CN103768985A - 一种新型压电驱动微流体混合器及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种新型压电驱动微流体混合器及其制备工艺。所述微流体混合器由基体、底板、顶板和圆形压电振子组成，所述基体包括进口、进口腔、被动混合单元、进口端锥形口、下泵腔、串联端锥形口、水平串联通道、竖直串联通道和上泵腔。本发明中上泵腔与下泵腔为串联结构，且共用一个圆形压电振子；被动混合单元由若干组交错分布的三棱柱凸起组成。本发明的主要优势在于：结构上实现了流体的主要混合功能与泵送功能合二为一，微流体的泵送过程同时也是它们的充分混合过程；串联泵结构，明显提高泵送流量与泵送压力；主要结构采用热塑性聚合物材料的微注塑成型工艺制备，具有成本低、生物兼容性好以及适用于大批量生产等特点。

Description

一种新型压电驱动微流体混合器及其制备工艺

技术领域

本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种新型压电驱动微流体混合器及其制备工艺。

背景技术

在微机电系统(MEMS)的发展带动下，近年来微流控技术得到了极其快速的发展，微流控装置已广泛应用于生物、医疗与食品等领域。在各类微流控装置工作过程中，两种或两种以上微流体的混合是关键技术，因此绝大多数场合几乎都离不开一个重要的功能性器件：微流体混合器，其主要功能是实现微米甚至纳米级尺度流体的快速与高效混合。

目前国内外众多研究者已针对微流体混合器做了大量工作，并研制出各式各样的微流体混合器。按照不同工作方式，现有微流体混合器可分为主动式与被动式两种。前者借助外部动力来进行微流体的混合，混合效果较好，且混合过程可控，但混合器结构较为复杂；后者则主要通过在混合器中设置特殊几何结构来实现微流体的混合过程，其混合机理是流体分子的自由扩散，具有混合器结构简单、易于制造与集成并且性能稳定等特点，但存在混合流程较长、混合速度较慢以及混合过程不易调控等缺点。可见，主动式与被动式微流体混合器有其各自的优势，都具有各自不可替代的作用。为适应微流控技术的日益发展，近年来人们开始采取各种措施来综合利用上述两种微流体混合器的优势，以获得良好的综合性能。

专利(申请公布号：CN102671572A；专利名称：一种压电驱动微混合器及其制作方法和控制方法)公开了一种压电驱动的微流体混合器及其制作与控制方法，该专利结合传统CNC与PDMS浇注方法获得流体泵送单元与混合单元集于一体的结构，同时实现了泵送与混合功能。但从实现结构简单且易于集成化的微流体混合器角度来看，该专利存在如下有待改进之处：微混合器采用了有阀结构，构造及制作过程较为复杂；微流体的主要泵送与混合功能彼此分离；采用的CNC与传统浇注制作工艺仅适用于一次性或者极少量的使用场合，而不适用于批量化使用场合。另一专利(申请公布号：CN103170265A；专利名称：一种压电微混合器)公开了一种压电驱动无阀式微混合器，综合了主动与被动混合功能，能实现微流体的有效混合。但是该专利依然存在如下缺陷：流体主要泵送与混合功能分离，且泵送与混合结构呈平面排列，不便于实现整体结构的进一步缩小；混合器的加工制作依靠硅加工技术，不便实现批量化生产，且其生物兼容性较差。可见，为满足尺寸日益减小的微流控技术的发展，现有微流体混合器依然存在许多问题亟待解决。

发明内容

针对高集成度微流体混合器的需求状况以及现有微流体混合器结构与制备方法存在的不足，本发明提出一种新型压电驱动微流体混合器及其制备工艺。所述新型微流体混合器结合了主动式与被动式混合器的优点，且采用热塑性聚合物材料的微注塑成型制备工艺，具有成本低、生物兼容性好以及适用于批量化应用场合等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：基体下侧开设有两个进口、一个进口腔及一个水平串联通道，所述两个进口与进口腔连通；所述进口腔两侧壁面上设置有被动混合单元，所述进口腔与水平串联通道上部分别设有一个与之相连通的进口端锥形口和串联端锥形口(根据流体流向不同可表现为收缩口或者扩张口)；所述基体上侧正中间由上至下设有直径不等的圆柱形上泵腔和下泵腔(上泵腔的直径大于下泵腔的直径)；所述上泵腔与所述下泵腔以圆形压电振子分隔开；所述圆形压电振子由压电晶片和金属基板粘接而成，且圆形压电振子的上下表面均设有一层很薄的绝缘层；所述基体下表面粘接有底板，所述基体上表面粘接有顶板；所述顶板正中间开设有一个与上泵腔相通的出口端锥形口(根据流体流向不同可表现为收缩口或者扩张口)；所述基体右侧开设有一个竖直串联通道；所述上泵腔和下泵腔由串联端锥形口、水平串联通道和竖直串联通道串联起来。

本发明所述被动混合单元由若干组交错分布的三棱柱凸起组成，被动混合单元的总宽度为L(即进口腔宽度)；所述三棱柱凸起的底面是顶角为θ的等腰三角形；所述三棱柱凸起的高度与所述进口腔的深度相同；所述三棱柱凸起的最大凸出宽度为H，同侧两相邻三棱柱凸起之间的距离为D；被动混合单元的结构尺寸参数如图4所示，相关尺寸取值范围如下：1000μm＜L＜2000μm，10°≤θ≤20°，0＜H＜L/2，2L/3≤D≤L。

本发明所述一种新型压电驱动微流体混合器的制备工艺，其特征在于包括如下步骤：

①选用钢为模具材料，采用精密机械加工方法制造用以成型微流体混合器基体与顶板的模具。

②将所述模具安装于微注塑成型机上构成微注塑成型系统，将聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚酰胺等热塑性聚合物材料中的至少一种通过注塑机塑化装置熔融后注入微注塑模具型腔中，经过一定时间的保压和冷却后脱模取出微流体混合器基体与顶板制品。

③将压电晶片与金属基板粘接制作圆形压电振子，对圆形压电振子进行绝缘等处理后粘贴在混合器基体空腔的台阶面上，构建上泵腔与下泵腔。

④将注塑成型的微流体混合器基体、顶板与采用切割方法得到的相同聚合物材料底板进行封装，制作成具有两个串联泵腔的压电驱动微流体混合器。

本发明所述新型压电驱动微流体混合器的工作原理如下：在交变电压驱动下，圆形压电振子产生上下往复振动，使上泵腔和下泵腔内流体的体积和压强产生交替变化，且上泵腔和下泵腔内流体体积和压强变化始终相反，从而实现两种流体的泵送和充分混合。

在圆形压电振子连续振动的情况下，其中心位移向上时，下泵腔体积增大，腔内压强减小，流体同时从进口端锥形口和串联端锥形口流入下泵腔，此时沿流体流动方向进口端锥形口表现为扩张口，串联端锥形口表现为收缩口，由于扩张口对流体的阻力小于收缩口对流体的阻力，所以从进口端锥形口流入下泵腔的流体量远大于从串联端锥形口流入的流体量，此时流体主要从进口端锥形口流入，下泵腔总体上表现为吸入状态，流体流经进口腔时在被动混合单元作用下形成涡流从而得到初步混合。当压电振子中心位移向下时，下泵腔体积减小，腔内压强增大，流体同时从进口端锥形口和串联端锥形口流出下泵腔，此时沿流体流动方向进口端锥形口表现为收缩口，串联端锥形口表现为扩张口，由于收缩口对流体的阻力大于扩张口对流体的阻力，所以从串联端锥形口流出的流体量远大于从进口端锥形口流出的流体量，此时流体主要从串联端锥形口流出，下泵腔总体上表现为排出状态。在下泵腔内经过对流混合的流体从串联端锥形口流出后，先后流经水平串联通道和竖直串联通道进入上泵腔。当圆形压电振子中心位移再次向上时，上泵腔体积减小，腔内压强增大，类似于下泵腔的工作原理，在上泵腔内再次对流混合后的流体总体上表现为从出口端锥形口流出；与此同时，下泵腔体积增大，腔内压强减小，两种待混合的流体流经进口、进口腔以及进口端锥形口进入下泵腔，开始进入下一个工作循环。圆形压电振子的连续上下振动使泵腔内流体的体积与压力反复变化，因此整个微流体混合器总体上表现为流体从进口流入，从出口端锥形口流出，从而实现流体的混合与泵送。

本发明具有实质新颖性，主要特色在于：结构上实现了流体的主要混合功能与泵送功能合二为一，两种待混合流体经过被动混合单元初步混合后进入下泵腔进行对流混合，流出下泵腔后流入上泵腔，再次进行对流混合，经过多次混合后从出口端锥形口流出混合器，因此微流体的泵送过程同时也是它们的充分混合过程。

本发明还具有如下优点：1、圆形压电振子上下振动使泵腔内压力不断变化，促进流体实现快速均匀的混合，可同时实现泵送和混合功能，响应速度快，混合效果好；2、上泵腔和下泵腔串联，达到串联泵效果，理论上泵送流量是单腔泵的

倍，泵送压力是单腔泵的2倍；3、除压电振子与底板外，微流体混合器其他主要结构均采用热塑性聚合物材料的微注塑成型工艺来制备，具有成本低、生物兼容性好以及适用于大批量生产等特点。

附图说明

图1是本发明实施例中新型压电驱动微流体混合器的剖视图。

图2是图1中的A-A剖视图。

图3是图1中的B-B剖视图。

图4是图3中的I区域放大视图。

其中：1、底板；2、基体；201、进口；202、进口腔；203、被动混合单元；204、进口端锥形口；205、下泵腔；206、串联端锥形口；207、水平串联通道；208竖直串联通道；209、上泵腔；3、顶板；301、出口端锥形口；4、压电振子；401、压电晶片；402、金属基板；5、绝缘层

具体实施方式

参照图1、图2和图3，基体2下侧开设有两个进口201、一个进口腔202及一个水平串联通道207，所述两个进口201与所述进口腔202连通；所述进口腔202两侧壁面上设置有被动混合单元203；所述进口腔202上部设有一个与之连通的进口端锥形口204，所述水平串联通道207上部设有一个与之连通的串联端锥形口206；所述基体2上侧正中间由上至下设有直径不等的圆柱形上泵腔209和下泵腔205(上泵腔209的直径大于下泵腔205的直径)；所述上泵腔209与所述下泵腔205以圆形压电振子4分隔开；所述圆形压电振子4由压电晶片401和金属基板402粘接而成，且所述圆形压电振子4的上下表面均设有一层很薄的绝缘层5；所述基体2的下表面粘接有底板1，上表面粘接有顶板3；所述顶板3正中间设有一个出口端锥形口301；所述基体2右侧开设有一个竖直串联通道208；所述上泵腔209和下泵腔205由串联端锥形口206、水平串联通道207和竖直串联通道208串联起来。

参照图4，所述被动混合单元203由4组交错分布的三棱柱凸起组成，被动混合单元203的总宽度L、三棱柱凸起的底面三角形顶角θ、三棱柱凸起的最大凸出宽度H以及同侧两相邻三棱柱凸起之间的距离D取值为：L＝1000μm，θ＝20°，H＝400μm，D＝500μm。

本发明中，圆形压电振子4在交变电压驱动下，产生上下往复振动，使上泵腔209和下泵腔205内流体的体积和压强产生交替变化，且上泵腔209和下泵腔205内流体的体积和压强变化始终相反，从而实现两种流体的泵送和充分混合。上泵腔209和下泵腔205通过串联端锥形口206、水平串联通道207和竖直串联通道208连通，实现上泵腔209和下泵腔205的串联结构，提高了流体的泵送能力。

在圆形压电振子4连续振动的情况下，其中心位移向上时，下泵腔205体积增大，腔内压强减小，流体同时从进口端锥形口204和串联端锥形口206流入下泵腔205，此时沿流体流动方向进口端锥形口204表现为扩张口，串联端锥形口206表现为收缩口，由于扩张口对流体的阻力小于收缩口对流体的阻力，所以从进口端锥形口204流入下泵腔205的流体量远大于从串联端锥形口206流入的流体量，此时流体主要从进口端锥形口204流入，下泵腔205总体上表现为吸入状态，流体流经进口腔202时在被动混合单元203作用下形成涡流从而得到初步混合。当压电振子4中心位移向下时，下泵腔205体积减小，腔内压强增大，流体同时从进口端锥形口204和串联端锥形口206流出下泵腔，此时沿流体流动方向进口端锥形口204表现为收缩口，串联端锥形口206表现为扩张口，由于收缩口对流体的阻力大于扩张口对流体的阻力，所以从串联端锥形口206流出的流体量远大于从进口端锥形口204流出的流体量，此时流体主要从串联端锥形口206流出，下泵腔205总体上表现为排出状态。在下泵腔205内经过对流混合的流体从串联端锥形口206流出后，先后流经水平串联通道207和竖直串联通道208进入上泵腔209。当圆形压电振子4中心位移再次向上时，上泵腔209体积减小，腔内压强增大，类似于下泵腔205的工作原理，在上泵腔209内再次对流混合后的流体总体上表现为从出口端锥形口301流出；与此同时，下泵腔205体积增大，腔内压强减小，两种待混合的流体流经进口201、进口腔202以及进口端锥形口204进入下泵腔205，开始进入下一个工作循环。圆形压电振子4的连续上下振动使泵腔内流体的体积与压力反复变化，因此整个微流体混合器总体上表现为流体从进口201流入，从出口端锥形口301流出，从而实现流体的混合与泵送。

本实施例中，新型压电驱动微流体混合器的制备工艺包括如下步骤：

①选用钢为模具材料，采用精密机械加工方法制造用以成型微流体混合器基体与顶板的模具。

②将所述模具安装于微注塑成型机上构成微注塑成型系统，将聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚酰胺等热塑性聚合物材料中的至少一种通过注塑机塑化装置熔融后注入微注塑模具型腔中，经过一定时间的保压和冷却后脱模取出微流体混合器基体与顶板制品。

③将压电晶片与金属基板粘接制作圆形压电振子，对圆形压电振子进行绝缘等处理后粘贴在混合器基体空腔的台阶面上，构建上泵腔与下泵腔。

④将注塑成型的微流体混合器基体、顶板与采用切割方法得到的相同聚合物材料底板进行封装，制作成具有两个串联泵腔的压电驱动微流体混合器。

以上所述实施例为本发明的最佳实施例，但并非用以限制本发明。在不背离本发明原理情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所属的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种新型压电驱动微流体混合器，其特征在于：由基体、底板、顶板和圆形压电振子组成，所述基体上设有进口、进口腔、被动混合单元、进口端锥形口、下泵腔、串联端锥形口、水平串联通道、竖直串联通道和上泵腔，所述进口与进口腔连通，进口腔通过进口端锥形口与下泵腔连通，下泵腔通过串联端锥形口与水平串联通道连通，水平串联通道又通过竖直串联通道与上泵腔连通，上泵腔与位于顶板中间的出口端锥形口连通，共同组成微流体混合器。

2.根据权利要求1所述的新型压电驱动微流体混合器，其特征在于：所述被动混合单元由若干组交错分布在进口腔两侧壁面上的三棱柱凸起组成，所述被动混合单元的总宽度为L，所述三棱柱凸起的底面是顶角为θ的等腰三角形；所述三棱柱凸起的高度与所述进口腔的深度相同；所述三棱柱凸起的最大凸出宽度为H，同侧两相邻三棱柱凸起之间的距离为D，相关尺寸取值范围如下：1000μm＜L＜2000μm，10°≤θ≤20°，0＜H＜L/2，2L/3≤D≤L。

3.根据权利要求1所述的新型压电驱动微流体混合器，其特征在于：所述上泵腔与下泵腔构成串联结构，且共用一个圆形压电振子。

4.一种制备权利要求1所述新型压电驱动微流体混合器的工艺，其特征在于包含以下步骤：

①选用钢为模具材料，采用精密机械加工方法制造用以成型微流体混合器基体与顶板的模具。

②将所述模具安装于微注塑成型机上构成微注塑成型系统，将聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚酰胺等热塑性聚合物材料中的至少一种通过注塑机塑化装置熔融后注入微注塑模具型腔中，经过一定时间的保压和冷却后脱模取出微流体混合器基体与顶板制品。

③将压电晶片与金属基板粘接制作圆形压电振子，对圆形压电振子进行绝缘等处理后粘贴在混合器基体空腔的台阶面上，构建上泵腔与下泵腔。

④将注塑成型的微流体混合器基体、顶板与采用切割方法得到的相同聚合物材料底板进行封装，制作成具有两个串联泵腔的压电驱动微流体混合器。

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