用于在微通道中产生亚千赫兹振荡流的外部驱动器的组装和表征

微通道中液体流速的精确控制对于芯片实验室应用至关重要，例如液滴生产和封装¹，混合^2，3以及悬浮颗粒的分拣和操作^{4，5，6，7}。流量控制的主要方法是注射泵，它产生高度受控的稳定流量，分配固定体积的液体或固定的体积流量，通常仅限于完全单向流量。产生单向流动的替代策略包括使用重力头⁸、毛细管力⁹或电渗流¹⁰。可编程注射泵允许对流速和分配体积进行瞬态双向控制，但由于注射泵的机械惯性，响应时间限制在大于1 s。

由于流动物理学的质变^，在较短的时间尺度上进行流量控制解锁了^{6，11，12，13}，^14，15个其他不可访问的可能性。利用这种可变流物理的最实用方法是通过声波或振荡流，其时间段从^10-1-10-9 s或10¹ -10⁹ Hz不等。该频率范围的较高端使用体声波（BAW;100 kHz-10 MHz）和表面声波（SAW;10 MHz-1 GHz）设备访问。在典型的BAW器件中，通过在键合压电体上施加电压信号来振动整个基板和流体柱。这可以实现相对较高的吞吐量，但也会导致在较高振幅下加热。然而，在SAW器件中，固液界面通过向压电基板上图案化的一对叉指电极施加电压来振荡。由于波长非常短（1 μm-100 μm），小至300 nm的颗粒可以通过SAW设备中产生的压力波精确地操纵。尽管能够操纵小颗粒，但SAW方法仅限于局部粒子操纵，因为波会随着与源的距离而迅速衰减。

在1-100 kHz频率范围内，振荡流通常使用压电元件产生，压电元件键合到设计腔^体16，17上方的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道上。图案化腔上方的PDMS膜的行为类似于振动膜或鼓，对通道内的流体加压。在此频率范围内，波长大于通道尺寸，但振荡速度幅度较小。在这种频率状态下，最有用的现象是产生声波/粘性流，这些流是由于惯性^为18的液体流动中固有的非线性而引起的整流稳定流。稳定的流动通常表现为障碍物，尖角或微气泡附近的高速反向旋转涡流。这些涡旋可用于混合^19，20 并从流流²¹中分离10μm大小的颗粒。

对于10-1000 Hz范围内的频率，振荡分量的速度及其相关的稳定粘性流在幅度和有用性方面都是相当大的。该频率范围内的强振荡流可用于惯性聚焦²²，促进液滴²³的产生，并且可以产生模拟血流的流动条件（Womersley数）用于 体外 研究。另一方面，流流对于混合、粒子捕获和操作非常有用。该频率范围内的振荡流也可以使用如上所述与器件²³键合的压电元件来实现。通过键合压电元件实现振荡流的一个重要障碍是，它需要事先设计功能。此外，粘合的扬声器元件是不可拆卸的，并且必须将新元件粘合到每个设备²⁴上。但是，此类设备具有紧凑的优点。另一种方法是使用机电继电器阀²⁰。这些阀门需要气动压力源和定制控制软件来操作，因此增加了测试和实施的技术障碍。然而，这种装置能够应用设定的压力幅度和频率。

本文介绍了一种用户友好型方法的构造、操作和表征，以在微通道中产生频率范围为10-1000 Hz的振荡流。该方法具有许多优点，例如经济高效的组装，易于操作，并随时可以与标准微流体通道和附件（如注射泵和管道）连接。此外，与以前的类似方法²⁵相比，该方法为用户提供了对振荡频率和幅度的选择性和独立控制，包括正弦和非正弦波形之间的调制。这些功能使用户能够轻松部署振荡流，从而促进在生物学和化学领域广泛采用当前存在的各种微流体技术和应用。