувати різні параметри – матеріал 1 п’єзоелектричної підкладки, товщину п’єзоелектрика, матеріал та геометрію пальців ЗШП тощо. І хоча за останні роки було досягнуто значного прогресу у розробленні та застосуванні ЗШП, ще є багато проблем які потребують дослідження. Для пришвидшення та здешевлення процесу розроблення нових пристроїв в даній роботі використано математичне моделювання засобами COMSOL Multiphysics. Метою роботи є побудова ряду моделей ЗШП та дослідження їх ефективності для акустофоретичного керування потоком мікрочасток в Лаб чипах, що в подальшому зможе бути використано у акустофлюїдних лаб-чипах для ефективного неконтактного фокусування, сортування чи розділення мікрочасток. Для досягнення мети необхідно вирішити ряд задач: • дослідити акустофлюїдні пристрої; • проаналізувати різні варіанти конструкцій ЗШП; • вибрати середовище моделювання; • розробити ряд моделей ЗШП; • дослідити розроблені моделі з точки зору їх застосування для акустофоретичного керування потоком мікрочасток в Лаб-чипах. Об’єктом дослідження є пошинення ПАХ та формування стабільного розподілу акустичного поля в мікроканалах акустофлюїдних пристроїв. Предметом дослідження є підбір конфігурації ЗШП для акустофоретичного керування потоком мікрочасток в Лаб-чипах. Методом дослідження є математичне моделювання. Новизною дослідження є розроблення ряду нових конфігурацій ЗШП для акустофоретичного керування потоком мікрочасток в Лаб-чипах. Практична цінність полягає у тому, що кращі з розроблених моделей ЗШП можна застосовувати для акустофоретичного керування потоком мікрочасток в реальних пристроях. Використання таких моделей може значно 2 пришвидшити та здешевити виробництво акустофлюїдних лаб-чипів. Особистии? внесок магістранта полягає в розробці нових конфігурацій ЗШП та аналізі ефективності їхнього функціонування. Апробація результатів роботи. На основі проведених наукових досліджень було зроблено доповідь на ХХХ-ій міжнародній українсько польській конференції «САПР у проектуванні машин. Задачі впровадження та навчання» – по темі магістерської роботи [1]. У першому розділі розглянуто типи хвиль, які використовуються у ПАХ пристроях, а саме хвилі Релея, поперечні горизонтальні хвилі, хвилі Лемба та хвилі Лява. Наведено схеми їх поширення та рівняння переміщення частинок під дією цих хвиль. Вказано, що важливу роль у проектуванні пристроїв на ПАХ відіграє вибір матеріалу підкладки та конфігурація ЗШП. Відмічено, що ЗШП можуть бути розроблені багатьма способами та різної конфігурації залежно від цільових застосувань і вимог користувача. Коротко описано основні сфери застосування технології ПАХ. У другому розділі охарактеризована базова конструкція зустрічно штирьового перетворювача, наведено співвідношення між його розмірами та довжиною акустичної хвилі, показано типове розташування двонаправлених електродів. Коротко описано принцип поширення акустичних хвиль у мікроканалі та сили, що діють на частинку в акусторідинному середовищі. Вказано на зростаючу роль моделювання у сучасному світі при розробці нових, особливо мікро- та нано- пристроїв. Наведено переваги використання моделювання у виробництві. Обґрунтовано вибір у якості середовища моделювання COMSOL Multiphysics®. Розроблена геометрія три- та двовимірної моделі, підібрано необхідні матеріали та фізичні інтерфейси.. У третьому розділі наведено результати моделювання для базової модифікації ЗШП, двох модифікацій ЗШП зі спареними пальцями та чотирьох модифікацій ЗШП з пальцями різної ширини, а саме розподіл електричного 3 потенціалу у п’єзоелектричній підкладці та розподіл акустичного тиску у мікроканалі. Проведено аналіз переваг та недоліків всіх розроблених моделей ЗШП з точки зору застосування їх для акустофоретичного керування потоком мікрочасток в Лаб-чипах. Ключові слова – акустофлюїдика, поверхневі акустичні хвилі, зустрічно штирьовий пристрій, фокусування мікрочастинок, моделювання, COMSOL Multiphysics Перелік використаних джерел. 1. Stahiv V., Matviykiv O., Klymkovych D. Analysis of the idt designs for microfluidic saw transducers // XXX International Ukrainian-Polish Conference CAD IN MACHINERY DESIGN IMPLEMENTATION AND EDUCATIONAL ISSUES Lviv, Ukraine, 1 – 2 December 2022