CN101757864B - 一种气泡摆动式微混合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于微混合器技术领域的一种气泡摆动式微混合系统。气泡摆动式微混合器中，气体、液体a和液体b在主混合微通道入口的渐扩喷嘴处形成汇聚流，该汇聚流在气液界面张力和粘性剪切力的共同支配下形成气泡序列，在周期性交替直流脉冲电压的激励下，主混合微通道上方两侧的薄膜电阻微加热器上产生周期性交替温升，在主混合微通道相应宽度方向上形成周期性反向温度梯度，温度梯度导致界面张力梯度，液体向低温侧移动，气泡向高温测移动，周期性反向温度梯度使气泡在通道宽度方向上高频摆动，从而强化流体之间的混合。本发明能够快速高效地实现两种不同流体在微尺度下的充分混合，具有广阔的应用前景。

Description

一种气泡摆动式微混合系统

技术领域

本发明属于微混合技术领域，特别涉及一种气泡摆动式微混合系统。

背景技术

近一个世纪以来，微电子技术、信息技术、生物技术、纳米技术等高科技领域取得了长足发展，这些高新技术的共同发展趋势之一是设备和系统的微型化和功能的集成化。在微加工技术的不断推动下，设计并制造各种功能型微器件、微设备和微系统已经成为可能。微全分析系统是将微执行器、微传感器、微混合器、微反应器、微分离器等部件集成到一个几平方厘米的芯片上，以实现样品输送、预混合、生化反应、分离及检测等系统功能，具有样品消耗量少、处理速度快、反应污染物排放少等优点，已经在生命科学及分析化学等领域受到广泛关注。其中，微混合器作为微全分析系统的重要部件，用来实现不同反应物在微尺度条件下的充分混合。

不同反应物之间的充分预混合是各种物理、化学及生物反应的先决条件。在宏观尺度下，通常采用机械搅拌的方式促进不同反应物之间的混合，或通过提高运动流体的雷诺数使流动处于湍流区从而增加混合效果，即宏观尺度下的混合主要通过增加不同流体之间的对流来实现。在微小尺度下，通道内的流动通常为低雷诺数的层流流动，不同流体之间的混合只能通过分子扩散来实现，往往需要较长的混合时间和较长的混合长度。在微观尺度下，各种促进微混合方法的共性在于产生垂直于待混合流体界面的扰动。目前，已有微混合器可分为两类，即主动式微混合器和被动式微混合器。主动式微混合器需要在微混合器内部集成运动部件，具有混合效率高的优点，但是其加工工艺复杂，存在运动部件导致可靠性降低；被动式微混合器采用具有复杂几何结构的通道来形成混沌流以强化流体混合，混合效率通常比主动式混合器低，同时复杂通道结构会造成流动阻力的增大。因此，微尺度下的流体混合尚未得到很好的解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种气泡摆动式微混合系统。

一种气泡摆动式微混合系统，其特征在于：该气泡摆动式微混合系统包括双路直流脉冲电压系统、供液泵系统、流体输送管路系统，微混合器主体及连接导线；

所述微混合器主体由上层盖板和下层基底键合而成；

所述下层基底上加工有主混合微通道、气体入口、气体入口微通道、液体a入口、液体a入口微通道、液体b入口、液体b入口微通道、混合液体流出通道、混合液体流出出口、气泡流出通道、气泡流出出口、渐扩喷嘴和栅格过滤器，气体入口微通道、液体a入口微通道和液体b入口微通道汇聚于主混合微通道入口处，用于将气体、液体a和液体b传递至主混合微通道，在主混合微通道的入口处设置渐扩喷嘴，气体、液体a和液体b在渐扩喷嘴处形成汇聚流，该汇聚流在气液界面张力和粘性剪切力的共同支配下形成气泡序列，主混合微通道出口处分别加工有混合液体流出通道和气泡流出通道，在混合液体流出通道的入口处加工有栅格过滤器，混合液体经栅格过滤器后滤除气泡，经混合液体流出通道后由混合液体流出出口流出，含气泡的废液经气泡流出通道后由气泡流出出口排出；

所述上层盖板面向下层基底一侧沉积有薄膜电阻微加热器层，薄膜电阻微加热器层分为两部分，分别为薄膜电阻微加热器a和薄膜电阻微加热器b，且在薄膜电阻微加热器层与上层盖板之间沉积有绝缘薄膜，绝缘薄膜用于薄膜电阻微加热器层与上层盖板之间的电绝缘，在薄膜电阻微加热器a和薄膜电阻微加热器b上再沉积金属引线将薄膜电阻微加热器a和b的大部分覆盖，未被金属引线覆盖的部分为薄膜电阻微加热器a和b的有效加热区域，薄膜电阻微加热器a和薄膜电阻微加热器b的有效加热区域均沿主混合微通道长度方向设置，位于主混合微通道内，并且分布于主混合微通道的上方两侧；

所述供液泵系统通过流体输送管路向微混合器主体内提供气体及待混合的两种液体；

所述双路直流脉冲电压系统通过连接导线与微混合器主体上层盖板上的金属引线相连，为微混合器主体上的薄膜电阻微加热器a和薄膜电阻微加热器b提供周期性直流交替脉冲激励电压，从而使混合液体内产生沿主混合微通道宽度方向上的周期性反向温度梯度，液体向低温侧移动，气泡向高温测移动，主混合微通道内的周期性反向温度梯度导致气泡序列在该微通道宽度方向上做周期性摆动，使液体充分混合。

所述上层盖板的宽度大于所述下层基底的宽度，以便于金属引线与双路直流脉冲电压系统相连接。

所述薄膜电阻微加热器a和薄膜电阻微加热器b有效加热区域的形状均为沿主混合微通道长度方向的长条形。

所述薄膜电阻微加热器a和薄膜电阻微加热器b有效加热区域的宽度均小于主混合微通道宽度的三分之一。

所述上层盖板、下层基底材质为硅、耐热玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

所述绝缘薄膜材质为二氧化钛。

所述薄膜电阻微加热器a和薄膜电阻微加热器b材质为铂或铝。

所述金属引线材质为金。

所述气体入口微通道、液体a入口微通道、液体b入口微通道、渐扩喷嘴、主混合微通道、混合液体流出通道和气泡流出通道的截面形状为矩形或正方形。

本发明的工作原理为：来自供液泵系统的气体、液体a和液体b经流体输送管路系统进入微混合器主体内的气体流入通道、液体a流入通道和液体b流入通道，在主混合微通道入口的渐扩喷嘴处形成汇聚流，该汇聚流在气液界面张力和粘性剪切力的共同支配下形成气泡序列，通过控制气体、液体a和液体b的流量可以控制该气泡序列的尺寸大小及生成频率。在液体a和液体b流量相等条件下，生成的气泡序列位于主混合微通道的中心(即待混合液体a和液体b的界面处)并跟随液体a和液体b流动。双路直流脉冲电压系统通过金属引线在位于主混合微通道上方两侧的薄膜电阻微加热器上施加周期性交替直流脉冲电压(即当在某一侧的薄膜电阻微加热器上施加电压时，另一侧微加热器上施加的电压为零)。在该周期性交替直流脉冲电压的激励下，所述主混合微通道上方两侧的薄膜电阻微加热器上产生周期性交替温升，从而在所述主混合微通道相应宽度方向上形成周期性反向温度梯度。在所述主混合微通道内的气液界面上，温度梯度导致界面张力梯度从而引起气液界面的Marangoni对流，即液体向低温侧移动，气泡向高温测移动。因此，主混合微通道内的周期性反向温度梯度将导致气泡序列在该微通道宽度方向上做周期性摆动，其摆动频率取决于所施加周期性交替直流脉冲电压的频率。当所施加的激励电压频率为千赫兹时，气泡在主混合微通道宽度方向(即垂直液体a和液体b界面方向)上的摆动频率亦可达千赫兹，从而极大的强化液体a和液体b之间的混合。在所述混合液体流出通道内，气泡被所述栅格过滤器阻挡，仅混合液体能通过，含气泡的废液从气泡流出通道排出。

本发明与现有微混合技术相比，具有以下优点：在已有主动式微混合器中，往往通过在微混合器内部集成微压电晶体或微搅拌装置等可运动部件来强化流体之间的混合，具有较高的混合效率，但由于采用了运动部件，不仅导致其加工工艺复杂，而且使其可靠性和使用寿命大大降低；在已有被动式微混合器中，往往采用具有复杂几何结构的通道使得待混合流体流经复杂结构通道时产生混沌流从而强化流体混合。被动式微混合器具有无需集成运动部件、可靠性高的优点，但其混合效率较主动式微混合器低，并且由于采用复杂几何结构通道增大了流动的压降，需要较大的泵送压力并对系统密封提出更高要求。本发明采用汇聚流流过渐扩喷嘴产生气泡序列，该气泡序列在主混合微通道内高频脉冲电压的激励下，产生通道宽度方向的高频摆动，从而极大的强化流体之间的混合。本发明所提供的微混合器，在没有集成运动部件的条件下，仅通过外部高频交替电压激励，实现了待混合流体界面的高频扰动。因此，本发明所提供的微混合器既具有主动式微混合器混合效率高的优点，又具有被动式微混合器无需集成运动部件、可靠性高的优点，提供了一种新颖、高效、可靠性高的强化微流体混合的方法、装置和系统，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的气泡摆动式微混合系统实施示意图；

图2为本发明所述气泡摆动式微混合器主体的结构示意图；

图3为栅格过滤器局部放大图；

图4为渐扩喷嘴局部放大图；

图5为绝缘薄膜、薄膜电阻微加热器及金属引线电极相对位置示意图；

图6为薄膜电阻微加热器a和b的有效加热区域示意图；

附图标记说明：1、双路直流脉冲电压系统，2、供液泵系统，3、流体输送管路系统，4、微混合器，5、连接导线，6、气体入口，7、液体a入口，8、液体b入口，9、混合液体流出出口，10、气泡流出出口，41、上层盖板，411、绝缘薄膜，412、薄膜电阻微加热器a，413、薄膜电阻微加热器b，414、金属引线，42、下层基底，421、气体入口微通道，422、液体a入口微通道，423、液体b入口微通道，424、渐扩喷嘴，425、主混合微通道，426、混合液体流出通道，427、气泡流出道通，428、栅格过滤器，4120、薄膜电阻微加热器a的有效加热区域，4130、薄膜电阻微加热器b的有效加热区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

一种气泡摆动式微混合系统，如图1所示，该气泡摆动式微混合系统包括双路直流脉冲电压系统1、供液泵系统2、流体输送管路系统3，微混合器主体4及连接导线5；

所述微混合器主体4由上层盖板41和下层基底42键合而成；如图2所示；

所述下层基底42上加工有主混合微通道425、气体入口6、气体入口微通道421、液体a入口7、液体a入口微通道422、液体b入口8、液体b入口微通道423、混合液体流出通道426、混合液体流出出口9、气泡流出通道427、气泡流出出口10、渐扩喷嘴424和栅格过滤器428，气体入口微通道421、液体a入口微通道422和液体b入口微通道423汇聚于主混合微通道425入口处，用于将气体、液体a和液体b传递至主混合微通道425，在主混合微通道425的入口处设置渐扩喷嘴424，渐扩喷嘴424的局部放大图如图3所示，气体、液体a和液体b在渐扩喷嘴424处形成汇聚流(flow focusing)，该汇聚流在气液界面张力和粘性剪切力的共同支配下形成气泡序列，气泡序列跟随液体a和液体b流入主混合微通道425，所形成气泡序列的频率和尺寸可通过供液泵系统1的流量控制进行调节，主混合微通道425出口处分别加工有混合液体流出通道426和气泡流出通道427，在混合液体流出通道426的入口处加工有栅格过滤器428，栅格过滤器428的局部放大图如图4所示，该栅格过滤器为采用微加工工艺制作的方柱阵列，来自主混合微通道425的混合流体中所含气泡在该栅格过滤器处被滤除，仅混合液体能通过，混合液体经栅格过滤器428后滤除气泡，经混合液体流出通道426后由混合液体流出出口9流出，含气泡的废液经气泡流出通道427后由气泡流出出口10排出；

所述上层盖板41面向下层基底42一侧沉积有薄膜电阻微加热器层，薄膜电阻微加热器层分为两部分，分别为薄膜电阻微加热器a412和薄膜电阻微加热器b413，且在薄膜电阻微加热器层与上层盖板41之间沉积有绝缘薄膜411，绝缘薄膜411用于薄膜电阻微加热器层与上层盖板41之间的电绝缘，在薄膜电阻微加热器a412和薄膜电阻微加热器b413上再沉积金属引线414将薄膜电阻微加热器a412和b413的大部分覆盖，未被金属引线414覆盖的部分为薄膜电阻微加热器a412和b413的有效加热区域，如图6所示，薄膜电阻微加热器a412的有效加热区域4120为未被金属引线414覆盖的部分，薄膜电阻微加热器b413的有效加热区域4130为未被金属引线414覆盖的部分，薄膜电阻微加热器a412和薄膜电阻微加热器b413的有效加热区域4120、4130均沿主混合微通道425长度方向设置，位于主混合微通道425内，并且分布于主混合微通道425的上方两侧；如图5所示，图5中示出了上层盖板41面向下层基底42侧的二氧化钛绝缘薄膜411，薄膜电阻微加热器a412、薄膜电阻微加热器b413及金电极引线414的相对位置图，在制作时，首先最底层沉积绝缘薄膜，然后再沉积薄膜电阻微加热器层将绝缘薄膜覆盖，最上层为金属电极引线，将薄膜电阻微加热器的大部分覆盖，只保留正对主混合通道的长条区域作为有效加热区域；

所述供液泵系统2通过流体输送管路3向微混合器主体4内提供气体及待混合的两种液体；

所述双路直流脉冲电压系统1通过连接导线5与微混合器主体4上层盖板41上的金属引线414相连，为微混合器主体4上的薄膜电阻微加热器a412和薄膜电阻微加热器b413提供周期性直流交替脉冲激励电压，从而使混合液体内产生沿主混合微通道425宽度方向上的周期性反向温度梯度，液体向低温侧移动，气泡向高温测移动，主混合微通道425内的周期性反向温度梯度导致气泡序列在该微通道宽度方向上做周期性摆动，使液体充分混合。该双路直流脉冲激励电压的频率、幅度及相位可根据需要由双路直流脉冲电压系统1进行设定。

所述上层盖板41的宽度大于所述下层基底42的宽度，以便于金属引线414与双路直流脉冲电压系统1相连接。

所述薄膜电阻微加热器a412的有效加热区域4120和薄膜电阻微加热器b413的有效加热区域4130的形状均为沿主混合微通道425长度方向的长条形。

所述薄膜电阻微加热器a412的有效加热区域4120和薄膜电阻微加热器b413的有效加热区域4130的宽度均小于主混合微通道425宽度的三分之一。

所述上层盖板41、下层基底42材质均为硅。

所述绝缘薄膜411材质为二氧化钛。

所述薄膜电阻微加热器a412和薄膜电阻微加热器b413材质为铂。

所述金属引线414材质为金。

所述气体入口微通道421、液体a入口微通道422、液体b入口微通道423、渐扩喷嘴424、主混合微通道425、混合液体流出通道426和气泡流出通道427的截面形状为矩形。

Claims (10)

1.一种气泡摆动式微混合装置，其特征在于：该气泡摆动式微混合装置包括双路直流脉冲电压系统(1)、供液泵系统(2)、流体输送管路系统(3)，微混合器主体(4)及连接导线(5)；

所述微混合器主体(4)由上层盖板(41)和下层基底(42)键合而成；

所述下层基底(42)上加工有主混合微通道(425)、气体入口(6)、气体入口微通道(421)、液体a入口(7)、液体a入口微通道(422)、液体b入口(8)、液体b入口微通道(423)、混合液体流出通道(426)、混合液体流出出口(9)、气泡流出通道(427)、气泡流出出口(10)、渐扩喷嘴(424)和栅格过滤器(428)，气体入口微通道(421)、液体a入口微通道(422)和液体b入口微通道(423)汇聚于主混合微通道(425)入口处，用于将气体、液体a和液体b传递至主混合微通道(425)，在主混合微通道(425)的入口处设置渐扩喷嘴(424)，气体、液体a和液体b在渐扩喷嘴(424)处形成汇聚流，该汇聚流在气液界面张力和粘性剪切力的共同支配下形成气泡序列，主混合微通道(425)出口处分别加工有混合液体流出通道(426)和气泡流出通道(427)，在混合液体流出通道(426)的入口处加工有栅格过滤器(428)，混合液体经栅格过滤器(428)后滤除气泡，经混合液体流出通道(426)后由混合液体流出出口(9)流出，含气泡的废液经气泡流出通道(427)后由气泡流出出口(10)排出；

所述上层盖板(41)面向下层基底(42)一侧沉积有薄膜电阻微加热器层，薄膜电阻微加热器层分为两部分，分别为薄膜电阻微加热器a(412)和薄膜电阻微加热器b(413)，且在薄膜电阻微加热器层与上层盖板(41)之间沉积有绝缘薄膜(411)，绝缘薄膜(411)用于薄膜电阻微加热器层与上层盖板(41)之间的电绝缘，在薄膜电阻微加热器a(412)和薄膜电阻微加热器b(413)上再沉积金属引线(414)将薄膜电阻微加热器a(412)和b(413)的大部分覆盖，未被金属引线(414)覆盖的部分为薄膜电阻微加热器a(412)和b(413)的有效加热区域，薄膜电阻微加热器a(412)和薄膜电阻微加热器b(413)的有效加热区域均沿主混合微通道(425)长度方向设置，位于主混合微通道(425)内，并且分布于主混合微通道(425)的上方两侧；

所述供液泵系统(2)通过流体输送管路(3)向微混合器主体(4)内提供气体及待混合的两种液体；

所述双路直流脉冲电压系统(1)通过连接导线(5)与微混合器主体(4)上层盖板(41)上的金属引线(414)相连，为微混合器主体(4)上的薄膜电阻微加热器a(412)和薄膜电阻微加热器b(413)提供周期性直流交替脉冲激励电压，从而使混合液体内产生沿主混合微通道(425)宽度方向上的周期性反向温度梯度，液体向低温侧移动，气泡向高温测移动，主混合微通道(425)内的周期性反向温度梯度导致气泡序列在该微通道宽度方向上做周期性摆动，使液体充分混合。

2.根据权利要求1所述的气泡摆动式微混合装置，其特征在于：所述上层盖板(41)的宽度大于所述下层基底(42)的宽度，以便于金属引线(414)与双路直流脉冲电压系统(1)相连接。

3.根据权利要求1所述的气泡摆动式微混合装置，其特征在于：所述薄膜电阻微加热器a(412)和薄膜电阻微加热器b(413)有效加热区域的形状均为沿主混合微通道(425)长度方向的长条形。

4.根据权利要求1所述的气泡摆动式微混合装置，其特征在于：所述薄膜电阻微加热器a(412)和薄膜电阻微加热器b(413)有效加热区域的宽度均小于主混合微通道(425)宽度的三分之一。

5.根据权利要求1所述的气泡摆动式微混合装置，其特征在于：所述上层盖板(41)、下层基底(42)材质为硅、耐热玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

6.根据权利要求1所述的气泡摆动式微混合装置，其特征在于：所述绝缘薄膜(411)材质为二氧化钛。

7.根据权利要求1所述的气泡摆动式微混合装置，其特征在于：所述薄膜电阻微加热器a(412)和薄膜电阻微加热器b(413)材质为铂或铝。

8.根据权利要求1所述的气泡摆动式微混合装置，其特征在于：所述金属引线(414)材质为金。

9.根据权利要求1所述的气泡摆动式微混合装置，其特征在于：所述气体入口微通道(421)、液体a入口微通道(422)、液体b入口微通道(423)、渐扩喷嘴(424)、主混合微通道(425)、混合液体流出通道(426)和气泡流出通道(427)的截面形状为矩形。

10.根据权利要求9所述的气泡摆动式微混合装置，其特征在于：所述矩形为正方形。

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