Method for selecting optimal operation frequencies in bulk acoustophoretic devices

We report a new method to select the optimal actuation frequencies in bulk acoustophoretic devices, by means of differential impedance spectral analysis measured via the actuating piezoelectric transducer (piezo). The impedance spectra are rich of large spurious resonance peaks originating from bulk resonances not related to the channel resonance why direct measurement of the piezo impedance spectra is not a viable strategy. In our work we present for the first time that the resonance modes of the acoustophoretic channel can be clearly identified by sequentially measuring the impedance spectra of the acoustophoretic manifold when the channel is filled with two different fluids and calculate the normalized differential impedance spectra. The method was tested on simple and more complex chip designs that are nowadays used in lab-on-a-chip applications with good results. The developed differential impedance spectra method opens the route to an automatic tuning of acoustophoretic devices.

In questo lavoro di tesi introduciamo un nuovo metodo per la selezione di frequenze di lavoro ottimali in dispositivi acustoforetici. Il metodo si fonda su un'analisi spettrale e differenziale di impedenza, dove quest'ultima è misurata attraverso il trasduttore piezoelettrico (piezo). Una misura di impedenza diretta, tramite il piezo, si è rivelata essere una strategia non efficace nel determinare le frequenze dove le performance dei dispositivi acustoforetici sono ottimali. Gli spettri di impedenza, infatti, sono solitamente ricchi di picchi spuri che originano da risonanze dell'intero dispositivo e non sono, quindi, legate alla sola risonanza del canale. Nel nostro progetto presentiamo per la prima volta la possibilità di identificare i modi di risonanza del canale acustoforetico e, quindi, di determinare le frequenze di lavoro ottimali dell'intero dispositivo attraverso una misura sequenziale di spettri di impedenza. In particolare, il metodo consiste nel misurare prima gli spettri di impedenza del dispositivo acustoforetico quando il canale è riempito con due fluidi diversi e, successivamente, nel calcolare gli spettri di impedenza differenziali e normalizzati. Il metodo è stato testato su dispositivi con designs semplici e più complessi, che sono oggigiorno usati in applicazioni lab-on-a-chip, fornendo buoni risultati. Il metodo differenziale di spettri di impedenza sviluppato apre la strada per una caratterizzazione automatica dei dispositivi acustoforetici.