2d CMUT array based ultrasonic micromanipulation of particles

Abstract

The thesis introduces a concept of combining row column addressed CMUT arrays with microfluidic channel to enable trapping and two-dimensional manipulation of micro-particles. In this work a multilayer planar resonator with a target frequency of 2.5 MHz was designed and simulated. It was shown through finite element modeling and simulations that a particle can be trapped and manipulated both in lateral and axial directions inside the fluid channel by activating CMUT elements. Acoustic radiation force acting on a polystyrene particle of 10-um Radius were calculated using the FEM results. Based on the optimized parameters we fabricated a 32x32-element row/column-addressed 2D CMUT array on a glass substrate using anodic bonding technology. This approach provides a cost-effective and easily implementable solution to micro-particle trapping and handling.

Mikro parçacıkların yakalanmasını ve iki boyutlu manipülasyonunu sağlamak için sıra sütunlarına adreslenmiş CMUT dizilerinin mikroakışkan kanal ile birleştirilermesi tezin temel konusunu oluşturmaktadır. Bu çalışmada hedef frekansı 2.5 MHz olan çok katmanlı düzlemsel bir rezonatör tasarlanmış ve simülasyonları yapılmıştır. Sonlu elemanlar modellemesi ve simülasyonları ile bir parçacığın CMUT'i aktive ederek sıvı kanalı içindeki hem yanal hem de eksensel yönlerde sıkıştırabileceği ve manipüle edilebileceği gösterilmiştir. Önerilen platform ile 10um yarıçapında bir polistiren parçacığına etki eden akustik radyasyon kuvveti, FEM sonuçları kullanılarak hesaplanmıştır. Optimize edilmiş parametrelere dayanarak, anodik yapıştırma teknolojisini kullanarak bir cam taban üzerinde 32x32 elemanlı sıra / sütun adresli 2 boyutlu CMUT dizisinin üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu yaklaşım, mikro parçacık tutma ve işleme için maliyet etkin ve kolayca uygulanabilir bir çözüm sağlamaktadır.