CN108025333B - 非平面和非对称压电晶体及反射器 - Google Patents

非平面和非对称压电晶体及反射器 Download PDF

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Abstract

公开一种声泳装置。所述声泳装置包括声室、超声换能器和反射器。所述超声换能器包括压电材料，所述压电材料由电压信号驱动，以在所述声室中产生从压电材料的非平面表面发出的多维声驻波。还公开了一种用于从主流体分离出次流体或颗粒的方法。该方法包括使混合物流过声泳装置。发送电压信号驱动所述超声换能器，以在声室中产生多维声驻波，从而在驻波中连续捕获所述次流体或颗粒，然后所述次流体或颗粒聚集、聚合、结块或结合在一起，随后依靠浮力或重力在所述主流体中升高或沉降，并离开所述声室。

Description

非平面和非对称压电晶体及反射器
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年7月9日提交的美国临时专利申请第62/190,715号的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
本公开涉及使用超声生成的声驻波来实现悬浮相组分的捕集、浓缩和分离，从而从流体介质例如水中去除这类污染物。所述声驻波可以通过激励超声换能器(ultrasonictransducer)的压电晶体来产生。
压电晶体可以由任何能够产生压电效应(即，受到外部电压时振动)的材料组成。用于制造压电晶体的常用材料是锆钛酸铅(PZT)。压电陶瓷传统上是指大量的钙钛矿陶瓷晶体，由较大的二价金属离子(例如铅，钡)和氧离子形成的晶格中的小四价金属离子(例如钛，锆)组成。
以特定比例混合组分金属氧化物的细粉来制备压电PZT晶体。然后加热该混合物以形成均匀的粉末。有机粘合剂与该金属氧化物混合并形成所需形状(例如，板、棒、盘)。高温加热形成的材料来烧结所述混合物并形成致密的晶体结构。然后将烧结部分冷却并随后成型或修整至所需的规格。利用化学镀镍等工艺将电极安装到所述PZT晶体的合适表面上，或将电极安装到所述晶体表面上受到加热和熔合的银/玻璃珠混合物涂层上。
将压电晶体暴露于空气或液体流体中的电荷(即电压)会产生压力波。函数发生器可用于将特定频率或频率组施加到压电晶体，使得所述压力波具有特定频率。可使用放大器以所述函数发生器产生的频率向所述压电晶体施加更高的电压。通常，所述压电晶体的表面是平坦的，因此由所述压电晶体产生的波在晶体表面是均匀的。
平面压电晶体以多模方式受到扰动从而产生多维声驻波。所述压电晶体的这些高阶模式允许在声驻波中形成多个捕获线，从而形成多维声驻波。
期望提供一种可被单个激励扰动、但仍产生多维声驻波的压电晶体。
发明内容
通过各个实施例，本公开涉及声泳装置和从主流体分离次流体或微粒的方法。简而言之，从压电材料的非平面表面发出的多维声驻波用于连续地捕获所述次流体或颗粒，然后所述次流体或颗粒聚集、聚合、结块或结合在一起，随后依靠浮力或重力在所述主流体中升高或沉降，并离开所述声室。所述非平面压电材料只需要暴露于单一频率而非一组频率来产生多维声驻波。
本文的各个实施例公开了声泳装置，其包括：具有至少一个入口和至少一个出口的声室；位于所述声室的壁上的至少一个超声换能器；位于所述声室的与所述至少一个超声波换能器相对立的侧壁上的反射器。所述至少一个超声换能器包括压电材料，所述压电材料由电压信号驱动，以在所述声室中产生从所述压电材料的非平面表面发出的多维声驻波。
在某些实施例中，所述压电材料的非平面表面在基本上垂直于所述压电材料的第二表面的方向上极化。所述压电材料的非平面表面可以由阶梯函数或平滑函数来限定。
在某些实施例中，所述反射器还具有非平面表面，其可以由阶梯函数或平滑函数来限定。
在某些实施例中，所述压电材料可以是平面，并且所述反射器可具有非平面表面。
所述至少一个超声换能器可以具有非对称形状，例如梯形。所述反射器也可以具有非对称的形状，例如梯形。
本文还公开了用于从主流体分离次流体或颗粒的方法。该方法包括使主流体和次流体或颗粒的混合物流过声泳装置。所述声泳装置包括具有至少一个入口和至少一个出口的声室；位于所述声室的壁上的至少一个超声换能器；以及位于所述声室的与所述至少一个超声波换能器相对的侧壁上的反射器。所述至少一个超声换能器包括压电材料，所述压电材料由电压信号驱动，以在所述声室中产生从所述压电材料的非平面表面发出的多维声驻波。该方法进一步包括：发送电压信号驱动所述至少一个超声换能器以在所述声室中产生所述多维声驻波，从而在所述驻波中连续捕获所述次流体或颗粒，然后所述次流体或颗粒聚集、聚合、结块或结合在一起，随后依靠浮力或重力在所述主流体中升高或沉降，并离开所述声室。
所述电压信号可以是正弦、三角形、脉冲或类似的波形。所述电压信号可以具有从约100kHz到约20MHz的频率。
在某些实施例中，所述主流体和次流体或颗粒的混合物连续流过所述声室。所述次流体或颗粒包括选自中国仓鼠卵巢细胞、t淋巴细胞和酵母细胞的至少一种细胞。流过所述声室的流速为约1毫升/分钟到约50升/小时。对于细胞浓度为每毫升流体低至50,000个细胞至每毫升流体80,000,000个细胞，本公开的方法和装置可具有90％以上的分离效率。
材料的分离还可以包括从主流体分离颗粒。分离的颗粒将包括微球、微泡、微载体等。这些材料可能是实心或空心的，并具有正的或负的对比因子。
此外，本文的各种实施例涉及声泳装置，其包括：具有至少一个入口和至少一个出口的声室；位于所述声室的壁上的至少一个超声换能器；以及位于所述声室的与所述至少一个超声波换能器相对立的侧壁上的反射器。所述至少一个超声换能器包括压电材料，所述压电材料由电压信号驱动，以在所述声室中产生从所述压电材料的第一表面发出的多维声驻波；并且所述反射器包括有立面的表面。超声波换能器的第一表面可以是平面。所述反射器的有立面的表面可以包括多个立面簇或多个井。
在特定实施例中，所述多维驻波产生具有相同数量级的轴向力分量和侧向力分量的声辐射力。在特定实施例中，所述声驻波可以是多维声驻波(例如，三维声驻波)。这种多维声驻波的例子可以在共同持有的美国专利第9,228,183号中找到，其全部内容通过引用全部并入此文。在其他实施例中，所述声驻波可以是平面声驻波。此外，在特定实施例中，所述声驻波可以是平面声驻波和多维声驻波的组合，例如在所述平面声驻波和多维声驻波互相重合的情况下。
下面将更具体地描述这些和其他非限制性的特征。
附图说明
以下是对附图的简要描述，用于说明本文公开的示例性实施例，而不是为了限制本发明。
图1是示出声辐射力、重力/浮力，和斯托克斯阻力与颗粒尺寸之间的关系的图。所述横轴以微米(μm)为单位，所述纵轴以牛顿(N)为单位。
图2A示出了根据本公开的压电材料的第一实施例。所述压电材料是居里点以上的温度下的钙钛矿晶体。
图2B示出了根据本公开的压电材料的第二实施例。所述压电材料是低于居里点的温度下的钙钛矿晶体。
图3示出了根据本公开的压电材料的非平面表面的第一实施例。所述压电材料的非平面表面由平滑函数限定。
图4示出了根据本公开的压电材料的非平面表面的第二实施例。所述压电材料的非平面表面由立面形成的阶梯函数限定。
图5示出了根据本公开的压电材料的非平面表面的第三实施例。所述压电材料的非平面表面由立面形成的阶梯函数限定。
图6示出了根据本公开的声泳装置的声室的横截面图。该装置包括具有平坦第一表面的压电材料和具有立面的反射器。
图7A示出了图6的反射器的有立面的表面的第一示例性配置。
图7B示出了图6的反射器的有立面的表面的第二示例性配置。
图7C图示了图6的反射器的有立面的表面的第三示例性配置。
图8示出了图7C的有立面的平面的立面簇的放大图。图7C显示了中央立面与四个周围外立面之间的高度差。
图9示出了图6的反射器的立面表面的第四示例性配置。
图10示出了图9中所示的立面表面的放大图。
图11的曲线图表示在不同阻抗水平下立面反射器与平坦的平面反射器的分离效率。左边的y轴表示以千瑞利为单位的阻抗。标记为“平面反射器”和“立面反射器”的两条线是相对于左侧的y轴读取的。右边的y轴表示效率。标记为“任务1”和“1e6扁平”(三角形和X形点)的点是相对于右边的y轴读取的。所述x轴的单位是一万赫兹。
图12的曲线图示出了在2.185MHz频率和两个不同功率(5W和10W)下随时间变化的立面反射器与平坦的平面反射器的分离效率。
图13示出了根据本公开的压电材料的第三实施例。所述压电材料具有不对称的梯形形状。
图14示出了图13的梯形压电材料的非平面表面，在其上以四个不同频率产生非对称的激励模式。
在图14中，左上角图像的频率是2.217MHz。右边刻度以10-9为单位，范围为0.55到1，间隔为0.05。最大值是2.25x10-9，最小值是2.18x10-11。
在图14中，右上角图像的频率是2.302MHz。右边刻度以10-10为单位，范围为3-6，间隔为0.5。最大值是1.38x10-9，最小值是1.64x10-11。
在图14中，左下角图像的频率是2.32MHz。右边刻度以10-10为单位，范围从2.5到6，间隔为0.5。最大值是1.11x10-9，最小值是1.4x10-11。
在图14中，右下角图像的频率是2.34MHz。右边刻度以10-10为单位，范围是3到5，间隔为0.5。最大值是9.23x10-10，最小值是8.98x10-12。
图15示出了根据本发明的声泳分离方法,分离比主流体密度小的次流体或颗粒。
图16示出了根据本公开的声泳分离方法,分离比主流体密度更大的次流体或颗粒。
图17是常规超声波换能器的横截面图。
图18是根据本公开的超声换能器的横截面图。所述换能器内存在气隙，不存在背衬层或耐磨板。
图19是根据本公开的超声换能器的横截面图。所述换能器内存在气隙，并且存在背衬层和耐磨板。
具体实施方式
通过参考以下对期望的实施例和其中包括的示例的详细描述，可以更容易地理解本公开。下面的说明书和权利要求书将参考许多术语，其应被定义为具有以下含义。
尽管为了清楚起见在以下描述中使用了特定的术语，但是这些术语旨在仅指代在附图中选择的用于说明实施例的特定结构，而非旨在限定或限制本公开。在下面的附图和下面的描述中，应当注意相同的数字标记表示具有相似功能的组件。
除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个”和“所述”包括复数指示物。
术语“包括”在本文中用于要求所述组分存在并允许其他组分存在。术语“包括”应解释为包括术语“由......组成”，其仅允许所述组分以及可能由制造所述组分而产生的任何杂质存在。
数值应该理解为包括当减少到相同数量的有效数字时数值相同的数值，和与所述值的差小于本申请中用于确定该值的常规测量技术的实验误差的数值。
本文公开的所有范围包括所述端点并且可独立组合(例如，“2克至10克”的范围包括端点2克和10克以及所有中间值)。本文公开的范围的端点和任何值不限于精确的范围或值；它们可以不足准确且包括接近这些范围和/或值的值。
与数量一起使用的修饰语“约”包括所述值并且具有由上下文所指示的含义。当与范围一起使用时，修饰语“约”也应该被认为是公开了由两个端点的绝对值定义的范围。例如，“从大约2到大约10”的范围也公开了“从2到10”的范围。术语“大约”可以表示所指数字的正负10％。例如，“约10％”可以表示9％至11％的范围，“约1”可以表示0.9到1.1。
应该注意，这里使用的许多术语是相对术语。例如，术语“上”和“下”在位置上是彼此相对的，即，在给定方向上，上部部件位于比下部部件更高的位置，但是如果装置翻转，则这些术语可以改变。对于给定的结构，术语“入口”和“出口”是相对于流过它们的流体，例如流体通过所述入口流入所述结构并通过所述出口流出所述结构。术语“上游”和“下游”是相对于流体流过各个部件的方向，即流过下游部件之前流过上游部件的流体流体。应该注意的是，在循环中，第一部件可以被描述为在第二部件的上游和下游。
术语“水平”和“垂直”用于指示相对于绝对参考的方向，即地平面。然而，这些术语不应被解释为要求结构彼此绝对平行或绝对垂直。例如，第一垂直结构和第二垂直结构不一定彼此平行。术语“顶部”和“底部”或“基部”用于指代相对于绝对参考(即地球表面)，顶部总是高于底部/基部的表面。术语“向上”和“向下”也是相对于绝对参考而言的；往上往往是对抗地球的重力。
术语“平行”应该被解释为层次感上两个表面之间保持大致恒定的距离，而不是严格的数学意义上的这些表面当延伸到无穷远时将不会相交。
本申请涉及“相同数量级”。如果较大数除以较小数的商是至少1且小于10的值，则两个数具有相同的数量级。
声泳是使用高强度声驻波从初级流体或主流体中分离颗粒和次生流体，并且不使用膜或物理尺寸排阻过滤器。众所周知，所述高强度声驻波可以在密度和/或可压缩性方面存在差异的情况下对流体中的颗粒施加力，另外也称为声学对比因子。驻波中的压力分布包含节点处的局部最小压力幅度和其反节点处的局部最大压力幅度的区域。根据颗粒的密度和可压缩性，它们将被在驻波的节点或反节点上捕获。一般而言，驻波的频率越高，由于驻波的压力，被捕捉的颗粒越小。
当声驻波在液体中传播时，快速振荡可在液体中悬浮的颗粒或液体之间的界面上产生非振荡力。这个力被称为声辐射力。该力源于传播波的非线性。由于非线性，波在传播时失真，时间平均值不为零。通过串联展开(根据微扰理论)，第一个非零项将是二阶项，这是对声辐射力的解释。流体悬浮中的颗粒或细胞的声辐射力是所述颗粒或细胞两侧的辐射压力差的函数。辐射力的物理描述为入射波和散射波的叠加，除了非刚性颗粒以不同于周围介质的速度振荡从而辐射出波的效应。以下等式给出了平面驻波中处于流体悬浮的颗粒或细胞的声辐射力的解析式。
Figure BDA0001592730710000061
其中βm是流体介质的可压缩性，ρ是密度，
Figure BDA0001592730710000068
是声学对比因子，Vp是颗粒体积，λ是波长，k是2π/λ，P0是声压幅度，x是沿驻波的轴向距离(即垂直于波前)，和
Figure BDA0001592730710000062
其中ρp是颗粒密度，ρm是流体介质密度，βp是颗粒的可压缩性，βm是流体介质的可压缩性。
在典型实验中，在电压下操作系统，使得在超声驻波中捕获颗粒，即颗粒保持在静止位置。所述声辐射力的轴向分量将具有正对比因子的颗粒驱动至压力节点平面，而具有负对比因子的颗粒被驱动至压力反节点平面。所述声辐射力的径向或侧向分量是捕捉颗粒的力。因此该力必须大于流体阻力和重力的组合效应。对于小颗粒或乳液，阻力FD可以表示为：
Figure BDA0001592730710000063
其中Uf和Up是流体和颗粒速度，Rp是颗粒半径，μf和μp是流体和颗粒的动态粘度，并且
Figure BDA0001592730710000064
是动态粘度的比率。浮力FB表示为：
Figure BDA0001592730710000065
其中Rp是粒子半径，ρf是流体密度，ρp是粒子密度，g是万有引力常数。
对于要被超声驻波捕获的颗粒，颗粒上的力平衡必须为零，因此可以得到侧向声辐射力FLRF的表达式，其由下式给出：
FLRF＝FD+FB (3)
对于已知尺寸和材料性质的颗粒以及对于给定流速，可以使用该方程来估计侧向声辐射力的大小。
用于计算声辐射力的理论模型是戈里科夫公式，其中主声辐射力FR被定义为场电位U的函数，
Figure BDA0001592730710000066
其中场电位U被限定为
Figure BDA0001592730710000067
而f1和f2是下列等式定义的单极和双极贡献
Figure BDA0001592730710000071
其中
Figure BDA0001592730710000072
其中ρ是声压，u是流体质点速度，Λ是细胞密度ρp与流体密度ρf的比值，σ是细胞声速cp与流体声速cf的比值，Vo＝πRp 3表示细胞体积，<>表示波周期的平均时间。
对于一维驻波，其中声压被表示为
p＝A cos(kx)cos(ωt) (4)
其中A是声压振幅，k是波数，ω是角频率。在这种情况下，只存在声辐射力FARF的轴向分量，
Figure BDA0001592730710000073
其中X是对比系数，由下列公式给出
Figure BDA0001592730710000074
具有正对比因子的颗粒将被驱动到压力节点平面，具有负对比因子的颗粒将被驱动到压力反节点平面。以这种方式，在声室中产生多维声驻波导致在声室中产生紧密堆积的颗粒群，典型地，对应于驻波中的压力节点或反节点的位置(取决于声学对比因子)。
戈里科夫模型是针对驻波中的单个颗粒，并且限于相对流体和颗粒中声场的波长而言较小的颗粒。该模型也没有考虑流体和颗粒的粘度对辐射力的影响。因此，这种模型不能用于宏观超声波分离器，因为颗粒簇可以生长得相当大。
图1是表示声辐射力、流体阻力和具有颗粒半径的浮力的缩放对数-对数图(对数y轴，对数x轴)。对于实验中使用的典型哺乳动物细胞进行计算。在实验中，哺乳动物细胞的密度(ρp)为1050kg/m3，细胞声速(cp)为1550m/s。颗粒流动的流体是密度(ρw)为1000kg/m3、流体声速(cf)为1500m/s、流速(vf)为4cm/min的水。该实验使用在压力(p)为1MPa下以2.2MHz的频率(f)驱动的33个PZT-8超声波换能器。如上所述，重力/浮力是与颗粒体积相关的力，因此对于微米数量级的颗粒可以忽略不计，但对于几百微米级的颗粒，该力增加并且变得显著。流体阻力与流体速度成线性比例关系，因此通常超过微米级颗粒的浮力，但对于数百微米级的较大尺寸的颗粒而言流体阻力可忽略不计。声辐射力缩放比例是不同的。当颗粒尺寸较小时，戈里科夫方程是精确的，声俘获力与颗粒体积成比例。最终，当颗粒尺寸增大时，声辐射力不再随着颗粒半径的立方而增加，而是在一定的临界粒径下迅速消失。为了进一步增加颗粒尺寸，辐射力在幅度上再次增加，但相位相反(图中未示出)。对于增加颗粒尺寸，这种模式重复。
首先，当悬浮液以主要微米级尺寸的小颗粒流经系统时，声辐射力需要平衡流体力和浮力的组合效应以在驻波中捕获颗粒。如图1所示，约3.5微米的颗粒标记为Rc1。该图表明所有较大的颗粒也将被捕获。因此，在驻波中捕捉小颗粒时，发生颗粒结合/结块/聚集/聚合，导致有效颗粒尺寸的连续增长。随着颗粒尺寸的增加，所述声辐射力反射离开颗粒，大颗粒导致声辐射力降低。颗粒尺寸增长一直持续到浮力占优势，由第二临界颗粒尺寸Rc2表示，这一尺寸的颗粒上升或下降取决于它们相对于主流体的相对密度。这样，图1解释了小颗粒是如何在驻波中被连续捕获，长成更大的颗粒或簇团，然后借助增强的浮力或重力而不断升高或沉降。
本公开中运用的模型是基于Yurii Ilinskii和Evgenia Zabolotskaya的理论工作(参见AIP会议论文集，第1474-1卷，第255-258页(2012))。这些模型包含了流体和颗粒粘度的影响，因此对声辐射力的计算更精确。
本公开的声泳分离技术采用多维超声声驻波、平面声驻波或者平面和多维声驻波的组合(在此统称为声驻波)，以捕获包含所述颗粒/次流体的一定体积的流体中的颗粒或次流体。
图2A示出了压电材料200的第一实施例。在图2A所示的实施例中，所述压电材料200在高于居里点的温度下是钙钛矿晶体。所述压电材料200呈正负电荷对称排列的立方晶格形状。图2B示出了压电材料250的第二实施例。在图2B所示的实施例中，所述压电材料250是居里点以下的温度下的钙钛矿晶体。所述压电材料250的形状是具有电偶极子的四角形(斜方晶)格子。图2A和2B中所示的所述压电材料200,250都由二价金属离子(例如铅，钡)，氧离子和四价金属离子(例如钛，锆)组成。图2A和2B中描绘的压电材料200,250的偶极膨胀和收缩允许压电效应发生，导致产生压力波。
居里点是临界温度，在此临界温度下，压电材料中每个钙钛矿晶体呈现简单的立方对称且没有偶极矩。然而，温度低于居里点时，如图2B所示，每个晶体具有四角形或菱形对称性和偶极矩。相邻偶极子形成局部比对的区域，称为域。晶体的排列给出晶体中域的净偶极矩，因此产生净极化。然而，极化仍然是随机的，因此当施加电脉冲时，压电晶体的形状改变没有总体方向。
在操作中，通常当温度略低于居里点时，向晶体施加强直流电场。通过这种成极(极化)处理，与所述电场几乎对准的所述压电晶体的区域扩展到与场不对准的区域，而且所述压电晶体在强电场的方向上扩展。当去掉所述电场时，大部分偶极子被锁定在近乎对准的配置中。所述压电晶体此时具有永久极化(即晶体可被认为是“极化”的)。因此，在向所述晶体提供电荷时，所述晶体将在此刻被极化的方向上扩展和收缩。
在传统的平坦/平面压电表面中，可以使用单个频率来激发多维声驻波。本公开已经发现具有非平面(即，非平坦)表面的压电材料可以通过单一频率被电激励以进一步增强晶体的极化方向上的扩展和收缩，从而从所述压电材料的非平面表面发出差分振动(与均匀振动相反)，以产生多维声驻波。通过对非平面表面进行适当的塑形，可以根据需要产生多维声驻波(例如，具有期望的力度、形状和强度)。
图3示出了这种类型的压电材料300的第一实施例，其中所述压电材料300的非平面第一表面310由平滑函数限定。以这种方式，所述压电材料300的非平面表面310在基本垂直于所述压电材料300的第二表面330的方向320上被极化。在图3所描述的所述压电材料300中，所述非平面表面310和所述第二表面330位于所述晶体的相对侧。所述第二表面是平面，并且提供了确定所述第一表面310的非平面性的参考。如这里所见，所述第一表面310由一系列峰312和谷314形成。峰和谷之间的过渡是平滑的。平滑函数是具有连续导数的函数。
可以在所述压电材料的每一侧上使用单个电极。所述电极可以用多种方法涂覆，例如用化学镀镍镀覆或用导电涂层如含银涂层喷涂。电极必须分开，以便有一个正极端子和一个负极端子来激励所述压电材料。
与图3形成对比，图4示出压电材料400的第二实施例，其中所述压电材料400的非平面第一表面410由阶梯函数限定。再次，所述压电材料400的非平面表面410在基本上垂直于所述压电材料400的第二表面430的方向420上被极化。阶梯函数是分段常数函数。如此处所见，第一表面410的整体形状由一系列较小的平坦表面412组成，在本文中也称为立面。
图5示出压电材料500的第三实施例，其中所述压电材料500的非平面表面510由阶梯函数限定。再次，所述压电材料500的非平面第一表面510在基本上垂直于所述压电材料500的第二表面530的方向520上被极化。图4和图5的主要区别是相邻较小平坦表面512(即立面)在高度差上(相对于第二表面530)变化更大。
还可以想到的是，位于所述声室的与换能器/压电材料相对立一侧的反射器也可以具有非平面表面，同样可以由光滑或阶梯函数来限定。换能器/压电材料的非平面表面和反射器的非平面表面可以被描述为具有立面，如图6所示。在图6中，所述压电材料600具有平坦的第一表面610，并且所述反射器650具有立面表面660。所述反射器650的所述立面660由平坦表面或立面662限定，类似于图5的所述压电材料500的立面512和图4的所述压电材料400的立面412。即，如图6所示，所述反射器650的立面表面660中的立面662可以是阶梯形的，使得相邻立面与所述压电材料600的第一表面610的距离不同。例如，立面670距离所述压电材料600的第一表面610的距离为L1，而立面680距离所述压电材料600的第一表面610的距离为L2，而L1大于L2。应该理解的是，立面662的尺寸可以根据需要来确定。例如，立面670通常具有宽度672来最大化反射能量。类似地，相邻立面之间的距离(例如立面670与立面680之间的距离L3)通常用来最小化所述压电材料的固有振动模式的导向器与相邻立面之间的距离。立面与所述压电材料600的第一表面610之间的距离(例如，立面670的距离L1和立面680的距离L2)通常对应于半波长，以适应声室中的所有可能的共振条件。
如本领域技术人员将认识到的，可以根据需要设置立面662以产生具有期望的模式图案的声驻波。图7A-7C描绘了所述反射器650的立面表面660的各种示例性构造。例如，图7A示出了一种设计，其中所述反射器650的立面表面660包括沿着所述反射器650的长度延伸的平坦表面或立面662。给定立面的高度通常与相邻立面的高度不同，相差产生的一小部分声驻波。图7A的设计实现了间歇步骤的退化的一维图案。
图7B示出一种设计，其中所述反射器650的立面表面660包括具有平底666的井664。在图7B的示例性实施例中，所述井664全部具有相同的深度。所述反射器650的立面表面660上的所述井664的分布对应于由所述反射器650反射的3×3模式图案的分布。所述井沿着立面表面以规则图案分布。
最后，图7C和图8示出一种设计，其中所述反射器650的立面表面660包括多个立面簇668。在该示例性实施例中，每个立面簇668由金字塔形的五立面组构成，并具有与中心立面670相差0.1倍波长的四个外立面673,674,675，676。也就是说，如果中心立面670对应于位置0，则四个外立面673,674,675,676分别比之前深0.1,0.2,0.3和0.4波长。例如，图8的中心立面670对应于位置0，外立面673位于所述中心立面670的表面下方70μm处，外立面674位于所述中心立面670的表面下方140μm处，外立面675位于所述中心立面670的表面下方210μm处，外立面676位于中心立面670的表面下方240μm处。所述立面簇668的分布对应于由所述反射器反射的9×9模式图案的分布，但是应该理解，这样的设计也可以用于3x3模式图案。进一步设想，所述反射器650的立面表面660中的立面的图案可影响各种频率的模式选择。典型地，选择单个立面簇内的立面或立面级的数量以确保对声室内改变的谐振条件进行平滑调整(即，用于更平缓过渡的更多立面或立面级)，如前面所解释的那样，立面或立面级彼此相差零点几个声波长。然而，通常应该限制立面或立面级的数量，从而最小化立面的总数，由此增加每个立面的反射面积。如本领域技术人员将认识到的那样，压电材料同样可以具有立面前表面，类似于图6和图7A-7C中所示的反射器的立面表面。在这些实施例中，所述压电材料的第一表面是有立面的，而反射器的表面通常保持平面或平坦。
图9和图10描绘了所述反射器650的立面表面660的另一个示例性实施例。图9示出了整个反射器，而图10提供了所述反射器650的立面表面660的一部分的放大视图。如图10所示，所述表面被分成多个具有四种高度的立面。虚线用于指示立面簇690。中心立面691被第二立面692、第三立面693和第四立面694围绕。第二立面692大约两倍于第三立面或第四个立面的表面积。第三立面693是这些立面中最低的，接着是第二立面692，然后是第四立面694，中央立面691是这些立面中最高的。
应该注意的是，如图4-10所示，立面一般被图示为具有正方形周边的表面。这不是必要条件，并且立面可以具有任何合适的形状，例如矩形、圆形等。
本文将更详细的解释本公开的声泳装置的操作包括在声室中产生声驻波。所述声驻波可以在整个操作周期中处于固定频率，并且频率可选为使压电材料的模式分布与反射器的立面分布相匹配。所述声驻波的最大振幅是在波频f满足f＝nc/2L发生谐振时出现的，其中c是介质中的声速，n是正整数，L是换能器和反射器之间的距离。对于固定的发射器功率，在满足共振条件的所述声压的最大振幅下可实现最佳细胞分离。最大声压反过来产生最大的声辐射力，这是声场梯度的结果，并高效捕获细胞。当颗粒(例如细胞)在声泳装置内聚集(或者更一般地归因于非均质条件)时，声速c改变并且谐振条件被破坏。由于悬浮液的温度变化，声速也会改变。温度变化可能是声学操作的结果，也可能是由于进料溶液温度的变化。对于不同的悬浮液组成，谐振条件也会改变。上述只是最典型的，但不是所有可能的共振破坏机制。
图11生动的示出了与平坦的平面反射器相比，使用具有立面表面的反射器的一些优点。在图11中，最低的两条线(即，具有正方形和菱形点的线)表示沿着左侧y轴的以千瑞利为单位的立面反射器和平面反射器的阻抗，并且上面的两条线(即，具有三角形和X形点的线)代表沿着右侧y轴的以百分比值为单位的立面反射器和平面反射器的效率。图11的x轴表示以数万赫兹为单位的各种工作频率。图11显示对于1×106个细胞/mL的酵母浓度，立面反射器的效率明显大于平坦的平面反射器的效率。类似的结果出现在图12中，其生动展示了在80分钟内2.185MHz频率下，立面反射器的效率与平坦的平面反射器的效率的关系。
再次参考图6，当所述压电材料600与立面670隔开距离L1，共振被破坏，驻波“跳跃”到附近立面680，其与所述压电材料600相距L2，满足新声速下的共振条件。因此，该装置是一种自调谐系统，能够重新调整以保持强大的多维(例如三维)声场，而与处理后的悬浮液的特性变化无关，并且能够以相同的操作频率工作。换言之，通过缩短或完全消除非必要时间段(在此时间段内，装置频率必须被扫描并因此失调)，使用具有立面表面的反射器可改善声泳装置。
具有立面表面的反射器的使用也优化了不均匀细胞群分布的性能。由于谐振器横截面上不同位置处的压电材料/换能器与反射器之间的路径上的细胞密度和浓度可能是不同的，所以沿这些路径的谐振条件可能不同。对于具有立面表面的反射器，根据这些局部条件，不同的立面可用于使谐振器重新调谐沿着这些路径。即使在敏捷的频率调谐下，平面换能器-平面反射器系统中也不存在这种程度的优化。
此外，使用具有立面平面的反射器不管频率如何都抑制与扁平压电材料/换能器的“活塞”模式对应的驻波。因此，具有立面表面的反射器的可用工作频率范围比平面换能器-平面反射器系统更宽。
使用从函数发生器和放大器输入到压电材料的单个电压输入，所述压电材料的非平面表面的差分振动允许从所述压电材料的非平面表面生成差压波。这样反过来又允许产生多维声驻波并且还允许具有变化振幅的局部波阵面来自具有单个频率输入的压电材料的非平面表面，然后在流体中产生三维驻波。
在某些实施例中，所述压电材料和/或反射器的形状可以是非对称或不对称的。这是指压电材料由其周边所定义的形状。换言之，所述压电材料的周边形成不规则多边形，或者所述压电材料不具有任何对称轴。图3的所述压电晶体，例如，是一个正方形，它是对称的。然而，图13中描绘的压电材料1300具有四个不同角度的梯形形状。将压电材料设计成非对称形状允许所述压电材料产生的声驻波产生不对称的陷波线。
图14示出了在四个不同频率下梯形压电材料的面上产生的四个不对称的励磁图案。所述压电材料的不对称性导致在不同激发频率下流体内部产生不对称的颗粒捕获线。当正在利用重力连续分离来自主流体的次流体或微粒时，这种捕获线的不对称领域能让相邻捕获线之间产生较少干扰。换句话说，当非对称压电材料放置在具有非对称或其他形状的反射器对面的声室中时，驻波的捕获线将交错排列，使得与对称压电材料产生的相比，每条捕获线中收集的次流体或颗粒在通过重力与所述主流体分离时相互干扰较少。
根据本公开，颗粒或次流体在声驻波的节点或反节点处的聚集取决于颗粒或次流体相对于主流体的声学对比因子；当团簇增长到一定尺寸足以克服声驻波的吸持力(例如通过结合或团聚)并且颗粒/次流体密度大于主流体时，形成的簇/块/团/结合而成的液滴不断从声驻波中脱落出来；或当颗粒/次流体的密度小于主流体时，团簇从声驻波中溢出。当颗粒相对于波长较小时，声辐射力与颗粒体积(例如半径的立方)成正比，与频率和声学对比因数成正比，也随着声能(例如声压幅度的平方)按比例缩放。对于谐波激励，力的正弦空间变化将驻波中的颗粒驱动到稳定的轴向位置。当作用在颗粒上的声辐射力大于流体阻力与浮力和重力的综合作用时，在声驻波场内捕获颗粒。这导致了所被捕获颗粒的浓缩、聚集和/或聚结。强大的侧向力使颗粒迅速聚集。因此，微米级的颗粒，例如细菌，哺乳动物细胞，微藻类，金属颗粒，酵母，真菌，脂质，油滴，红细胞，白细胞，血小板等可以通过增强的重力从主液体中分离。对于具有几种不同颗粒尺寸的悬浮液，可以通过调节系统参数来沉淀尺寸较大的一组颗粒，而尺寸较小的一组颗粒可以保持悬浮状态。这两层然后可以分开收获。然后可以利用重复的工艺根据尺寸将不同大小的颗粒分组。在这方面，由每个换能器产生的多维声驻波可以具有不同的频率。
声泳装置的一个具体应用是处理生物反应器材料。能够从主流体中标识的材料中分离出相对较大的细胞和细胞碎片很重要。标识的材料由生物分子如重组蛋白或单克隆抗体组成，是需要回收的产物。通过使用电泳，能非常有效的分离细胞和细胞碎片，并且标识的材料的损失很小。这是对现有过滤工艺(深度过滤，切向流过滤等)的改进，其在高细胞密度下显示出有限的效率，使得过滤床本身的标识材料的损失可高达生物反应器生产的材料的5％。使用包括中国仓鼠卵巢(CHO)，NS0杂交瘤细胞，幼仓鼠肾(BHK)细胞，昆虫细胞和人细胞(例如T细胞，B细胞，干细胞，红细胞)的哺乳动物细胞培养物，以及活体/生物细胞通常被证明是生产/标识当今药物中所需的重组蛋白和单克隆抗体的非常有效的方式。通过声泳过滤哺乳动物细胞和哺乳动物细胞碎片有助于极大地提高生物反应器的产量。根据需要，还可以将声泳过程与上游或下游的标准过滤过程(例如深度过滤，切向流过滤(TFF)或其他物理过滤过程)结合。
对于中国仓鼠卵巢，T淋巴细胞和酵母细胞，细胞浓度为每毫升液体低至50,000个细胞至每毫升液体8000万个细胞时，分离效率超过90％和更高。根据当前实施例，声学分离装置的流速从较小规模装置的1毫升/分变化到较大规模装置的超过50升/小时。
就这一点而言，声学对比因子是颗粒与流体可压缩性和颗粒与流体密度之比的函数。大多数细胞类型比其所悬浮于中的培养基具有更高的密度和更低的可压缩性，因此细胞和培养基之间的声学对比因子具有正值。结果，轴向声辐射力(ARF)以正对比因子驱赶细胞至压力节点平面，而具有负对比因子的细胞或其他颗粒被驱赶至压力反节点平面。ARF的径向或侧向分量大于流体阻力和重力的组合效应。所述径向或侧向分量将细胞/颗粒驱动到这些平面内的特定位置(点)，在这些平面内它们结簇、结块、团聚或聚结成较大的组，然后将不断地从流体中利用重力分离。
最佳方案是超声换能器在流体中产生三维或多维声驻波，其在悬浮颗粒上施加伴随轴向力的横向力，从而增加所述驻波的颗粒捕集和结块能力。文献中的典型结果表明，所述横向力比轴向力小两个数量级。相反，本申请中公开的技术提供的横向力与轴向力(即多维声驻波)具有相同的数量级。然而，本文进一步描述的某些实施例设想了将产生多维声驻波和平面驻波的换能器组合起来。为了实现本公开的目的，横向力与轴向力具有相同数量级的驻波被认为是“多维声驻波”。
图15是用于去除油或其他比水轻的材料的声室的示意图。换能器10通常施加几百千赫到几十兆赫范围内的激励频率。在所述换能器10和反射器11之间产生一个或多个驻波。引入的含有第二相的主流体进入入口12。在驻波的压力波腹14处捕集微滴，微滴结块、聚集、凝结或结合；轻浮材料的微滴上浮至表面并通过位于流路上方的流出物出口16排出。澄清的流体(例如水)在出口18处排出。所述声泳分离技术能够实现多组分颗粒分离，大大降低了成本，且不产生任何结垢。
图16是用于去除污染物或其它比水重的材料的声室的示意图。换能器10通常施加几百千赫到几十兆赫范围内的激励频率。引入的被污染的流体进入入口13。在驻波中的压力节点15处捕集污染物，污染物结块、聚集、凝结或结合；较重材料的污染物沉入底部收集器并通过位于流动路径下方的流出物出口17排出。澄清流体在出口18处排出。
如前所述，所述超声换能器和反射器位于所述声室的相对侧。这样，在所述超声换能器和反射器之间产生一个或多个声驻波。
在讨论系统的进一步优化之前，有必要解释下多维声驻波是如何产生的。通过以产生声驻波同时激励换能器压电元件的基础3D振动模式的频率驱动超声换能器，获得用于捕集颗粒的多维声驻波。所述多维声驻波可以由压电元件的不同模式产生，诸如产生多维声驻波的3×3模式。通过允许所述压电元件以许多不同振形振动，也可以产生多个多维声驻波。因此，该元件将激发多个模式，例如0x0模式(即活塞模式)到1x1模式(基本模式)，到2x2,1x3,3x1,3x3和其他更高阶模式，然后通过元件的较低模式循环回来(不一定按顺序)。这种压电元件模式之间的切换或抖动允许在指定的时间内生成各种多维波形以及单活塞振形。
也可以激励或选择同时激励多个模式的激励频率，每个模式具有不同程度的位移幅度。通过将同时激发的多种模式和变化的位移振幅组合，可产生多维驻波的叠加，这些多维驻波适用于从主流体捕获、聚集和分离次流体或颗粒。
颗粒发出的声场散射产生三维声辐射力，其充当三维俘获场。当颗粒相对于波长较小时，所述声辐射力与颗粒体积(例如半径的立方)成比例；与频率和声学对比因子成比例；也随着声能(例如声压幅度的平方)而缩放。当作用在颗粒上的声辐射力大于流体阻力与浮力和引力的综合作用时，在声驻波场内捕集颗粒。这导致捕集的颗粒浓缩、聚集和/或结合。因此，通过增强的重力分离，一种材料的相对较大的固体可以与不同材料、相同材料和/或主流体的较小颗粒分离。
多维驻波在轴向方向上(即，在驻波的方向上，换能器和反射器之间，垂直于流动方向)和横向方向(即，在流动方向)产生声辐射力。当混合物流过声腔时，悬浮颗粒在驻波方向上受到较强的轴向力分量。由于这个声学力垂直于流动方向和阻力，所以根据颗粒的对比因子，颗粒迅速地移动到压力节点平面或反节点平面。然后，所述横向声辐射力的作用是将集中的颗粒向每个平面节点的中心移动，导致颗粒聚集或结块。所述横向声辐射力分量必须克服流体对这样的颗粒簇团的阻力，以便使所述颗粒借助重力而不断增长然后从混合物中出来。因此，为了使声学分离装置有效工作，必须考虑随着颗粒簇尺寸的增大，每个颗粒的阻力下降，每个颗粒的声辐射力下降。在本公开中，所述多维声驻波的横向力分量和轴向力分量具有相同的数量级。在这一点上，需要注意在多维声驻波中，轴向力比横向力更强，但是多维声驻波的横向力远远大于平面驻波的横向力，通常相差两个数量级或更多。
有必要进一步解释下本公开的装置、系统和方法中使用的超声换能器。在这方面，所述换能器使用通常由PZT-8(锆钛酸铅)制成的压电元件。这种元件可以具有厚度为1mm(标称2MHz共振频率)的1英寸乘1英寸的正方形形状，并且也可以具有更大的尺寸，例如1mm厚的1英寸×3英寸的形状，或者更小，例如0.5英寸×0.5英寸。厚度控制共振频率，因为共振频率与厚度成反比。每个超声换能器模块可以仅具有一个压电元件，或者可以具有多个元件；每个元件用作单独的超声换能器，并且由一个或多个放大器控制。所述压电元件可以是结晶的，半结晶的或非结晶的。所述换能器用于产生压力场，该压力场在与驻波方向(横向)正交的方向和驻波方向(轴向)产生相同数量级的力。
图17是传统超声换能器的截面图。该换能器在底端具有耐磨板50，环氧树脂层52，压电元件54(例如由PZT制成的陶瓷晶体)，环氧层56和背衬层58。所述压电元件的任一侧有一个电极：正电极61和负电极63。所述环氧层56将所述背衬层58连接到所述压电元件54。整个组件被包含在一个外壳60中，该外壳可以由例如铝制成。电适配器62连接导线穿过所述外壳，然后连接到附在所述压电元件54上的导线(未示出)。典型地，背衬层用来增加阻尼并产生在较宽的频率范围内具有均匀位移的宽带换能器，并在特定振动特征模式下抑制励磁。耐磨板通常设计为阻抗变换器，以更好地匹配所述换能器辐射的介质的特性阻抗。
图18是本公开的超声换能器81的横截面图。换能器81为盘状或板状，并且具有铝外壳82。所述压电元件可以是例如钙钛矿陶瓷晶体块，每个晶体块由小四价金属离子(通常为钛或锆)组成，位于较大二价金属离子(通常是铅或钡)和氧离子的晶格中。例如，在图18所示的实施例中，PZT(锆钛酸铅)晶体86限定所述换能器的底端，并且从所述壳体的外部露出。所述晶体的周边由位于所述晶体和外壳之间的小弹性层98支撑，小弹性层98例如为硅胶或类似材料。换句话说，没有耐磨层存在。在特定实施例中，所述晶体是不规则的多边形；在另外实施例中是不对称的不规则多边形。
螺钉88通过螺纹将所述壳体的铝顶板82a连接到所述壳体的主体82b。所述顶板包括用于为换能器供电的连接器84。所述PZT晶体86的上表面连接到由绝缘材料94分开的正电极90和负电极92。所述电极可以由任何导电材料如银或镍制成。通过所述晶体上的电极，将电力提供给所述PZT晶体86。请注意，所述晶体86不具有背衬层或环氧树脂层。换句话说，在铝顶板82a和所述晶体86之间的换能器中存在气隙87(即，所述气隙完全是空的)。一些实施例可以提供最小的背衬58和/或耐磨板50，如图19所示。
换能器设计会影响系统的性能。典型的换能器具有分层结构，其中压电元件接合到背衬层和耐磨板。由于所述换能器具有由驻波呈现的高机械阻抗，耐磨板的传统设计指南，例如驻波应用中的半波长厚度或辐射应用中的四分之一波长厚度，以及制造方法可能不合适。当然，在本公开的一个实施例中，换能器不具有耐磨板或背衬，允许压电元件以具有高Q因子的本征模式之一(即，接近本征频率)振动。振动压电元件，例如陶瓷晶体/盘，直接暴露于流过声室的流体。
去除背衬(例如，使压电元件背对空气)也允许元件在几乎没有阻尼的情况下以高阶振动模式振动(例如，高阶模态位移)。在具有带背衬的压电元件的换能器中，所述元件像活塞一样以更均匀的位移振动。去除背衬允许元件以非均匀位移的模式振动。所述压电元件的振型级别越高，所述元件的节线(nodal lines)越多。虽然所述捕获线与节点的相关性不一定是一对一，所述元件的更高阶模态位移产生了更多的捕获线，而且以更高频率驱动所述元件不一定会产生更多的捕获线。
在一些实施例中，所述压电元件可具有最低程度影响晶体Q因子(例如小于5％)的背衬。所述背衬可以由轻木、泡沫或软木等基本上透声的材料制成，从而允许所述元件以更高阶振形振动并且保持高Q因子，同时仍然为所述元件提供一些机械支撑。所述背衬层可以是实心的，或者可以是具有穿过该层的孔的格子，从而使所述格子以特定的高阶振动模式遵循所述振动元件的节点，在节点位置处提供支撑，同时允许所述元件的其余部分自由振动。网格或透声材料的作用是提供支撑但不降低所述压电元件的Q因子或干扰特定振形的励磁。
通过避免环氧树脂层和耐磨板的阻尼和能量吸收效应，使所述压电元件与流体直接接触也有助于高Q因子。其他实施例可以具有耐磨板或耐磨表面以防止包含铅的PZT接触主流体。这在例如分离血液的生物应用中可能是合适的。这种应用可能使用耐磨层，如铬，电解镍或无电镀镍。化学气相沉积也可用于施加聚(对二甲苯)层(例如聚对二甲苯)或其他聚合物或聚合物膜层。有机和生物相容性涂层如硅树脂或聚氨酯也可用作耐磨表面。
由本发明的超声换能器产生的总声辐射力(acoustic radiation force，ARF)的横向力是显着的，并且足以克服在高达1cm/s以上的高线速度下的流体阻力。例如，对于分离细胞/颗粒，本公开的装置的线性速度可以是最小4cm/min；对于油/水相的分离该线性速度可以高达1cm/sec。
与所述压电元件作为具有均匀位移的活塞有效移动的振动形式相反，通过以高阶振形驱动所述换能器可以增加由换能器产生的声辐射力的横向力。所述声压与所述换能器的驱动电压成比例。电功率与电压的平方成比例。电压信号可以具有正弦曲线，三角形，脉冲或类似的波形，并且可具有从约100kHz到约20MHz的频率。换能器通常是一个薄的压电板，在z轴上有电场，而在z轴上有主要位移。所述换能器通常在一侧与空气耦合(换能器内的气隙)而在另一侧与细胞培养基的流体混合物耦合。在所述板中产生的波的类型被称为复合波。所述压电板中复合波的一个子集类似于泄漏对称(也称为压缩或拉伸)兰姆波。所述板的压电性质通常导致对称的兰姆波的激发。这些波是由于它们辐射到水层而泄漏的，这导致在水层中产生声驻波。兰姆波存在于无限域的薄板上，其表面为无应力状态。由于本实施例的换能器本质上是有限的，所以实际的模态位移更为复杂。
通常，本公开的所述换能器用于产生压力场；该压力场在与驻波正交的方向和驻波方向产生相同数量级的声辐射力。当这俩方向上的力具有大致相同的数量级时，尺寸为0.1微米至300微米的颗粒将更有效地移向“捕获线”，使得所述颗粒不经过所述压力场。而是，所述颗粒将保持在声室内，从声室可以有利地通过所述声泳装置的特定出口收集颗粒或以其他方式再循环回相关的生物反应器。
本文所述的声泳装置和方法可用于从主流体分离次流体或颗粒。就此而言，本公开的装置和方法利用具有非平面表面的压电材料的高阶模态位移，使所述压电材料可受到单个激励的扰动，但仍产生多维声驻波。
本公开参照示例性实施例进行了描述。显然，阅读和理解了前面的详细描述之后，可做相应的修改和变更。本公开允许所有落入所附权利要求或其等同物范围内的修改和变更。

Claims (26)

1.一种声泳装置，包括：
具有至少一个入口和至少一个出口的声室；
位于所述声室的壁上的至少一个超声换能器，其中每个超声换能器包括压电材料，所述压电材料受电压信号驱动，以在所述声室中产生从所述压电材料的非平面表面发出的多维声驻波；以及
位于所述声室的与所述至少一个超声波换能器相对立的侧壁上的反射器。
2.根据权利要求1所述的声泳装置，其中所述压电材料的所述非平面表面在基本上垂直于所述压电材料的第二表面的方向上被极化。
3.根据权利要求1所述的声泳装置，其中所述压电材料的所述非平面表面由阶梯函数或平滑函数限定。
4.根据权利要求1所述的声泳装置，其中所述反射器具有非平面表面。
5.根据权利要求4所述的声泳装置，其中所述反射器的所述非平面表面由阶梯函数或平滑函数限定。
6.根据权利要求1所述的声泳装置，其中，所述至少一个超声换能器具有非对称形状。
7.根据权利要求6所述的声泳装置，其中，所述至少一个超声换能器具有梯形形状。
8.根据权利要求6所述的声泳装置，其中所述反射器具有非对称形状。
9.根据权利要求8所述的声泳装置，其中所述反射器具有梯形形状。
10.一种从主流体分离次流体或颗粒的方法，包括：
使所述主流体和所述次流体或颗粒的混合物流动经过声泳装置，所述声泳装置包括：具有至少一个入口和至少一个出口的声室；位于所述声室的壁上的至少一个超声换能器，其中每个超声换能器包括压电材料，所述压电材料受电压信号驱动，以在所述声室中产生从所述压电材料的非平面表面发出的多维声驻波；以及位于所述声室的与所述至少一个超声波换能器相对立的侧壁上的反射器；以及
发送电压信号驱动所述至少一个超声换能器以在所述声室中产生所述多维声驻波，使得所述次流体或颗粒在所述驻波中被连续捕获，进而聚集、聚合、结块或结合在一起，随后依靠浮力或重力在所述主流体中升高或沉降，并离开所述声室。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述压电材料的所述非平面表面在基本垂直于所述压电材料的第二表面的方向上被极化。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述压电材料的所述非平面表面由阶梯函数或平滑函数来限定。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述反射器具有由阶梯函数或平滑函数限定的非平面表面。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一个超声换能器具有非对称形状。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述反射器具有非对称形状。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述电压信号具有正弦、三角或脉冲波形。
17.根据权利要求10所述的方法，其中所述电压信号具有从约100kHz到约20MHz的频率。
18.根据权利要求10所述的方法，其中所述混合物以从约1毫升/分钟到约50升/小时的流速连续流过所述声室。
19.根据权利要求10所述的方法，其中所述多维声驻波具有相同数量级的轴向力分量和侧向力分量。
20.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多维声驻波是一种三维声驻波。
21.根据权利要求10所述的方法，其中所述次流体或颗粒包括选自中国仓鼠卵巢细胞、t淋巴细胞和酵母细胞中的至少一种细胞。
22.一种声泳装置，包括：
具有至少一个入口和至少一个出口的声室；
位于所述声室的壁上的至少一个超声换能器，所述至少一个超声换能器包括压电材料，所述压电材料受电压信号驱动，以在所述声室中产生从所述压电材料的第一表面发出的多维声驻波；以及
位于所述声室的与所述至少一个超声换能器相对立的侧壁上的反射器，所述反射器具有非平面表面。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述至少一个超声换能器的所述第一表面是平面。
24.根据权利要求22所述的装置，其中所述反射器的所述非平面表面包括多个立面簇。
25.根据权利要求22所述的装置，其中所述反射器的所述非平面表面包括多个井。
26.根据权利要求22所述的装置，其中所述反射器的所述非平面表面设置在规则阶梯函数立面中。
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