CN104641240B - 微流体混合装置 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，一种微流体混合装置包括：混合通道；流体入口室，其用于将流体通入混合通道内；轴线不对称的混合致动器，其被集成在通道内以在流体流过通道时造成使流体混合的流体移位；以及出口室，其用于接纳已混合的流体。

Description

微流体混合装置
背景技术
以微尺度混合流体的能力对于诸如食品工业、生物工业、制药业和化学工业的各个行业是有价值的。微尺度流体混合的一个发展领域涉及微流体混合装置。微流体混合装置在这些工业中用于诸如生物医学诊断、药物开发、DNA复制等的用途。微流体混合装置提供有利于非常小的样本体积的混合的小型环境。微细加工技术使得能够在芯片上制造小型的微流体混合装置。提高此类微流体混合装置的效率有益于增加吞吐量和减少诸如芯片实验室系统的各种微流体系统的成本。因此，人们正在不断地努力改善混合性能和减小微流体混合装置的尺寸。
附图说明
现在将以举例方式参照附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出根据一个实施例的适合实施微流体混合装置和控制器实施的混合方法的微流体混合系统；
图2示出根据一个实施例的适合在微流体混合系统内使用的微流体混合装置的示例；
图3-15示出根据实施例的微流体混合通道的各种具体实施，其包括轴线不对称的混合致动器和泵致动器的不同构型；
图16示出根据一个实施例的示例性微流体混合方法。
具体实施方式
概述
如上所述，微流体混合装置在诸如食品工业、生物工业、制药业和化学工业的各个行业中扮演重要角色。因此，此前已经开发了许多微流体混合装置，其总体目标是改善混合性能，同时减小用来实现混合结果的空间。然而，由于微流体混合装置在层流流态下操作，大多数装置依赖于扩散物类混合。扩散混合是缓慢的并且依赖于混合组分的非零扩散率，并且通常需要长的混合周期和大的流体路径及体积。
例如，被动混合装置通常提供在被混合组分之间的增加的接触面积和接触时间。大多数被动混合器具有复杂的三维几何形状，占用微流体系统的大量面积，难以制造，并且具有横跨混合元件和微流体系统的大的相关联的压力损失。此类混合器通常也使用大量的混合流体，这导致在微流体系统内相当大的死体积/寄生体积。
主动混合装置通过提供加速被混合组分之间的扩散过程的力来改善混合性能。主动混合装置通常采用搅拌流体组分的机械换能器来改善混合。在主动混合器中使用的换能器的一些示例包括声或超声换能器、电泳换能器、动电时间脉冲换能器、压力扰动换能器和磁换能器。通常，实施此类换能器的主动混合装置可能是昂贵且难以制造的。
本公开的实施例提供了用于微流体混合系统的主动微流体混合装置和控制器实施的混合方法，该系统能够实现与通过扩散进行的常规微流体混合相比混合效率的显著增加。绕流体通道的中心轴线不对称地定位(即，轴向不对称地定位在流体通道内)的一个或多个惯性泵可被启用，以便在流体经过(多个)泵时使流体转向。一个惯性泵的启用或多个惯性泵的交替启用中断通道内的正常流体流动路径并且使流体沿着摆动的路径移动，这在流体流过通道时显著地增加了流体的混合。微流体混合装置包括具有一个或多个流体输入和至少一个惯性泵致动器(例如，热电阻)的流体混合通道，该惯性泵致动器轴向不对称地定位在通道内以形成中断的摆动的流体流。微流体混合装置可包括一对轴线不对称致动器，其被置于距通道输入一致的距离处，或被置于距通道输入交错的距离处。微流体混合装置可包括奇数个轴线不对称致动器，其被置于距通道输入一致的和/或交错的距离处。在一个或多个轴线不对称致动器中，微流体混合装置可包括泵致动器，该泵致动器绕流体通道的中心轴线对称地定位以将流体泵送通过通道。控制器控制微流体混合装置中所有致动器的启用顺序和定时以实现高效的流体混合和/或流体泵送。
在一个具体实施中，微流体混合装置包括：混合通道；流体入口室，其用于将流体通入混合通道内；轴线不对称的混合致动器，其被集成（integrate）在通道内以在流体流过通道时造成使流体混合的流体移位；以及出口室，其用于接纳已混合的流体。
在另一个具体实施中，微流体混合系统包括微流体混合装置，该装置包括流体混合通道。该系统包括流体泵以将流体泵送通过通道。在不同的具体实施中，流体泵为外部泵和/或集成在流体混合通道内的惯性泵。该系统还包括集成在通道内的轴线不对称的混合致动器，以在流体流过通道时使流体混合。
在另一个具体实施中，非暂态处理器可读介质存储指令，所述指令在由处理器执行时使处理器启用（activate）泵，该泵将至少两种不同的流体泵送通过微流体混合通道。所述指令还使处理器交替地启用微流体混合通道内的至少一个轴线不对称的混合致动器，以在流体流过微流体混合通道时造成使所述至少两种不同的流体混合的流体移位。
示例性实施例
图1示出了根据本公开的一个实施例的适合实施微流体混合装置和控制器实施的混合方法的微流体混合系统100，大体如本文所公开那样。示例性的微流体混合系统100包括微流体混合装置102和外部流体贮存器104，外部流体贮存器104用于将流体组分/样本和/或溶液供应至混合装置102以进行混合。在一些具体实施中，微流体混合系统100可包括作为外部流体贮存器104的一部分或作为独立式泵105的外部泵105。微流体混合装置102可以实施为基于芯片的混合装置，该装置包括微流体混合通道106，以用于在两种或更多种流体流过通道106时混合它们，和/或用于在单一主流体流过通道106时混合该流体内的颜料或颗粒。通常，基于芯片的微流体混合装置102的结构和部件可使用常规集成电路微细加工技术制造，例如，电铸、激光烧蚀、各向异性蚀刻、溅镀、干式和湿式蚀刻、光刻、浇铸、模制、压印、机加工、旋涂、层合等。
微流体混合系统100也包括电子控制器108，以控制系统100的各种部件和功能，例如，微流体混合装置102、(多个)外部流体贮存器104和外部泵105。在一个示例中，控制器108控制微流体混合装置102的各种功能，这些功能包括用于混合装置102内的致动器的启用的顺序和定时以在混合装置102内混合流体并使流体移动通过混合装置102。控制器108通常包括：处理器(CPU) 110；一个或多个存储器部件112，其包括易失性和非易失性存储器部件；存储在存储器112中的固件和/或软件组件，其包括可由处理器110读取和执行的指令；以及其它电子器件，其用于与微流体混合系统100的微流体混合装置102、(多个)外部流体贮存器104、外部泵105和其它部件的部件和功能通信并控制这些部件和功能。因此，电子控制器108包括可编程的装置，该装置包括以例如一个或多个软件模块的形式存储在诸如存储器112的非暂态处理器/计算机可读介质上的机器可读指令，所述指令可在处理器110上执行以控制微流体混合装置102上的混合和泵送过程。此类模块可包括例如致动器顺序和定时指令模块114，如在图1的示例性实施中所示。
在一些具体实施中，电子控制器108可从诸如计算机的主机系统接收数据116，并且将数据116临时存储在存储器112中。通常，数据116沿着电子、红外、光学或其它信息传递路径发送至微流体混合系统100。数据116表示例如可执行指令和/或参数，用于单独地或结合存储在电子控制器108的存储器112中的软件/固件模块中的其它可执行指令使用，以控制在微流体混合装置102内的流体流、流体混合和与流体混合有关的其它功能。例如，可在控制器108的处理器110上执行的各种软件和数据116能够通过精确控制由致动器产生的流体移位的顺序、定时、频率和持续时间来实现微流体混合装置102内的微型惯性致动器的选择性和受控启用。通过可在处理器110上执行的数据116和/或致动器顺序/定时指令114对此类致动器的方便修改的(即，可编程的)控制使得任何数量的不同混合过程方案能够在微流体混合系统100内的微流体混合装置102的不同具体实施上执行。混合方案可以是对于给定的微流体混合装置102来说易于调整的、动态的。
微流体混合系统100通常还包括一个或多个功率源118，以将功率提供给微流体混合装置102、电子控制器108、外部流体贮存器104、外部泵105、以及可以是系统100的一部分的其它电气部件。
图2示出了根据一个实施例的适合在微流体混合系统100内使用的微流体混合装置102的示例。如上所述，微流体混合装置102包括微流体混合通道106，用于在流体流过通道106时混合流体(例如，两种或更多种流体、或在单一主流体中的颜料和/或颗粒)。虽然微流体混合通道106的形状在本公开全文中大体显示为直的，但这并非意图限制通道106的形状。因此，通道106的形状可包括其它形状，例如弯曲形状、蛇形形状、具有90度拐角的形状、它们的组合等。进入通道106的流体通常由一个或多个外部流体贮存器104供应，并且它们从流体入口室120通入通道106中。通过流体入口室120进入通道106以进行混合的不同流体的种类通常为两种，但在其它具体实施中，在入口室120中可存在进入通道106以混合的三种或更多种不同的流体。在其它具体实施中，流体可以是包含颜料和/或颗粒的单一主流体。
现在参看图1和图2，流体入口室120可以流体联接到外部流体贮存器104，外部流体贮存器104用于在流体流入微流体混合通道106之前接收流体。然而，在一些具体实施中，可以设想将流体提供至流体入口室120的其它方法。例如，流体可通过其它装置进入流体入口室120，例如通过联接到入口室120的一个或多个其它流体通道。
图2中的流体入口室120的图示旨在指示流体入口室120的宽度和体积大于到微流体混合通道106的入口的宽度和体积。宽度和体积差能够实现来自朝通道106的一端定位的惯性泵致动器(例如，泵致动器124)的泵送效应。在一些具体实施中，代替外部泵105或除了外部泵105之外，使用一个或多个流体泵致动器124将流体泵送通过通道106并进入流体出口室126。朝微流体混合通道106的一端定位的流体泵致动器124可生成朝通道106的相对端通过通道106的单向流体流。流体出口室126可以各种方式实施，例如作为贮存器、作为另一流体通道、作为具有一个或多个联接的流体通道的贮存器等。
仍然参看图1和图2，微流体混合装置102的微流体混合通道106也包括一个或多个轴线不对称的混合致动器122。如图2所示，轴线不对称的混合致动器122为流体惯性泵致动器，其在延伸混合通道106的长度的中心线或中心轴线的一侧或另一侧上的位置处被集成在混合通道106内。因此，轴线不对称的混合致动器122可位于沿着混合通道106的长度的任何位置，但将相对于通道的中心轴线不对称地定位。虽然可通过将轴线不对称的混合致动器122朝混合通道106的入口(即，在流体组分首先进入通道106的地方)定位来实现更大的混合效应，但轴线不对称的混合致动器122不限于朝到混合通道106的入口布置。
混合致动器122和泵致动器124可实施为各种流体惯性泵式致动器中的任一种。例如，致动器122和124可实施为热电阻，其产生蒸汽泡以在混合通道106内形成流体移位。致动器122和124也可实施为压电元件(PZT)，其电感应的偏转在混合通道106内产生流体移位。由电动力、磁力、机械力和其它力启用的其它偏转膜元件也可能用于实施致动器122和124。
图3至图15示出了根据本公开的实施例的微流体混合通道106的各种具体实施，其包括轴线不对称的混合致动器122和泵致动器124的不同构型。虽然参照图3至图15示出和讨论了许多构型，但这些构型不提供所有可能的构型的穷举性的叙述。因此，应当显而易见的是，其它构型是可能的，并且是可由本公开设想的。此外，虽然致动器在图3至图15中大体示出为具有一致的尺寸，但可以设想具有不一致的尺寸的各种其它致动器。在图3至图15中，进入混合通道106的流体300（例如，两种或更多种不同的流体、或者包含用于混合的颜料和/或颗粒的单一主流体)由两个不同阴影的箭头指向左侧，而离开混合通道106的所得的混合流体302由单个黑阴影的箭头指向右侧。
通常，混合通道106内的轴线不对称的混合致动器122通过一个或多个混合致动器122的受控启用来提供主动微流体混合。如上所述，控制器108通过各种软件和数据116指令来提供这样的控制，这些指令可在处理器110上执行以便能够实现惯性致动器的选择性和受控启用。微流体混合装置102通过以交替的启用序列控制一个或多个致动器122而在穿过混合通道106的流体中实现混合效应。更具体地讲，当流体经过轴线不对称的混合致动器122时，致动器122的交替启用产生形成摆动的流体流动路径的流体移位。摆动的流体流动路径致使流体以远远超出通过扩散所进行的常规混合的混合效率来混合。
在图3至图15中所示的多种不同的致动器构型中，存在可以应用的相同或更大数量的交替启用序列或混合方案。交替的启用序列可以包括或者可以不包括在不同的连续启用之间的延时。例如，参看图3，混合通道106包括单个轴线不对称的混合致动器122。在该具体实施中，交替的启用序列可包括混合致动器122的启用，之后是延时，之后是致动器122的另一次启用，依此类推。致动器122的启用通常持续预定的持续时间，该持续时间可由控制器108调整并可编程地控制，如上文所述。在图4中，混合通道106包括在通道的相同侧上且沿着通道的长度交错的两个轴线不对称的混合致动器122。在该具体实施中，交替的启用序列可包括持续预设的持续时间的第一致动器的启用，紧接着是持续预设的持续时间的第二致动器的启用，紧接着是第一致动器的另一次启用，依此类推。两个致动器的启用交替进行，使得这两个致动器不同时启用。在第一致动器的启用时间内，第二致动器空闲。第二致动器在第一致动器的启用时间结束之后紧接着启用，在第一致动器的启用结束的时间与第二致动器的启用开始的时间之间没有延时。因此，在这样的交替启用序列中，在两个混合致动器122的连续启用之间没有延时。然而，在图4的具体实施中，不同的交替启用序列也可包括持续预设的持续时间的第一致动器的启用，之后是延时，之后是持续预设的持续时间的第二致动器的启用，之后是延时，之后是第一致动器的另一次启用，依此类推。这两个致动器一个接一个(即，不同时地)相继启用，并且在一次启用的结束和下一次启用的开始之间插入延时。因此，在这样的不同的交替启用序列中，在混合致动器122的连续的启用之间存在延时。
图5示出了微流体混合通道106的具体实施，其中在通道106的不同侧上存在两个轴线不对称的混合致动器122。在该具体实施中，致动器122不沿着通道106的长度交错，而是相对于通道的长度对称或协同定位的。除了其它方案之外，交替的启用序列可包括在各次启用之间具有或不具有延时的两个致动器122的交替启用。图6示出了微流体混合通道106的具体实施，其中除了在通道的相对侧上的一个轴线不对称的混合致动器122之外，在通道的相同侧上存在沿着通道的长度交错的两个轴线不对称的混合致动器122，所述一个轴线不对称的混合致动器122沿着通道的长度相对于在通道的相对侧上的致动器之一对称或协同定位。除了其它方案之外，交替的启用序列可包括在各次启用之间具有或不具有延时的三个致动器122的交替启用。
图7示出了微流体混合通道106的具体实施，其中在通道106的不同侧上存在两个轴线不对称的混合致动器122。在该具体实施中，致动器122不沿着通道106的长度交错，而是相对于通道的长度对称或协同定位的。除了其它方案之外，交替的启用序列可包括在各次启用之间具有或不具有延时的两个致动器122的交替启用。除了混合致动器122之外，图7的具体实施包括在通道106的中心轴线上对称地定位的泵致动器124。泵致动器124朝微流体混合通道106的一端定位并可被启用以提供产生通过通道106的单向流体流(例如，从左向右)的流体泵送效应。代替外部泵105或除了外部泵105之外，微流体混合通道106可包括一个或多个泵致动器124，以提供用于使流体移动通过通道的流体泵送效应。图8示出了微流体混合通道106的具体实施，其类似于图7的具体实施，因为除了对称地定位在通道106的中心轴线上的泵致动器124之外，在通道106的不同侧上存在相对于通道的长度协同定位的两个轴线不对称的混合致动器122。然而，在图8的具体实施中，混合致动器122和泵致动器124沿着通道的长度相对于输入端的位置被颠倒。
图9示出了微流体混合通道106的具体实施，其中存在两对轴线不对称的混合致动器122，每一对具有在通道106的相对两侧上的致动器。每一对致动器具有在通道106的不同侧上的致动器。在该具体实施中，成对的致动器122沿着通道106的长度交错。除了其它方案之外，交替的启用序列可包括具有不同的顺序且在各次启用之间具有或不具有延时的四个致动器122的交替启用。图10示出了微流体混合通道106的具体实施，其中在通道106的不同侧上存在沿着通道106的长度交错的两个轴线不对称的混合致动器122。图11示出了微流体混合通道106的具体实施，其中除了在通道的相对侧上的一个轴线不对称的混合致动器122之外，在通道的相同侧上存在沿着通道的长度交错的两个轴线不对称的混合致动器122，所述一个轴线不对称的混合致动器122沿着通道的长度相对于在通道的相对侧上的两个致动器中的任一个不对称或协同定位。
图12示出了微流体混合通道106的具体实施，其中除了对称地定位在通道106的中心轴线上的泵致动器124之外，在通道106的不同侧上存在沿着通道106的长度交错的两个轴线不对称的混合致动器122。类似于图12，图13示出了微流体混合通道106的具体实施，其中除了对称地定位在通道106的中心轴线上的泵致动器124之外，在通道106的不同侧上存在沿着通道106的长度交错的两个轴线不对称的混合致动器122。然而，在图13中，混合致动器122和泵致动器124沿着通道的长度相对于输入端的位置被颠倒。图14示出了微流体混合通道106的另一个具体实施，其中除了在通道的相对侧上的一个轴线不对称的混合致动器122之外，在通道的相同侧上存在沿着通道的长度交错的两个轴线不对称的混合致动器122，所述一个轴线不对称的混合致动器122沿着通道的长度相对于在通道的相对侧上的两个致动器中的任一个不对称或协同定位。图15示出了微流体混合通道106的具体实施，其中除了同样沿着通道的长度交错的在通道的相对侧上的两个轴线不对称的混合致动器122之外，在通道的相同侧上存在沿着通道的长度交错的两个轴线不对称的混合致动器122。致动器122中没有一个是沿着通道的长度彼此对称或协同定位的。
图16示出了根据本公开的一个实施例的示例性的微流体混合方法1600。方法1600与上文参照图1至图15讨论的实施例相关联，并且方法1600中所示步骤的细节可见于这样的实施例的相关讨论中。方法1600的步骤可被具体化为存储在非暂态计算机/处理器可读介质(例如，图1的控制器108的存储器112)上的编程指令。在一个实施例中，方法1600的步骤的具体实施通过由诸如图1的处理器110的处理器读取和执行这样的编程指令来实现。方法1600可包括多于一个具体实施，并且方法1600的具体实施可以不采用在图示流程图中呈现的每个步骤。因此，虽然方法1600的步骤在流程图中以特定次序呈现，但这种呈现的次序并非意图作为对可以实际实施这些步骤的次序或对是否可以实施所有步骤的限制。例如，方法1600的一个具体实施可通过执行多个初始步骤而不执行一个或多个后续步骤来实现，而方法1600的另一个具体实施可通过执行所有步骤来实现。
参看图16，方法1600在框1602中始于启用泵以将至少两种不同的流体泵送通过微流体混合通道。在不同的具体实施中，启用泵可包括启用集成在微流体混合通道内的惯性泵(例如，热电阻气泡泵)或启用位于微流体混合通道外部的外部泵，如分别在框1604和1606中所示。
在框1608中，方法1600继续交替地启用在微流体混合通道内的至少一个轴线不对称的混合致动器。交替地启用至少一个轴线不对称的混合致动器在流体穿过通道时造成使流体混合的微流体混合通道内的流体移位。在一个具体实施中，交替地启用至少一个轴线不对称的混合致动器包括：启用第一轴线不对称的混合致动器，然后在启用第一轴线不对称的混合致动器之后立即启用第二轴线不对称的混合致动器，如分别在框1610和1612中所示。在另一个具体实施中，交替地启用至少一个轴线不对称的混合致动器包括：启用第一轴线不对称的混合致动器，然后在启用第一轴线不对称的混合致动器之后引起延时，然后在延时结束之后启用第二轴线不对称的混合致动器，如分别在框1614、1616和1618中所示。在另一个具体实施中，交替地启用至少一个轴线不对称的混合致动器包括：启用在通道第一侧上的第一混合致动器，以及在启用第一混合致动器之后立即启用在通道的第二侧上的第二混合致动器，如在框1620和1622中所示。在其它具体实施中，可以在位于混合通道的任一侧上和/或位于混合通道的相同侧上的致动器的启用之间采用延时。

Claims (15)

1.一种微流体混合装置，包括：
混合通道；
流体入口室，其用于将流体通入所述混合通道；
轴线不对称的混合致动器，其集成在所述通道内以引起流体移位使得流体在其流过所述通道时混合；以及
出口室，其用于接纳混合的流体；
其中，所述轴线不对称的混合致动器能够被交替地启用，以产生形成摆动的流体流动路径的流体移位。
2.根据权利要求1所述的微流体混合装置，其中，所述流体入口室的宽度大于到所述通道的入口的宽度，所述装置还包括在所述通道的中心轴线上且朝所述通道的所述入口对称地定位的泵致动器，所述泵致动器用于引起通过所述通道的单向流体流。
3.根据权利要求1所述的微流体混合装置，其中，所述轴线不对称的混合致动器包括位于所述通道的第一侧上且沿着所述通道长度交错的两个轴线不对称的混合致动器。
4.根据权利要求3所述的微流体混合装置，还包括在所述通道的相对侧上且相对于在所述通道的所述第一侧上的致动器沿着所述通道长度协同定位的轴线不对称的混合致动器。
5.根据权利要求3所述的微流体混合装置，还包括在所述通道的相对侧上且相对于位于所述通道的第一侧上的所述两个轴线不对称的混合致动器沿着所述通道长度而交错的轴线不对称的混合致动器。
6.根据权利要求1所述的微流体混合装置，其中，所述轴线不对称的混合致动器包括在所述通道的不同侧上且沿着所述通道长度协同定位的两个轴线不对称的混合致动器。
7.根据权利要求1所述的微流体混合装置，其中，所述轴线不对称的混合致动器包括在所述通道的不同侧上且沿着所述通道长度而交错的两个轴线不对称的混合致动器。
8.一种微流体混合系统，包括：
微流体混合装置，其包括流体混合通道；
流体泵，其用于将所述流体泵送通过所述通道；以及
轴线不对称的混合致动器，其与所述通道一体化以使所述流体在其流过所述通道时混合；
其中，所述轴线不对称的混合致动器能够被交替地启用，以产生形成摆动的流体流动路径的流体移位。
9.根据权利要求8所述的微流体混合系统，其中，所述流体泵选自包括下列项的组：外部流体泵；以及泵致动器，其在所述通道的中心轴线处且朝所述通道的一端而集成在所述通道内。
10.根据权利要求8所述的微流体混合系统，还包括用于控制所述混合致动器的启用的顺序和定时的控制器。
11.一种通过处理器执行以下步骤的装置：
启用泵以将至少两种不同的流体泵送通过微流体混合通道；
交替地启用至少一个轴线不对称的混合致动器，以在所述至少两种不同的流体混合流过所述微流体混合通道时造成使所述至少两种不同的流体混合并形成摆动的流体流动路径的流体移位。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，交替地启用至少一个混合致动器包括：
启用第一轴线不对称的混合致动器；以及
在启用所述第一轴线不对称的混合致动器之后立即启用第二轴线不对称的混合致动器。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，交替地启用至少一个混合致动器包括：
启用第一轴线不对称的混合致动器；
在启用所述第一轴线不对称的混合致动器之后引起延时；以及
在所述延时结束之后启用第二轴线不对称的混合致动器。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，交替地启用至少一个混合致动器包括：
启用在所述通道的第一侧上的第一混合致动器；以及
在启用所述第一混合致动器之后立即启用在所述通道的第二侧上的第二混合致动器。
15.根据权利要求11所述的装置，其中，启用泵包括启用集成在所述微流体混合通道内的惯性泵。
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