一种内置周期性阻块和挡板的被动式微混合器

摘要

本发明公开一种微流体系统中的内置周期性阻块和挡板的被动式微混合器，由上盖板和与上盖板键合在一起且位于上盖板正下方的混合板组成，混合板上设有一个主通道、一个出口通道和三个入口通道，在主通道内部沿主通道中心轴方向上设有多个混合单元，每个混合单元由四个圆柱形阻块和两个三角形挡板构成；在中心轴的前侧，沿中心轴方向上每一个三角形挡板、两个圆柱形阻块依次交错布置；在中心轴的后侧，沿中心轴方向上每两个圆柱形阻块、一个三角形挡板依次交错布置，每个三角形挡板均位于两个圆柱形阻块的对面正中间；三角形挡板具有集流和增大流体径向速度梯度的作用，多个混合单元可以不受雷诺数大小的影响，在所有雷诺数范围内实现完全混合。

说明书

技术领域

本发明涉及微机电领域中的微流体系统，尤其涉及微流体系统中的微混合器。

背景技术

微流体系统通过对微通道、微泵、微阀、微混合器的集成，实现在微尺度下对微量流体的控制、操作和检测，其已成为微机电系统的一个重要分支。在微流体系统中，整个系统的分析效率往往取决于两种或多种流体能否快速、充分混合，因此微流体混合技术是微流体系统的重点。作为微流体系统的重要组成部分，微混合器用于实现不同反应物在微尺度条件下的充分混合，在微量分析化学、生物芯片、微化工系统中应用越来越广泛。

微混合器根据有无额外动力源，可分为被动式和主动式两类。被动式微混合器主要采用具有复杂几何结构（如在微流道中增加挡板、开设沟槽等）的微通道来形成混沌对流，以提高流体的对流强度，从而增加流体混合的接触面积，提高混合效率；主动式微混合器主要通过增加外部扰动（如磁场/电场扰动、热扰动，、超声波扰动等）来促进微流体混合。相比较而言，由于被动式微混合器不需要附加额外动力源，因此更加稳定且易于集成。而在提高被动式微混合器混合效率的方法上，优化通道结构和强化混沌对流是目前被公认的最佳方法之一。

在微尺度下，由于雷诺数很低，难以形成湍流，要实现微流体的完全混合（混合效率大于90%）是很困难的。因而现有的被动式微混合器只有在雷诺数大于一定数值后，才能达到完全混合的指标，这在一定程度上限制了所设计的微混合器的使用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的被动式微混合器只有在雷诺数大于一定数值后才能达到完全混合的不足而提出一种内置周期性阻块和挡板结构的被动式微混合器，可以在所研究的所有雷诺数范围内实现微流体的完全混合，结构简单，加工方便，易于集成化和微型化。

本发明采用的技术方案是：本发明由上盖板和与上盖板键合在一起且位于上盖板正下方的混合板组成，混合板上设有一个主通道、一个出口通道和三个入口通道，三个入口通道在混合板的左半部分上，出口通道在混合板的右半部分上，三个入口通道和出口通道之间连接主通道，在主通道内部沿主通道的中心轴的方向上设有多个混合单元，每个混合单元由四个圆柱形阻块和两个三角形挡板构成；在中心轴的前侧，沿中心轴方向上每一个三角形挡板、两个圆柱形阻块依次交错布置；在中心轴的后侧，沿中心轴方向上每两个圆柱形阻块、一个三角形挡板依次交错布置，每个三角形挡板均位于两个圆柱形阻块的对面正中间；圆柱形阻块的截面是圆形，三角形挡板为主通道的外壁向主通道内部凹陷形成的截面是等腰直角三角形的结构，三角形挡板的底边与主通道的外壁相重合，等腰直角三角形顶角为90°且该顶角的顶点在所述中心轴上，等腰直角三角形底边的两个顶点与正对面的圆柱形阻块的圆心之间连接线垂直于所述中心轴。

进一步地，所有的圆柱形阻块沿中心轴方向上等距布置，所有的三角形挡板沿中心轴方向上等距布置，每个圆柱形阻块均位于中心轴和主通道外壁之间的正中间。

进一步地，圆柱形阻块和三角形挡板的上下高度与主通道的高度相同。

本发明与现有技术相比后的有益效果是：本发明是利用特殊的流道结构形式，使流体在微流道中产生剧烈的混沌对流的原理设计而成的；混沌对流时能使原本平行的流体层发生拉伸、分割、扭曲、折叠等现象，促使流体产生横向流动和旋涡区，可显著强化混合。本发明中的三角形挡板具有“集流”和增大流体径向速度梯度的作用，使流体局部速度变化突然增大，并在圆柱形阻块附近产生绕流，形成漩涡区，从而有效提高混沌对流强度，增加流体间的接触面积，达到完全混合。与其他利用混沌对流原理促进混合的被动式微混合器结构相比，本发明结构更为简单，便于加工和集成，更重要的是，本发明具有多个混合单元，可以不受雷诺数大小的影响，在所研究的所有雷诺数范围内实现微流体的完全混合。

附图说明

图1为本发明的主体结构剖视图；

图2为图1中上盖板15的俯视图；

图3为图1中A-A方向混合板8的剖视图；

图4为图3中混合板8上单个混合单元的放大图；

图5为混合单元数分别是5、6、7时本发明的混合效率与雷诺数的关系图；

图中：1.入口通道；2.入口通道；3.主通道；4.圆柱形阻块；5.三角形挡板；6.中心轴；7.出口通道；8.混合板；9.入口通道；10.十字型通道；11.进口孔；12.进口孔；13出口孔；14进口孔；15上盖板。

具体实施方式

如图1所示，本发明由上盖板15以及与上盖板15键合在一起的混合板8组成，混合板8位于上盖板15的正下方，上盖板15的厚度为H1，100μm≤H1≤200μm。

再参见图2，在上盖板15上开有三个进口孔和一个出口孔，这四个孔均是垂直的通孔，上下高度均为H1，等于上盖板15的厚度。分别是在上盖板15左半部分上的第一进口孔11、第二进口孔12、第三进口孔14以及在上盖板15右半部分上的出口孔13。

再参见图1和图3，在混合板8上设有一个主通道3、一个出口通道7和三个入口通道，混合板8上的这些所有通道的上下高度均是H2。三个入口通道分别是第一入口通道1、第二入口通道2和第三入口通道9。其中，三个入口通道位于混合板8的左半部分上，出口通道7在混合板8的右半部分上，三个入口通道和出口通道7之间连接主通道3。第一入口通道1、主通道3、出口通道7的中心轴6共线。第二入口通道2和第三入口通道9的中心轴共线，且第二入口通道2和第三入口通道9的中心轴均垂直于第一入口通道1、主通道3、出口通道7的中心轴6。三个入口通道和主通道3相连且相通，在混合板8上形成一个十字型通道10。三个入口通道的通道长度相同，均为L1，200μm≤L1≤400μm；第二入口通道2和第三入口通道9的通道宽度相等，且二者之和恒等于第一入口通道1的通道宽度，第一入口通道1的通道宽度与主通道3和出口通道7的通道宽度相同，均为W，100μm≤W≤200μm。

上盖板15上的三个进口孔即第一进口孔11、第二进口孔12、第三进口孔14和一个出口孔13均直接在pyrex7740玻璃上定位打孔，三个进口孔的位置分别对应于混合板8上的三个入口通道即第一入口通道1、第二入口通道2、第三入口通道9和一个出口通道7的位置，三个进口孔分别与对应的三个入口通道相连通，如：第一进口孔11与第一入口通道1相连通，第二进口孔12与第二入口通道2相连通，第三进口孔14与第三入口通道9相连通。出口孔13的位置对应于出口通道7的位置，并且出口孔13与出口通道7连通。三个进口孔的直径与其下方对应的三个入口通道的通道宽度相同，如：第一进口孔11的直径与其下方的第一入口通道1的通道宽度相同，第二进口孔12、第三进口孔14的直径相同且与第二入口通道2、第三入口通道9的通道宽度相同。

在主通道3内部沿中心轴6的方向周期性地设有圆柱形阻块4和三角形挡板5，每四个圆柱形阻块4和两个三角形挡板5构成一个混合单元，每个混合单元之间的距离为L4，该距离L4等于主通道3的宽度W，即L4=W。在主通道3中共布置有多个这样的混合单元，本发明中混合单元的数量n≥6。圆柱形阻块4和三角形挡板5的上下高度均是H2，100μm≤H2≤200μm，与混合板8上的通道高度相同。第一个混合单元与三入口通道相连，第一个混合单元的第一个圆柱形阻块4与三入口通道之间的轴向最短距离为L2，300μm≤L2≤600μm。最后一个混合单元与出口通道7首端相连，最后一个混合单元的最后一个圆柱形阻块4距离出口通道7末端的轴向长度为L3，200μm≤L3≤400μm。

每个混合单元中，四个圆柱形阻块4沿中心轴6在左右方向上等距布置，左右相邻两个圆柱形阻块4之间的距离均是L4。由于每个混合单元之间的距离也为L4，这样，本发明中所有的圆柱形阻块4沿中心轴6方向上等距布置，所有的三角形挡板5沿中心轴6方向上等距布置。

其中，四个圆柱形阻块4中的左方的两个圆柱形阻块4位于中心轴6后侧，右方的两个圆柱形阻块4位于中心轴6前侧，即左方的两个圆柱形阻块4与后方的两个圆柱形阻块4相对于中心轴6前后交错布置。在左方的两个圆柱形阻块4对面正中间布置一个在中心轴6前侧的三角形挡板5，在右方的两个圆柱形阻块4对面正中间布置一个在中心轴6后侧的三角形挡板5。如此，多个混合单元中，在中心轴6的前侧，沿中心轴6方向上，一个三角形挡板5、两个圆柱形阻块4依次交错布置；在中心轴6的后侧，沿中心轴6方向上，两个圆柱形阻块4、一个三角形挡板5依次交错布置，每个三角形挡板5均位于两个圆柱形阻块4的对面正中间，沿中心轴6方向上每四个圆柱形阻块4和两个三角形挡板5构成一个混合单元。

圆柱形阻块4为截面是圆形的结构，三角形挡板5为主通道3的外壁向主通道3内部凹陷形成的截面是等腰直角三角形的结构，三角形挡板5的底边与主通道3的外壁相重合，等腰直角三角形顶点在混合板8的中心轴6上，且该顶点处顶角为90°，等腰直角三角形底边的两个顶点分别与正对面的圆柱形阻块4的圆心之间连接线垂直于中心轴6，并且另两个顶点之间的距离是L4。每个圆柱形阻块4的直径均为d，0.4W≤d<0.45W，每个圆柱形阻块4的圆心到中心轴6和主通道3外壁的距离相同，均为(W-2d)/4，即每个圆柱形阻块4位于中心轴6和主通道3外壁的正中间。

混合板8由聚二甲基硅氧烷有机硅（PDMS）加工而成，其具体工艺流程为：首先，在PDMS上热生长SiO₂作为掩膜，掩膜厚度为2μm左右；然后在SiO₂掩膜上涂抹较厚光刻胶保护，采用光刻工艺并刻蚀SiO₂掩膜，从而在SiO₂上刻蚀出与掩膜版完全相同的微混合器平面结构；接着，采用Alcatel干法刻蚀工艺正面刻蚀，刻蚀深度H2；最后，干法去胶，去氧化层，清洗干净后与上盖板15对准并进行静电键合。

本发明工作时，通过第二进口孔12、第三进口孔14向第二入口通道2、第三入口通道9中注入的是同一种液体，通过第一进口孔11向第一入口通道1注入的是另一种液体，两种不同液体以相同速度注入，以保证这两种不同的流体等量注入微混合器。两种液体流经十字型通道10时，完成初步混合形成混合液；而后，混合液进入周期性布置的圆柱形阻块4和三角形挡板5区域，由于三角形挡板具有“集流”和增大流体径向速度梯度的作用，使流体局部速度变化突然增大，并在圆柱形阻块4附近产生绕流，形成漩涡区，从而有效提高混沌对流强度，增加流体间的接触面积，达到混合目的；由于三角形挡板5和圆柱形阻块4沿轴向周期性布置，混合液在整个主通道3内周期性呈现混合过程，有利于诱发产生混沌对流，提高混合效率。最后，从主通道3流出的混合液流入出口通道7，并从出口孔13流出微混合器，完成混合过程。

图5中曲线C1、C2、C3分别表示混合单元数n为5、6、7时的混合效率与雷诺数的关系，由图5可以看出，混合单元数n不同时，混合效率随着雷诺数作相同趋势的变化，但微混合器的最低混合效率随着混合单元数n的增加而不断提高；当混合单元数n≥6时，最低混合效率已经超过了90%，如图5中曲线C2、C3所示，达到了完全混合状态。