CN103170265B - 一种压电微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流体泵送与混合的微机械领域，尤其涉及一种压电无阀微混合器。包括两个进口通道，进口缓冲腔，进口涡旋管，泵腔，压电振子，上基体，泵体，出口涡旋管，出口缓冲腔，出口通道。本发明结构中两个进口通道在进口缓冲腔相交汇，且其中心线夹角小于等于90度，涡旋管是利用在扩散管内增加三角体的办法制成。本发明的主要优点是：在本发明中，利用两个进口通道的交汇使拟混合的流体在进口缓冲腔中进行首次混合，然后在特殊设计的涡旋管中进行进一步地有效混合，大幅缩短了混合所需的时间，提高了混合效率。

Description

一种压电微混合器

技术领域

本发明涉及微流体泵送与混合的微机械领域，尤其涉及一种压电无阀微混合器。

背景技术

微流芯片是MEMS研究的一个重要分支，可将传统生化检测过程的分离、加样、混合、反应、检测等功能在芯片上得以实现，微流芯片可以实现从纳升到微升的流体流动的控制和驱动，可以实现微量液体流量的精确控制，已被广泛应用于化学分析、疾病诊断、药物筛选等许多领域；而微混合器是微流控芯片中的重要功能器件之一，由于尺度的缩小，微通道中流体表面积与体积的比值相当的大，液体的流速和雷诺数较低，常处于一种层流的状态，使得微量液体的混合变得困难，人们对如何促进微通道中液体的混合做了大量的研究,依据有无外界动力源，微混合器大致可以分为被动式微混合器和主动式微混合器两种，被动式微混合器是指不需要外部动力源，主要依赖于通道几何形状对流体进行混合，如开槽通道、流体分层流（在通道中加障碍物），蛇形通道、诱发混沌对流等，例如Schonfeld等设计的新型的SAR微混合器；Stroock等利用在通道底部刻蚀交错渔鼓形槽道制成了SHM微混合器，除此之外还有SLM，SGM,CGM等通道结构。还有通过使通道在空间范围内弯曲进行流体混合，如C型，Z型，弯弧管道，L型，T型，修改的tesla结构，扭曲管道等通道结构，主动式微混合器按作用原理分可分为电动力式、磁动力式、超声波式、分支注入式、压电式、磁致式、射流式、机械式等；例如Yang等研究的超声制动微混合器的震动源来源于压电陶瓷（PZT），FrédéricBottausci小组研制了一种蜘蛛式微混合器等，被动式微混合器无需外部能量的输入，混合效果稳定，便于集成在微流控系统中，但通道往往很长或体积很大，需要加工复杂的三维结构，且对于雷诺数特别低的流动，混合效果不佳、可控性差。现有的主动式混合器混合时间较被动式混合器短、可控性较好，但需要外部激励或扰动、可靠性有待提高，针对现有微混合器存在的问题，本专利设计出同时含有主动和被动元素的压电无阀微混合器，以提高混合效果大大缩短混合时间。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种能使流体混合更加充分、高效的压电无阀微混合器，使混合的速度相对更快，混合的效果更好，在混合过程中对介质无损伤，适合针对涉及活体细胞或高分子物质的混合。

本发明采用的技术方案是：压电无阀微混合器由两个泵进口通道、进口缓冲腔、进口涡旋管、压电振子、上基体、泵体、由基体泵腔和泵体泵腔组成的泵腔、出口涡旋管、出口缓冲腔和一个泵出口通道组成，上基体上设有两个泵进口通道、基体泵腔和一个泵出口通道，泵体上设有进口缓冲腔、进口涡旋管、泵体泵腔、出口涡旋管、出口缓冲腔；泵的两进口通道在进口缓冲腔入口相交汇并与进口缓冲腔相通，进口缓冲腔与进口涡旋管相通，进口涡旋管与泵体泵腔相通，泵体泵腔与出口涡旋管，出口涡旋管与出口缓冲腔相通，出口缓冲腔与位于出口缓冲腔上方的泵出口通道相通；基体泵腔和泵体泵腔相通，共同组成了泵腔；压电振子位于上基体的基体泵腔之上，本发明的结构如附图1所示。

所述的两个泵进口通道与竖直方向的夹角为β/2，＜β≤，相交连通，所述的泵进口通道的直径分别为d₁，d₂（d₁﹥d₂），其值与所需混合样本的体积流量相关，所述的两个泵进口通道的直径平方之比等于各自通入泵进口通道的不同液体的体积流量之比。

所述进口缓冲腔，出口缓冲腔，进口涡旋管，出口涡旋管以及泵体泵腔的高度均为b（d₂/2﹤b﹤d₂）。

所述进口缓冲腔和出口缓冲腔为圆形，直径为2d₂，高度为b。

所述进口涡旋管或出口涡旋管为由连续对称设置的三角体组成的特殊结构管道，所述进口涡旋管或出口涡旋管的最小宽度为D2，扩散角为θ，所述的进口涡旋管小端与进口缓冲腔和所述的出口涡旋管小端与泵体泵腔分别通过半径为r的圆角连接，从圆角的切点处开始设置直角三角体；所述进口涡旋管或出口涡旋管的管边cf，其长度为L1，沿cf方向，直角三角体的长直角底边长度均为L2，三角体长直角底边间的距离为L3,直角三角体的顶点同在一条线上，此直线与所述进口涡旋管或出口涡旋管的中心线的夹角为α/2，所述进口涡旋管或出口涡旋管的最小宽度端两对称三角体顶点距离为D1，D1小于等于三角体的短直角边长度，涡旋管深度为b，涡旋管的结构尺寸参数如图2所示，相关尺寸取值范围如下：150μm﹤L2﹤750μm，10μm﹤L3﹤50μm，10μm﹤D1﹤50μm，50μm﹤D2﹤250μm，20μm﹤r﹤100μm，1000μm﹤L1﹤5000μm。

所述涡旋管的扩散角为θ（1°≤θ≤10°）。

所述基体泵腔和泵体泵腔为圆形泵腔，直径Ф为常规取值，小于压电振子的弹性基底直径，大于压电振子的压电陶瓷直径，基体泵腔和泵体泵腔的高度之和h为常规取值。

所述压电振子由压电陶瓷、弹性基底和电极层组成，压电陶瓷通过粘结剂粘结在弹性基底上，压电陶瓷上面设有电极层，所述粘结剂为导电环氧树脂，所述弹性基底为黄铜（或其他弹性材料），所述弹性基底的直径比泵腔的直径大1～2mm，所述压电陶瓷的的直径可以根据相关规定得到。

本专利采用两个与竖直方向有一定夹角β/2（＜β≤）的进口通道（如图1中A-A图所示），并且这两个进口通道相交于进口缓冲腔入口，倾斜的两个进口圆柱形通道的直径分别为d₁，d₂（d₁﹥d₂）；图1的A-A图为两个等直径的倾斜进口通道；如混合时要求两种液体的剂量不同，可以根据剂量的要求调整进口通道直径的大小，例如若需要两种溶液体积流量之比为,则两进口通道的直径比值为，进口缓冲腔的高度为b；两种流体经进口通道流入进口缓冲腔便进行了第一次混合，之后流体进入进口涡旋管，此处我们采用在扩散管内增加三角体的方法促使流动产生对称涡流，涡流的交汇流动促成了第二次混合的发生；计算证明，只要利用3～5对三角体结构的涡旋管即可获得流体的高效混合，涡旋管的结构参数如图2所示，流体流经进口涡旋管后便进入了泵腔，压电振子的周期性振动使得被混合液体进行了第三次混合，最后在与出口缓冲腔相连的出口涡旋管中进行最后一次混合，本发明中由于两倾斜相交的进口通道以及有利于涡流形成的进出口涡旋管和压电振子的结合应用使得流体能够进行高效充分混合，此压电微混合器耗电量低、结构简单、易加工制作且适合微小剂量流体的混合及输送。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是图1的B-B剖面图

图4为图2的A-A剖面图；

图5为涡旋管的结构示意图；

图6为压电振子结构示意图；

图7为本发明设计的无阀微混合器的工作原理图。

其中：1、进口通道2、进口缓冲腔3、进口涡旋管4、压电振子5、基体泵腔6、出口通道7、上基体8、出口缓冲腔9、出口涡旋管10、泵体泵腔11、泵体。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明包括两个泵进口通道1、进口缓冲腔2、进口涡旋管3、压电振子4、上基体7、泵体11、泵腔（基体泵腔5和泵体泵腔10）、出口涡旋管9、出口缓冲腔8和一个泵出口通道6；上基体7与压电振子4，泵体11与上基体7通过阳极键和工艺结合，上基体7上具有两个泵进口通道1、基体泵腔5和一个泵出口通道6；压电振子的结构如图3所示，将压电陶瓷通过粘结剂（导电环氧树脂）粘结在弹性基底（黄铜材料）上，压电陶瓷上面有一层很薄的电极层，压电振子4为圆形复合型，作为驱动元件，其振动模式采用径向伸缩振动，支撑方式为周边支撑；压电振子半径为R，泵腔的半径为r，泵腔高度为h，上基体7的加工材料为玻璃，在上基体7上钻出两个进口通道、一个出口通道和基体泵腔，泵腔的直径大于压电陶瓷片直径而小于铜片直径；泵体11的加工材料为硅片，在泵体11上用干法刻蚀工艺加工进口缓冲腔2、进口涡旋管3、泵体泵腔10、出口涡旋管9、出口缓冲腔8；涡旋管正反向流阻系数比大于1；本发明利用交变电压驱动压电微混合器，该发明工作时，压电振子4会产生弯曲变形并随着电压频率上下振动，该振动带动腔内流体运动，可将振子运动分为向上位移和向下位移运动，则其腔内流动过程可分为吸入过程和排出过程。

微混合器的工作原理：如图7所示，当压电振子4向上运动时，泵腔容积增大，腔内压强减小，流体会从两端吸入，即流体分别经进、出口涡旋管3、9流入泵腔，由于涡旋管的正向流阻小于反向流阻，所以流体从左端的进口涡旋管流入泵腔的流量远大于从右端出口涡旋管流入的流体量，故这时流体主要从左端流入，微混合器处于吸入状态；相反，当压电振子4向下振动时，流体分别经进、出口涡旋管3、9，流出泵腔，从右端出口涡旋管流出的流体量远大于从左端进口涡旋管流出的流体量，故流体主要从右端流出，微混合器处于泵送状态，如图7所示，两个涡旋管相当于流阻大于1的扩散管和收缩管，使压电微混合器实现了液体从左端流进，从右端流出，进、出口涡旋管3、9相当被动混合结构，流体流经涡旋管时将产生如图7所示的旋涡，在本发明中，倾斜相交的进口通道、进口涡旋管、出口涡旋管以及压电振子的周期振动均起到了促使流体混合的作用。

Claims (6)

1.一种压电微混合器，由两个泵进口通道、进口缓冲腔、进口涡旋管、压电振子、上基体、泵体、由基体泵腔和泵体泵腔组成的泵腔、出口涡旋管、出口缓冲腔和一个泵出口通道组成，上基体上设有两个泵进口通道、基体泵腔和一个泵出口通道，泵体上设有进口缓冲腔、进口涡旋管、泵体泵腔、出口涡旋管、出口缓冲腔；泵的两进口通道在进口缓冲腔入口相交汇并与进口缓冲腔相通，进口缓冲腔与进口涡旋管相通，进口涡旋管与泵体泵腔相通，泵体泵腔与出口涡旋管，出口涡旋管与出口缓冲腔相通，出口缓冲腔与位于出口缓冲腔上方的泵出口通道相通；基体泵腔和泵体泵腔相通，共同组成了泵腔；压电振子位于上基体的基体泵腔之上，其特征在于：所述进口涡旋管或出口涡旋管为由连续对称设置的三角体组成的特殊结构管道；所述进口涡旋管或出口涡旋管的最小宽度为D2，扩散角为θ，所述的进口涡旋管小端与进口缓冲腔和所述的出口涡旋管小端与泵体泵腔分别通过半径为r的圆角连接，从圆角的切点处开始设置直角三角体；所述进口涡旋管或出口涡旋管的管边cf，其长度为L1，沿cf方向，直角三角体的长直角底边长度均为L2，三角体长直角底边间的距离为L3,直角三角体的顶点同在一条线上，此直线与所述进口涡旋管或出口涡旋管的中心线的夹角为α/2，所述进口涡旋管或出口涡旋管的最小宽度端两对称三角体顶点距离为D1，D1小于等于三角体的短直角边长度，涡旋管深度为b，相关尺寸取值范围如下：150μm﹤L2﹤750μm，10μm﹤L3﹤50μm，10μm﹤D1﹤50μm，50μm﹤D2﹤250μm，20μm﹤r﹤100μm，1000μm﹤L1﹤5000μm；所述涡旋管的扩散角1°≤θ≤10°。

2.如权利要求1所述的一种压电微混合器，其特征在于：所述三角体为3～5对。

3.如权利要求1所述的一种压电微混合器，其特征在于：所述的两个泵进口通道与竖直方向的夹角为β/2，＜β≤，相交连通；所述的两个泵进口通道的直径分别为d₁，d₂；d₁﹥d₂，其值与所需混合样本的体积流量相关，所述的两个泵进口通道的直径平方之比等于各自通入泵进口通道的不同液体的体积流量之比。

4.如权利要求1所述的一种压电微混合器，其特征在于：所述进口缓冲腔，出口缓冲腔，进口涡旋管，出口涡旋管以及泵体泵腔的高度均为b，d₂/2﹤b﹤d₂。

5.如权利要求1所述的一种压电微混合器，其特征在于：所述进口缓冲腔和出口缓冲腔为圆形，直径为2d₂，高度为b。

6.如权利要求1所述的一种压电微混合器，其特征在于：所述基体泵腔和泵体泵腔为圆形泵腔，直径Ф为常规取值，应小于压电振子的弹性基底直径并大于压电振子的压电陶瓷直径，基体泵腔和泵体泵腔的高度之和h为常规取值。