CN105126687A - 一种分合式被动微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微流控系统技术领域，尤其涉及一种分合式被动微混合器。一种分合式被动微混合器，包括上下键合在一起的上基片和下基片，下基片上设有进口、出口和槽道，所述槽道包括一个主槽道和多个独立的辅槽道，主槽道设于下基片的前端部并开有进口，上基片和下基片上均设有多个独立的辅槽道，且辅槽道沿流体流动方向依次排设，下基片末端的辅槽道上开有出口，当上基片和下基片键合时，上、下基片中的槽道相连接形成通路。本发明解决的技术问题是提供一种利用面包师对流循环设计，能达到流动损失小、混合效率高的分合式被动微混合器，可以让流体多次分合引起分层、拉伸、折叠、变形，最大程度的增大了流体间的接触面积，以提高流体混合效率。

Description

一种分合式被动微混合器

技术领域

本发明属于微流控系统技术领域，尤其涉及一种分合式被动微混合器。

技术背景

微流控系统是芯片实验室（lab-on-a-chip）的主要研究方向之一，是集采样、稀释、混合、反应、检测、分离等于一体的系统，它能将复杂的生物化学分析过程微型化和集成化，从而可降低样品液和检测液的消耗量，也可降低能源消耗。同时，它还提高分析速度和分析精度，在生物工程、化学工程、医药检测、微电子工程等领域具有广泛的应用前景。

在分析检测过程中，样品液要与检测液充分混合，其混合效率将直接影响到分析速度。然而，由于微流控系统的尺度小，比表面积大，当粘性力占主导地位时，雷诺数一般很小，有时甚至大大小于1，这时流动处于层流状态，流体间的混合主要依靠流体组分间的扩散。因此，混合速度缓慢，混合效率低下。

目前，微混合器主要有主动和被动两种。被动式微混合器主要依靠微通道几何形状来促使流体混合，是一种不需要利用外部力量进行混合的方法，其优点是结构简单、加工方便，没有运动部件且易集成等，但缺点是混合效率低、流体变形大、流动阻力大和易堵塞等。

为了提高被动式微混合器的混合效率，通常是利用如旋流、次流、环流、分层等方式增加流体间的接触面积。目前，常用的方法是在微通道内设置各种形式的扰流挡板，使流体产生混沌对流，但采用这种形式，会使流动损失增大。因此，选择一种能产生混沌对流，流动损失又不大的微通道形式，是很有意义。

中国专利CN103877905公开了以下技术内容：包括上下键合在一起的上盖板和混合板，上盖板的右部开有位于中心位置的出口管，上盖板的左部开有关于出口管前后对称的第一、第二种流体入口管，混合板上从左至右依次设有进口主通道、n个混合单元、出口主通道；n个混合单元是n个基本混合单元从左至右通过圆弧过渡连接得到，单个基本混合单元的水平轴截面的外轮廓是由四对数螺旋线和两个直线组合而成，第一、第二对数螺旋线的起始点之间通过直线一相连，第三、第四对数螺旋线的起始点之间通过直线二相连。

虽然上述技术以仅有几条对数螺旋线组成，能量损失少，但是其流体变形大，易堵塞，压力降大，没有分层效果。同时，由于没有混沌理论的支撑，加工对数螺旋线的难度很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用面包师对流循环设计，能达到流动损失小、混合效率高的分合式被动微混合器。为此，本发明采用以下技术方案：

一种分合式被动微混合器，包括上下键合在一起的上基片和下基片，下基片上设有进口、出口和槽道，所述槽道包括一个主槽道和多个独立的辅槽道，主槽道设于下基片的前端部并开有进口，上基片和下基片上均设有多个独立的辅槽道，且辅槽道沿流体流动方向依次排设，下基片末端的辅槽道上开有出口，当上基片和下基片键合时，上、下基片中的槽道相连接形成通路。

流体以层流的形式导入设于下基片的进口从而进入主槽道，由于上、下基片均设有辅槽道且相互相连，流入的流体在上、下基片中进行多次分合，最终从下基片末端的出口导出，实现流体快速均匀混合。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

所述辅槽道排设为F型。F型辅槽道的设置不仅是基于面包师对流循环的设计，而且上、下基片在键合后，辅槽道形成了周期性重复的结构。

所述一个设于上基片的辅槽道和与该辅槽道相连的一个设于下基片的辅槽道构成一个扩散混合单元，流体在一个扩散混合单元完成二次分合。

所述扩散混合单元有二次分合，均为上下分开，左右合并。流体合并一次发生在上基片内，另一次合并则发生在下基片内。这样能使需要混合的流体分层、拉伸、合并，从而增大流体间的接触面积，加剧流体间的扩散混合。流体分层数为K*2ⁿ，K为混合流体种数，n为分合次数。

所述主槽道上的进口至少有两个。主槽道的进口个数可根据混合流体的要求不同进行不同的设置。

所述扩散混合单元至少为三个，如果少于三个扩散混合单元，则流体混合效果较不理想。

面包师（Baker）对流循环是根据面包师变换（BakerTransforma-tion）设计的，与确定性混沌范例的伯努利变换（BernoulliTrans-formations）同形的度量守恒（Measure-preserving）变换，是最好的混合变换。

本发明的优点是：根据混沌混合理论，采用面包师对流循环，具有确定性混沌，是最好的混合变换。运用面包师对流循环，可以让流体多次分合引起分层、拉伸、折叠、变形，最大程度的增大了流体间的接触面积，以提高流体混合效率。同时，分合式扩散混合单元制作简单、成本低、流体阻力小，由于不需要外力，也不需要运动元件，从而避免了槽道的磨损和堵塞，大大减少了压力损失。

附图说明：

图1为本发明一种分合式被动微混合器的主视图。

图2为本发明一种分合式被动微混合器的俯视图。

图3为本发明一种分合式被动微混合器的上基片构造示意图。

图4为本发明一种分合式被动微混合器的下基片构造示意图。

图5为本发明一种分合式被动微混合器与其他形式的微混合器的混合效果比较曲线图。

其中，进口1、2，出口3，下基片4，上基片5，主槽道6，辅槽道7，扩散混合单元8。

具体实施方式

结合附图，对本发明提供的一种分合式被动微混合器作进一步说明。

参照图1~图4，一种分合式被动微混合器，包括上下键合在一起的上基片5和下基片4，下基片4上设有进口1、2，还设有出口3和槽道。在下基片4上设有至少二个进口1、2，分别导入需要混合的流体，而混合充分后的流体通过出口3导出。

槽道包括主槽道6和辅槽道7，辅槽道7为F型，主槽道6设于下基片4的端部并开有进口1、2，下基片4末端的辅槽道7上开有出口3。

其中，上基片5上设有辅槽道7，下基片4上设有主槽道6和辅槽道7，当上基片4和下基片5键合时，上、下基片中的槽道相接形成通路。

一个设于上基片5的辅槽道7和与该辅槽道相连的一个设于下基片4的辅槽道7构成一个扩散混合单元8，一个混合器中，至少有三个扩散混合单元8。

首先，流体通过进口1、2以层流的形式导入在下基片4内，随后进入第一个分合式扩散混合单元，进入所述分合式扩散混合单元后就被上下分开，一部分流体（A1）向上进入上基片5，另一部分流体（B1）继续在下基片4内向右流动，随后也转弯向上进入上基片5，并向内流动，与在上基片5内先向内后转弯向右流动的另一部分流体（A1）在上基片5内水平相遇，流体合并后在上基片5内向右，随后再次上下分开，其中一部分流体（A2）继续向右流动，另一部分流体（B2）则向下流入下基片4后向外流动后，继而向右与先在上基片5内向右流动后拐弯向下流入下基片4后向外流动的流体（A2）在水平面内相遇，完成一个分合式扩散混合单元的二次分合。通过若干个分合式扩散混合单元8后，流体混合均匀，从下基片4上的出口3导出，实现流体快速均匀混合。

每个分合式扩散混合单元8内流体均经过二次分合，流体每次都是经过上下分开和水平合并。其中流体先在上基片5内发生一次合并，后在下基片4内发生第二次合并，这样能使需要混合的流体经过分层、拉伸、合并，从而最大程度增大流体间的接触面积，加剧流体间的扩散混合。

其中，主槽道6和辅槽道7的宽度均为0~1000微米，深度均为0~500微米，宽度和深度一般为微米级即可，而长度则一般为1~50毫米。

实施例一，假设在进口1和进口2的流体分别注入检测液和样品液，其密度和粘度分别为1000kg/m³和0.001kg/m.s,1500kg/m³和0.002kg/m.s，两者之间的扩散系数为10^-9m²/s。用Fluent软件进行模拟，得到0次、1次、2次后组分体积分数的等值线图，清晰可见流体在没有分合前为左右2层，1次分合后有4层，2次分合后8层，由此可见，其符合面包师对流循环的性质。在一般经历3个分合式扩散混合单元后，其体积分数已是基本均匀了。

流体的扩散混合效果，一般可以用出口截面内样品液或检测液的体积分数分布来衡量，体积分数均匀程度可以用标准差σ。图5所示是混合均匀程度与雷诺数之间的关系，同时比较了T型微混合器、蛇形微混合器和分合式微混合器在同样条件下的混合效果，分合式微混合器由于其产生了混沌对流，不断通过分层、拉伸、折叠流体，大幅度提高了混合效率，特别是在小雷诺数情况下。

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims (5)

1.一种分合式被动微混合器，包括上下键合在一起的上基片和下基片，下基片上设有进口、出口和槽道，其特征在于所述槽道包括一个主槽道和多个独立的辅槽道，主槽道设于下基片的前端部并开有进口，上基片和下基片上均设有多个独立的辅槽道，且辅槽道沿流体流动方向依次排设，下基片末端的辅槽道上开有出口，当上基片和下基片键合时，上、下基片中的槽道相连接形成通路。

2.根据权利要求1所述的一种分合式被动微混合器，其特征在于所述辅槽道排设为F型。

3.根据权利要求1或2所述的一种分合式被动微混合器，其特征在于所述一个设于上基片的辅槽道和与该辅槽道相连通的一个设于下基片的辅槽道构成一个扩散混合单元，流体在一个扩散混合单元完成二次分合。

4.根据权利要求1所述的一种分合式被动微混合器，其特征在于所述主槽道上的进口至少有两个。

5.根据权利要求3所述的一种分合式被动微混合器，其特征在于所述扩散混合单元至少为三个。