Микропомпа на основе трехфазных PMUT-излучателей из ScAlN

Перемещение крошечных объёмов жидкости на чипе

Многие лабораторные тесты переносят на чипы размером с кредитную карту, но тихо и аккуратно перемещать крошечные объёмы жидкости по таким устройствам всё ещё проблематично. В этой работе представлен новый тип микроскопической помпы, которая использует мягкие звуковые вибрации вместо громоздких механических деталей для создания медленных и хорошо контролируемых потоков жидкости — важного свойства при работе с ценными образцами, такими как клетки, пот или растворы ДНК.

Использование звука вместо поршней

Обычные микропомпы часто копируют свои крупногабаритные аналоги, полагаясь на гибкие пластины и клапаны, которые открываются и закрываются, чтобы протолкнуть жидкость. Эти элементы занимают место, изнашиваются и могут быть сложны в сочетании со стандартными методами производства чипов. Исследователи обращаются к звуковым волнам в жидкости как к альтернативе. Когда через канал проходят высокочастотные звуковые волны, они способны подталкивать взвешенные частицы и даже перемещать саму жидкость, создавая устойчивый поток без механических клапанов или поршней.

Крошечные мембраны, вибрирующие в паттерне

Устройство в основе этой работы — ряд микроскопических барабаноподобных мембран, называемых ультразвуковыми преобразователями, изготовленных из материала, совместимого со стандартными электронными фабриками. Каждая мембрана содержит тонкий слой, который меняет форму при приложении переменного напряжения, заставляя мембрану вибрировать. Команда встроила линию из девяти таких элементов внутрь мягкого пластикового канала, по которому течёт вода. Вместо одновременного возбуждения всех мембран, соседние приводят электрическими сигналами, сдвинутыми во времени на треть цикла, так что колебания выглядят как бегущая волна вдоль ряда, подобно волнению на стадионе.

Преобразование вращательного движения в направленный поток

По отдельности вибрации одной мембраны в основном создают локальные вихри в соседней жидкости, но не вызывают общего перемещения. Хитрая временная схема по всей матрице разрушает симметрию этих микровихрей. Компьютерные модели и эксперименты показывают, что около каждой мембраны по‑прежнему формируются небольшие вихри, но при взгляде на весь канал они складываются в медленное, но устойчивое дрейфовое движение жидкости вдоль канала. Отслеживая флуоресцентные микрочастицы в воде на разных высотах, исследователи подтвердили прямой поток в центре канала и обратное движение у вибрирующих поверхностей, что согласуется с моделируемыми картинами акустического течения.

Насколько сильна помпа и как её улучшить

Прототип помпы занимает активную зону лишь немного больше песчинки, но способен подавать примерно десятую долю нанолитра в секунду при умеренных напряжениях, что близко к численным предсказаниям. Используя те же модели, команда исследовала, как решения в конструкции влияют на производительность. Они обнаружили, что при размещении мембран ближе друг к другу и при регулировке временных сдвигов между ними поток можно увеличить до шести раз. Также ожидается усиление движения при изменении толщины и состава вибрирующего слоя, поскольку эти правки делают каждую мембрану более гибкой при том же входном сигнале.

Почему это важно для будущих систем lab-on-a-chip

Новая помпа не достигает наивысших скоростей потока более крупных или сложных устройств, но проявляет свои сильные стороны там, где пространство ограничено и требуется лишь деликатное движение жидкости — например, в сенсорах пота или при работе с чувствительными культурами клеток. Поскольку вибрирующие мембраны изготовлены из материала, который можно обрабатывать совместно с обычной микроэлектроникой, концепция открывает путь к чипам, которые одновременно управляют и анализируют крошечные жидкие образцы на одной пластине кремния. Проще говоря, исследование демонстрирует, что тщательно синхронизированные звуковые волны могут служить компактной, управляемой встроенной помпой для очень малых объёмов жидкости.

Цитирование: Wu, C., Keulemans, G., Jones, B. et al. Three-phase ScAlN-based PMUT-driven acoustic streaming micropump. Microsyst Nanoeng 12, 205 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01339-5

Ключевые слова: акустическая микропомпа, микрофлюидика, ультразвуковой преобразователь, lab-on-a-chip, акустическое струйное течение