The ability to drive microcentrifugation for efficient micromixing and particle concentration and separation on a microfluidic platform is critical for a wide range of lab-on-a-chip applications. In this work, we investigate the use of amplitude modulation to enhance the efficiency of the microcentrifugal recirculation flows in surface acoustic wave microfluidic systems, thus concomitantly reducing the power consumption in these devices for a given performance requirement—a crucial step in the development of miniaturized, integrated circuits for true portable functionality. In particular, we show that it is possible to obtain an increase of up to 60% in the acoustic streaming velocity in a microdroplet with kHz order modulation frequencies due to the intensification in Eckart streaming; the streaming velocity is increasing as the modulation index is increased. Additionally, we show that it is possible to exploit this streaming enhancement to effect improvements in the speed of particle concentration by up to 70% and the efficiency of micromixing by 50%, together with a modest decrease in the droplet temperature.

1.
Anderson
,
J. D.
,
Computational Fluid Dynamics: The Basics with Application
(
McGraw-Hill
,
1995
),
p. 261
.
2.
Ang
,
K. M.
,
Yeo
,
L. Y.
,
Friend
,
J. R.
,
Hung
,
Y. M.
, and
Tan
,
M. K.
,
J. Aerosol Sci.
79
,
48
(
2015
).
3.
Arifin
,
D. R.
,
Friend
,
J. R.
, and
Yeo
,
L. Y.
,
Biomicrofluidics
1
,
014103
(
2007
).
4.
Baudoin
,
M.
,
Brunet
,
P.
,
Matar
,
O. B.
, and
Herth
,
E.
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
154102
(
2012
).
5.
Beyer
,
R. T.
,
Nonlinear Acoustics: The Parameter B/A
, edited by
M. F.
Hamilton
and
D. T.
Blackstock
(
Academic Press
,
1988
), pp.
25
40
.
6.
Blamey
,
J.
,
Yeo
,
L. Y.
, and
Friend
,
J. R.
,
Langmuir
29
,
3835
(
2013
).
7.
Bourquin
,
Y.
,
Reboud
,
J.
,
Wilson
,
R.
,
Zhang
,
Y.
, and
Cooper
,
J. M.
,
Lab Chip
11
,
2725
(
2011
).
8.
Brunet
,
P.
,
Baudoin
,
M.
,
Matar
,
O. B.
, and
Zoueshtiagh
,
F.
,
Phys. Rev. E
81
,
036315
(
2010
).
9.
Chen
,
Y.
,
Li
,
S.
,
Gu
,
Y.
,
Li
,
P.
,
Ding
,
X.
,
Wang
,
L.
,
McCoy
,
J. P.
,
Levine
,
S. J.
, and
Huang
,
T. J.
,
Lab Chip
14
,
924
(
2014
).
10.
Cheng
,
I.-F.
,
Chang
,
H.-C.
,
Hou
,
D.
, and
Chang
,
H.-C.
,
Biomicrofluidics
1
,
021503
(
2007
).
11.
Cho
,
S. K.
,
Zhao
,
Y.
, and
Kim
,
C.-J.
,
Lab Chip
7
,
490
(
2007
).
12.
Collingnon
,
S.
,
Friend
,
J.
, and
Yeo
,
L.
,
Lab Chip
15
,
1942
(
2015
).
13.
Dentry
,
M. B.
,
Yeo
,
L. Y.
, and
Friend
,
J. R.
,
Phys. Rev. E
89
,
013203
(
2014
).
14.
Destgeer
,
G.
,
Cho
,
H.
,
Ha
,
B. H.
,
Jung
,
J. H.
,
Park
,
J.
, and
Sung
,
H. J.
,
Lab Chip
16
,
660
(
2016
).
15.
Destgeer
,
G.
,
Ha
,
B. H.
,
Jung
,
J. H.
,
Park
,
J.
, and
Sung
,
H. J.
,
Lab Chip
14
,
4665
(
2014
).
16.
Destgeer
,
G.
,
Ha
,
B. H.
,
Park
,
J.
,
Jung
,
J. H.
,
Alazzam
,
A.
, and
Sung
,
H. J.
,
Anal. Chem.
87
,
4627
(
2015
).
17.
Destgeer
,
G.
,
Lee
,
K. H.
,
Jung
,
J. H.
,
Alazzam
,
A.
,
Park
,
J.
, and
Sung
,
H. J.
,
Lab Chip
13
,
4210
(
2013
).
18.
Destgeer
,
G.
and
Sung
,
H. J.
,
Lab Chip
15
,
2722
(
2015
).
19.
Dholakia
,
K.
,
Reece
,
P.
, and
Gu
,
M.
,
Chem. Soc. Rev.
37
,
42
(
2008
).
20.
Ding
,
X.
,
Li
,
P.
,
Lin
,
S.-C. S.
,
Stratton
,
Z. S.
,
Nama
,
N.
,
Guo
,
F.
,
Slotcavage
,
D.
,
Mao
,
X.
,
Shi
,
J.
,
Costanzo
,
F.
, and
Huang
,
T. J.
,
Lab Chip
13
,
3626
(
2013
).
21.
Frenzel
,
L.
,
Principles of Electronic Communication Systems
(
McGraw-Hill
,
2007
).
22.
Friend
,
J. R.
and
Yeo
,
L. Y.
,
Rev. Mod. Phys.
83
,
647
(
2011
).
23.
Frommelt
,
T.
,
Gogel
,
D.
,
Kostur
,
M.
,
Talkner
,
P.
,
Hänggi
,
P.
, and
Wixforth
,
A.
,
IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control
55
,
2298
(
2008a
).
24.
Frommelt
,
T.
,
Kostur
,
M.
,
Wenzel-Schafer
,
M.
,
Talkner
,
P.
,
Hanggi
,
P.
, and
Wixforth
,
A.
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
034502
(
2008b
).
25.
Glass
,
N. R.
,
Shilton
,
R. J.
,
Chan
,
P. P. Y.
,
Friend
,
J. R.
, and
Yeo
,
L. Y.
,
Small
8
,
1881
(
2012
).
26.
Hamilton
,
M. F.
,
Il'inskii
,
Y. A.
, and
Zabolotskaya
,
E. A.
,
Dispersion
, edited by
M. F.
Hamilton
and
D. T.
Blackstock
(
Academic Press
,
1998
) pp.
151
175
.
27.
Harrison
,
H.
,
Lu
,
X.
,
Patel
,
S.
,
Thomas
,
C.
,
Todd
,
A.
,
Johnson
,
M.
,
Raval
,
Y.
,
Tzeng
,
T.-R.
,
Song
,
Y.
,
Wang
,
J.
,
Li
,
D.
, and
Xuan
,
X.
,
Analyst
140
,
2869
(
2015
).
28.
Hou
,
D.
,
Maheshwari
,
S.
, and
Chang
,
H.-C.
,
Biomicrofluidics
1
,
014106
(
2007
).
29.
Hwang
,
H.
and
Park
,
J.-K.
,
Lab Chip
9
,
199
(
2009
).
30.
Jo
,
M. C.
and
Guldiken
,
R.
,
Sens. Actuators A
196
,
1
(
2013
).
31.
Jung
,
J. H.
,
Destgeer
,
G.
,
Ha
,
B. H.
,
Park
,
J.
, and
Sung
,
H. J.
,
Lab Chip
16
,
3235
(
2016
).
32.
King
,
L. V.
,
Proc. R. Soc. London A
147
,
212
(
1934
).
33.
Kinsler
,
L. E.
,
Frey
,
A. R.
,
Coppens
,
A. B.
, and
Sanders
,
J. V.
,
Fundamentals of Acoustics
(
John Wiley & Sons
,
2000
).
34.
Kondoh
,
J.
,
Shimizu
,
N.
,
Matsui
,
Y.
,
Sugimoto
,
M.
, and
Shiokawa
,
S.
,
Sens. Actuators A
149
,
292
(
2009
).
35.
Laurell
,
T.
,
Petersson
,
F.
, and
Nilsson
,
A.
,
Chem. Soc. Rev.
36
,
492
(
2007
).
36.
Lewpiriyawong
,
N.
,
Yang
,
C.
, and
Lam
,
Y. C.
,
Microfluid Nanofluid
12
,
723
(
2012
).
37.
Li
,
H.
,
Friend
,
J. R.
, and
Yeo
,
L. Y.
,
Biomed. Microdevices
9
,
647
(
2007
).
38.
Lin
,
S.-C. S.
,
Mao
,
X.
, and
Huang
,
T. J.
,
Lab Chip
12
,
2766
(
2012
).
39.
Manor
,
O.
,
Rezk
,
A. R.
,
Friend
,
J. R.
, and
Yeo
,
L. Y.
,
Phys. Rev. E
91
,
053015
(
2015
).
40.
Manor
,
O.
,
Yeo
,
L. Y.
, and
Friend
,
J. R.
,
J. Fluid Mech.
707
,
482
(
2012
).
41.
Martins
,
A. M. G.
,
Glass
,
N. R.
,
Harrison
,
S.
,
Rezk
,
A. R.
,
Porter
,
N. A.
,
Carpenter
,
P. D.
,
Plessis
,
J. D.
,
Friend
,
J. R.
, and
Yeo
,
L. Y.
,
Anal. Chem.
86
,
10812
(
2014
).
42.
Morse
,
P. M.
and
Ingard
,
K. U.
,
Theoretical Acoustics
(
McGraw-Hill
,
1986
).
43.
Nguyen
,
N.-T.
and
Wu
,
Z.
,
J. Micromech. Microeng.
15
,
R1
(
2005
).
44.
Nyborg
,
W. L.
,
Acoustic Streaming
, edited by
M. F.
Hamilton
and
D. T.
Blackstock
(
Academic Press
,
1988
), pp.
207
231
.
45.
Pamme
,
N.
,
Eijkel
,
J. C.
, and
Manz
,
A.
,
J. Magn. Magn. Mater.
307
,
237
(
2006
).
46.
Qi
,
A.
,
Yeo
,
L. Y.
, and
Friend
,
J. R.
,
Phys. Fluids
20
,
074103
(
2008
).
47.
Raghavan
,
R. V.
,
Friend
,
J. R.
, and
Yeo
,
L. Y.
,
Microfluid. Nanofluid.
8
,
73
(
2010
).
48.
Rajapaksa
,
A.
,
Qi
,
A.
,
Yeo
,
L. Y.
,
Coppel
,
R.
, and
Friend
,
J. R.
,
Lab Chip
14
,
1858
(
2014
).
49.
Rezk
,
A. R.
,
Manor
,
O.
,
Yeo
,
L. Y.
, and
Friend
,
J. R.
,
Proc. R. Soc. A
470
,
20130765
(
2014
).
50.
Rogers
,
P. R.
,
Friend
,
J. R.
, and
Yeo
,
L. Y.
,
Lab Chip
10
,
2979
(
2010
).
51.
Rozenberg
,
L. D.
,
High-Intensity Ultrasonic Fields
(
Plenum Press
,
1971
).
52.
Schmid
,
L.
,
Wixforth
,
A.
,
Weitz
,
D. A.
, and
Franke
,
T.
,
Microfluid. Nanofluid.
12
,
229
(
2012
).
53.
Schröder
,
C. T.
and
Scott
,
W. R.
,
IEEE Trans. Geosci. Remote Sens.
38
,
1505
(
2000
).
54.
Shi
,
J.
,
Mao
,
X.
,
Ahmed
,
D.
,
Colletti
,
A.
, and
Huang
,
T. J.
,
Lab Chip
8
,
221
(
2008
).
55.
Shi
,
J.
,
Mao
,
X.
,
Ahmed
,
D.
,
Colletti
,
A.
, and
Huang
,
T. J.
,
Lab Chip
9
,
3354
(
2009
).
56.
Shilton
,
R.
,
Tan
,
M. K.
,
Yeo
,
L. Y.
, and
Friend
,
J. R.
,
J. Appl. Phys.
104
,
014910
(
2008
).
57.
Shilton
,
R. J.
,
Mattoli
,
V.
,
Travagliati
,
M.
,
Agostini
,
M.
,
Desii
,
A.
,
Beltram
,
F.
, and
Cecchini
,
M.
,
Adv. Funct. Mater.
25
,
5895
(
2015
).
58.
Shilton
,
R. J.
,
Travagliati
,
M.
,
Beltram
,
F.
, and
Cecchini
,
M.
,
Adv. Mater.
26
,
4941
(
2014
).
59.
Shilton
,
R. J.
,
Yeo
,
L. Y.
, and
Friend
,
J. R.
,
Sens. Actuators B
160
,
1565
(
2011
).
60.
Stone
,
H. A.
,
Stroock
,
A. D.
, and
Ajdari
,
A.
,
Annu. Rev. Fluid Mech.
36
,
381
(
2004
).
61.
Tan
,
M. K.
,
Friend
,
J. R.
,
Matar
,
O. K.
, and
Yeo
,
L. Y.
,
Phys. Fluids
22
,
112112
(
2010
).
62.
Tan
,
M. K.
,
Friend
,
J. R.
, and
Yeo
,
L. Y.
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
024501
(
2009
).
63.
Tan
,
M. K.
,
Yeo
,
L. Y.
, and
Friend
,
J. R.
,
EPL
87
,
47003
(
2009
).
64.
Winkler
,
A.
,
Harazim
,
S. M.
,
Menzel
,
S. B.
, and
Schmidt
,
H.
,
Lab Chip
15
,
3793
(
2015
).
65.
Yeo
,
L. Y.
,
Chang
,
H.-C.
,
Chan
,
P. P. Y.
, and
Friend
,
J. R.
,
Small
7
,
12
(
2011
).
66.
Yeo
,
L. Y.
and
Friend
,
J. R.
,
Annu. Rev. Fluid Mech.
46
,
379
(
2014
).
67.
Yeo
,
L. Y.
,
Friend
,
J. R.
, and
Arifin
,
D. R.
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
103516
(
2006a
).
68.
Yeo
,
L. Y.
,
Hou
,
D.
,
Maheshswari
,
S.
, and
Chang
,
H.-C.
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
233512
(
2006b
).
69.
Zeng
,
J.
,
Chen
,
C.
,
Vedantam
,
P.
, and
Xuan
,
T.-R. T. X.
,
Microfluid. Nanofluid.
15
,
49
(
2013
).
You do not currently have access to this content.