[发明专利]声泳系统及其操作方法、控制声换能器及声学系统的方法

说明书

控制和驱动声泳系统以达到期望的性能水平。RF控制器和驱动器向声换能器提供频率和功率，该声换能器可以被实现为呈现无功负载或复合负载的压电元件。控制器实现用于高效换能器操作的控制技术。该控制技术可以定位用于操作的频率，该频率在系统的电抗最小值或最大值处，以产生模态模式并提供换能器的高效操作。一种检测声泳系统中最小或最大电抗并利用检测到的电抗的频率来操作声泳系统的方法，该声泳系统用于捕获、分离、偏转、簇集、分馏或以其他方式处理初级流体中的粒子或二次流体或三次流体。

背景技术

声泳是使用声学来执行材料分离。例如，可以使用声驻波来将粒子和二次流体(secondary fluid)与初级或主体流体(primary or host fluid)分离。当密度和/或可压缩性存在差异(也称为声学对比因子)时，声驻波可以对流体中的粒子施加力。驻波中的压力分布(pressure profile)包含驻波波节处的局部最小压力幅度区域和驻波波腹处的局部最大值区域。取决于它们的密度和可压缩性，粒子可以被捕获在驻波的波节或波腹处。通常，驻波频率越高，可以捕获的粒子越小。

在微观尺度上，例如结构尺寸在微米量级的情况下，常规的声泳系统往往使用半波长或四分之一波长的声室(acoustic chamber)，其在几兆赫兹的频率下通常厚度小于一毫米，并且以非常慢的流速(例如，μL/min)工作。这样的系统是不可扩展的，这是因为它们得益于极低的雷诺数、层流操作和最小的流体动力学优化。

在宏观尺度上，平面声驻波已用于分离过程中。然而，单个平面波往往捕获粒子或二次流体，使得通过关闭或去除平面驻波来实现与初级流体的分离。去除平面驻波可能阻碍连续操作。而且，用于生成声平面驻波的功率量往往通过废能加热初级流体，这对于正被处理的材料可能是不利的。

发明内容

可以包括振荡器和放大器的电源可以用来微扰可以用于生成声波的压电材料。当反射器与压电材料结合使用时，生成的声波可以被反射回压电材料以形成声驻波。声驻波由波节和波腹组成，这些波节和波腹允许在其中生成声驻波的介质中的压差。

压电材料的微扰和声驻波中对反射波的反应的微调可以提高声驻波中波节和波腹的利用率。声驻波可用于处理初级流体中的材料和流体。

提供了一种能够响应声驻波的属性的控制系统。该控制系统可以调整声驻波，以实现对初级流体内的粒子和二次流体的捕获、分离、偏析 (segregation)、表征、偏转和分类以及其他过程。使用控制系统应用声泳的结果可用于细胞和基因疗法以及澄清(clarification)技术。可用的应用很多，并且可以用于包括能源(石油、天然气、生物燃料)、生物制药(例如，治疗剂的制造)、食品工业、生物农业等的领域，仅举几例。

在一个示例实施方式中，根据控制方案来操作电子控制器，以驱动电子器件，该电子器件以在压电材料与反射器之间形成声驻波的方式来微扰压电材料。可以通过使用微扰次级材料的单一压电材料来形成声驻波，使得其在次级材料内以及在该次级材料内的任何通道内形成声驻波。

可以利用声驻波来捕获、偏转、分离和/或偏析初级流体中的粒子和/ 或二次流体。通常，将声驻波设置为允许捕获特定粒子或二次流体的特定频率。当声驻波捕获粒子和/或二次流体时，声驻波的物理特性发生变化，并且用于驱动压电材料的控件被操作以补偿这些变化。对例如2MHz的频率下的声驻波内的变化的补偿使用对声驻波的物理属性的快速、及时的反馈(如压电材料所见的)，使得控制系统对声驻波的变化做出响应。反馈的速度可以足以减少或消除响应于声驻波内发生的物理变化的响应的混叠。该反馈和整体闭环速度避免了针对声驻波中正发生的物理变化的补偿接收不正确的反馈。

在使用声驻波的情况下的材料分离是称为声泳的过程。调整声驻波以改善或优化初级流体中的粒子或二次流体或三次流体(tertiary fluid)的分离有助于提高声泳过程的效率和/或减少或最小化输入到声驻波系统中的能量。