本文關鍵詞：用于細胞導入的MEMS聚焦超聲波器件的研究

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【摘要】：MEMS超聲波換能器具有小型化,功耗低,易于陣列化等特點。目前在超聲成像,光聲成像,檢測探傷等領域具有很好的應用前景。將MEMS超聲波換能器與微流體管道集成,構成MEMS超聲微流體系統(tǒng),有望實現(xiàn)微流體環(huán)境下的局域超聲空化,利用空化產生的局域高溫、高壓和沖擊波進行微流體環(huán)境下的細胞DNA導入和藥物的精準輸送。這種細胞導入方法無需強電場或生化試劑,不改變細胞生存環(huán)境：而且聚焦超聲波不直接作用在細胞上,細胞存活率高和導入成功率均優(yōu)于目前單細胞導入所用的電穿孔技術,能夠滿足日益增長的單細胞操作和精確分析的需求。該領域的研究正在興起,把這個設想變?yōu)楝F(xiàn)實并走向實用的瓶頸在于研制出與微流體能量匹配并能集成在微管道上的超聲波換能器。為了探索解決這個難題的途徑,本文提出了一種基于柔性基底壓電薄膜的跨尺度的MEMS聚焦超聲波換能器,并與微管道集成,構成MEMS超聲微流體系統(tǒng)。其核心部分是碗狀曲面壓電薄膜結構,具有自動聚焦超聲波的功能。這樣,利用較低的輸入電壓和功率,就可在微管道內的某些局域得到超過空化閾的聲壓。通過數(shù)值計算,驗證了曲面結構在超聲波聚焦方面的優(yōu)越性,并研究了其結構參數(shù)對器件諧振頻率的影響。制作這種跨尺度的碗狀曲面結構是研制MEMS聚焦超聲波換能器的一個難點。本文采用一種新穎的軟-硬結合的壓印工藝,在聚酰亞胺薄膜上制出碗形自聚焦微結構陣列。該工藝具有簡單、經(jīng)濟、尺寸和曲率精密可控的優(yōu)點。然后,在碗形自聚焦微結構陣列上,利用磁控濺射制備氧化鋅壓電薄膜,得到柔性基底的MEMS聚焦超聲波換能器陣列。為此,首先系統(tǒng)地研究了磁控濺射制備氧化鋅壓電薄膜的工藝。通過對研究磁控濺射關鍵工藝參數(shù)(氣壓、功率、氣體流量等)及不同襯底材料對氧化鋅薄膜的擇優(yōu)取向,沉積速率,晶粒尺寸和內應力的影響,得到了鋅壓電薄膜制備的最優(yōu)工藝參數(shù),制作出各方面性能優(yōu)良的碗狀曲面氧化鋅壓電薄膜。最后,將柔性基底的MEMS聚焦超聲波換能器陣列與PDMS微管道組裝,得到超聲基因遞送的微流體芯片,并進行了初步的超聲波細胞導入實驗。實驗證實了采用MEMS聚焦超聲換能器陣列在微流體環(huán)境下進行基因導入的可行性和有效性。實驗發(fā)現(xiàn),細胞導入的成功效率隨開啟的超聲波換能器的數(shù)量的增加而增加,說明這種細胞導入方法具有實現(xiàn)較高的導入成功率的潛力。
【關鍵詞】：細胞導入 超聲波基因導入 MEMS超聲換能器 壓電薄膜 磁控濺射
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH79;TB55
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 研究背景和意義11-13
• 1.2 MUT國內外研究現(xiàn)狀13-21
• 1.2.1 MUT在超聲成像領域的研究13-17
• 1.2.2 MUT在指紋識別方面的應用17-18
• 1.2.3 MUT在光聲成像中的研究18-19
• 1.2.4 MUT在基因導入與藥物遞送領域的研究19-21
• 1.3 本文主要研究內容及意義21
• 1.4 本章小結21-23
• 第二章 曲面壓電薄膜超聲換能器的設計和仿真23-37
• 2.1 壓電效應的歷史與發(fā)展23-24
• 2.2 壓電振動基礎24-29
• 2.2.1 描述壓電效應的物態(tài)方程24-25
• 2.2.2 常見壓電材料及其特點25-27
• 2.2.3 壓電振子的振動形式27-29
• 2.3 曲面壓電結構的優(yōu)越性29-31
• 2.4 PMUT諧振頻率的設計31-34
• 2.4.1 諧振頻率的理論計算31-33
• 2.4.2 諧振頻率的數(shù)值計算33-34
• 2.5 本章小結34-37
• 第三章 超聲換能器陣列的加工37-55
• 3.1 球冠結構的加工37-41
• 3.1.1 球冠結構加工方法概述37-39
• 3.1.2 壓印法球冠結構的加工39-40
• 3.1.3 改進的鋼珠壓印方法40-41
• 3.2 上下電極和氧化鋅的制作41-49
• 3.2.1 常用的氧化鋅沉積方法磁控濺射的特點41-44
• 3.2.2 氧化鋅濺射的最佳條件的摸索44-49
• 3.3 磁控濺射基底材料的選擇49-52
• 3.4 內凹曲面換能器的制作52
• 3.5 微管道的制作及系統(tǒng)集成52-54
• 3.5.1 軟壓印方法的特點52-53
• 3.5.2 芯片鍵合與系統(tǒng)組裝53-54
• 3.6 本章小結54-55
• 第四章 超聲換能器陣列的測試和實驗55-67
• 4.1 氧化鋅的表征55-59
• 4.1.1 表面粗糙度和截面的SEM表征55-56
• 4.1.2 氧化鋅薄膜的擇優(yōu)取向表征56-57
• 4.1.3 電學參數(shù)的測量57-59
• 4.2 換能器振動性能的表征59-62
• 4.2.1 測量裝置59-60
• 4.2.2 厚度的影響60-61
• 4.2.3 曲率半徑的影響61
• 4.2.4 驅動電壓的影響61-62
• 4.3 微管道內的基因導入實驗62-65
• 4.3.1 實驗裝置與步驟62-64
• 4.3.2 實驗結果與分析64-65
• 4.4 本章小結65-67
• 第五章 總結與展望67-69
• 5.1 研究總結67-68
• 5.2 下一步工作計劃68-69
• 參考文獻69-79
• 致謝79-81
• 攻讀碩士期間科研成果81

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本文編號：1082512