Particles, ranging from submicron to nanometer scale, can be broadly categorized into biological and non-biological types. Submicron-to-nanoscale bioparticles include various bacteria, viruses, liposomes, and exosomes. Non-biological particles cover various inorganic, metallic, and carbon-based particles. The effective manipulation of these submicron to nanoparticles, including their separation, sorting, enrichment, assembly, trapping, and transport, is a fundamental requirement for different applications. Acoustofluidics, owing to their distinct advantages, have emerged as a potent tool for nanoparticle manipulation over the past decade. Although recent literature reviews have encapsulated the evolution of acoustofluidic technology, there is a paucity of reports specifically addressing the acoustical manipulation of submicron to nanoparticles. This article endeavors to provide a comprehensive study of this topic, delving into the principles, apparatus, and merits of acoustofluidic manipulation of submicron to nanoparticles, and discussing the state-of-the-art developments in this technology. The discourse commences with an introduction to the fundamental theory of acoustofluidic control and the forces involved in nanoparticle manipulation. Subsequently, the working mechanism of acoustofluidic manipulation of submicron to nanoparticles is dissected into two parts, dominated by the acoustic wave field and the acoustic streaming field. A critical analysis of the advantages and limitations of different acoustofluidic platforms in nanoparticles control is presented. The article concludes with a summary of the challenges acoustofluidics face in the realm of nanoparticle manipulation and analysis, and a forecast of future development prospects.

By leveraging the benefits of a high energy density, miniaturization and integration, acoustic-wave-driven micromotors have recently emerged as powerful tools for microfluidic actuation. In this study, a Lamb-wave-driven micromotor is proposed for the first time. This motor consists of a ring-shaped Lamb wave actuator array with a rotor and a fluid coupling layer in between. On a driving mechanism level, high-frequency Lamb waves of 380 MHz generate strong acoustic streaming effects over an extremely short distance; on a mechanical design level, each Lamb wave actuator incorporates a reflector on one side of the actuator, while an acoustic opening is incorporated on the other side to limit wave energy leakage; and on electrical design level, the electrodes placed on the two sides of the film enhance the capacitance in the vertical direction, which facilitates impedance matching within a smaller area. As a result, the Lamb-wave-driven solution features a much lower driving voltage and a smaller size compared with conventional surface acoustic-wave-driven solutions. For an improved motor performance, actuator array configurations, rotor sizes, and liquid coupling layer thicknesses are examined via simulations and experiments. The results show the micromotor with a rotor with a diameter of 5 mm can achieve a maximum angular velocity of 250 rpm with an input voltage of 6 V. The proposed micromotor is a new prototype for acoustic-wave-driven actuators and demonstrates potential for lab-on-a-chip applications.

Microelectromechanical system (MEMS) cantilever resonators suffer from high motional impedance (Rm). This paper investigates the use of mechanically coupled multi-cantilever piezoelectric MEMS resonators in the resolution of this issue. A double-sided actuating design, which utilizes a resonator with a 2.5 μm thick AlN film as the passive layer, is employed to reduce Rm. The results of experimental and finite element analysis (FEA) show agreement regarding single- to sextuple-cantilever resonators. Compared with a standalone cantilever resonator, the multi-cantilever resonator significantly reduces Rm; meanwhile, the high quality factor (Q) and effective electromechanical coupling coefficient (Kteff2) are maintained. The 30 μm wide quadruple-cantilever resonator achieves a resonance frequency (fs) of 55.8 kHz, a Q value of 10,300, and a series impedance (Rs) as low as 28.6 kΩ at a pressure of 0.02 Pa; meanwhile, the smaller size of this resonator compared to the existing multi-cantilever resonators is preserved. This represents a significant advancement in MEMS resonators for miniaturized ultra-low-power oscillator applications.

The µTAS/LOC, a highly integrated microsystem, consolidates multiple bioanalytical functions within a single chip, enhancing efficiency and precision in bioanalysis and biomedical operations. Microfluidic centrifugation, a key component of LOC devices, enables rapid capture and enrichment of tiny objects in samples, improving sensitivity and accuracy of detection and diagnosis. However, microfluidic systems face challenges due to viscosity dominance and difficulty in vortex formation. Acoustic-based centrifugation, particularly those using surface acoustic waves (SAWs), have shown promise in applications such as particle concentration, separation, and droplet mixing. However, challenges include accurate droplet placement, energy loss from off-axis positioning, and limited energy transfer from low-frequency SAW resonators, restricting centrifugal speed and sample volume. In this work, we introduce a novel ring array composed of eight Lamb wave resonators (LWRs), forming an Ultra-Fast Centrifuge Tunnel (UFCT) in a microfluidic system. The UFCT eliminates secondary vortices, concentrating energy in the main vortex and maximizing acoustic-to-streaming energy conversion. It enables ultra-fast centrifugation with a larger liquid capacity (50 μL), reduced power usage (50 mW) that is one order of magnitude smaller than existing devices, and greater linear speed (62 mm/s), surpassing the limitations of prior methods. We demonstrate successful high-fold enrichment of 2 μm and 10 μm particles and explore the UFCT's potential in tissue engineering by encapsulating cells in a hydrogel-based micro-organ with a ring structure, which is of great significance for building more complex manipulation platforms for particles and cells in a bio-compatible and contactless manner.

In conventional piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (PMUTs), the backside acoustic energy is often used inefficiently, resulting in up to half of the energy being wasted. Vacuum encapsulation can improve the energy utilization efficiency, but this technique is not compatible with state-of-the-art devices such as cantilever-based PMUTs. A closed back cavity provides an alternative method for effectively utilizing the backside acoustic energy. This paper investigates the effects of a closed back cavity on PMUT performance through theoretical analysis, simulations, and experimental verification. Increasing the cavity depth produces a periodic modulation of several key PMUT metrics, such as the relative frequency deviation and quality factor. The optimal cavity depth for PMUTs that ensures a robust resonant frequency and high quality factor is defined as a function of the acoustic wavelength. A closed back cavity also provides an effective method for continuously tuning the quality factor, and thus the bandwidth, of PMUTs. This work paves the way for air-coupled PMUTs with adjustable performance for various applications.