CN105195053A - 一种基于微气泡驱动的震荡射流式微混合器 - Google Patents

Abstract

一种基于微气泡驱动的震荡射流式微混合器，该微混合器包括上层盖板、下层基板；所述上层盖板、下层基板采用高温键合连接，两者共同组成微混合器混合装置。本发明基于脉冲电压激励加热器产生可控气泡，并以气泡的周期性胀缩产生交替的高低压力，促使混合液体产生震荡射流；同时结合被动式混合器常用的扰流结构(支路结构、锯齿形结构、挡流结构等)，强化混合，实现微尺度下多种流体的快速融合。该微混合器具有适用范围广、混合效率高、可集成性强等优势。

Description

一种基于微气泡驱动的震荡射流式微混合器

技术领域

本发明提供一种可用于提高微量流体混合效率的新型主动式微混合器，属于微混合器技术领域。

背景技术

微型全分析系统技术兴起于在20世纪90年代，主要包含微混合器、微阀、微泵、微反应器、微换热器等。相较于传统实验分析技术，该技术具有实验体积小、样品利用率高、安全性能高、易于小型化和自动化等优势。基于以上优势，该技术已在生命科学、分析化学等领域受到广泛关注。

微混合器作为微型全分析系统的重要部件之一，主要用于实现不同样品之间的充分混合，为后续的各种反应提供保障条件。宏观尺寸下，多数流体流速较大，易处于湍流状态，可以通过湍流快速的实现不同流体之间的完全混合。在微尺度条件下，流体的表面积与体积的比值急剧增大，惯性力的作用迅速减少，表面力与粘性力的影响占主导地位，使微通道内部流体的流动以层流为主，从而导致各种流体混合以分子扩散为主，很难实现各种流体的快速高效混合。为解决上述问题，各种不同类型的微混合器应运而生。目前，根据有无外界能量驱动微混合器可分为被动式微混合器、主动式微混合器。被动式微混合器主要通过改变管道的内部结构和形状，增大流体间接触面积，达到增强混合的效果。主动式混合器一般通过外部能量(压力扰动、声波扰动等)诱发液体间的相对运动来达到混合的效果。

总体来讲，主动混合器一般具有工作附件较少，易于操作、混合效率偏低等特点；被动式混合器具有混合效率高、混合时间短、适用范围窄(不适用于易受高温、高压等影响的样品)、不易集成化等特点。

发明内容

本发明基于微气泡驱动的震荡射流式微混合器，该微混合器包括上层盖板、下层基板；所述上层盖板、下层基板采用高温键合连接，两者共同组成微混合器混合装置。本发明基于脉冲电压激励加热器产生可控气泡，并以气泡的周期性胀缩产生交替的高低压力，促使混合液体产生震荡射流；同时结合被动式混合器常用的扰流结构(支路结构、锯齿形结构、挡流结构等)，强化混合，实现微尺度下多种流体的快速融合。该微混合器具有适用范围广、混合效率高、可集成性强等优势。

本发明采用的技术方案为一种基于微气泡驱动的震荡射流式微混合器，该微混合器包括上层盖板(24)、下层基板(25)；所述上层盖板(24)、下层基板(25)采用高温键合连接，两者共同组成微混合器混合装置(28)。

所述上层盖板(24)面向下层基板(25)的一侧沉积有薄膜电阻加热器(16)，薄膜加热器(16)与金属引线(17)相连，薄膜电阻加热器与上层盖板之间沉积有绝缘薄膜(18)；上层盖板(24)上依次加工有入口通道通孔a(19)、入口通道通孔b(20)、入口通道通孔c(21)、信合线键合孔(22)、出口通道通孔(23)。

所述下层基板(25)上加工有微混合器流道结构，该混合器流道采用多通道入口形式，以期实现多种流体的混合；混合器流道的数量优选为三个，即入口通道a(1)、入口通道b(2)、入口通道c(3)；通过三个通道的三股流体汇合后，汇合的流体进入主混合通道(4)，主混合通道(4)内设有锯齿形结构(5)；经微喷嘴结构(6)后进入混合室(7)，混合室(7)分为上、中、下三部分，混合室(7)的上部左、右两侧分别设有微气泡驱动装置循环回路a(11)、微气泡驱动装置循环回路b(12)，中部设有条形支路结构(8)，下部设有圆柱型挡流结构(9)；圆柱型挡流结构(9)与出口通道(10)连接，出口通道(10)内设有锯齿形结构(5)。

脉冲电压激励加热系统a(26)、脉冲电压激励加热系统b(27)对称设置在上层盖板(24)两侧，脉冲电压激励加热系统a(26)、脉冲电压激励加热系统b(27)分别与信合线键合孔(22)连接，在工作时需对脉冲电压激励加热系统a(26)、脉冲电压激励加热系统b(27)提供具有一定相位差的周期性的脉冲电压。

所述微气泡驱动装置循环回路a(11)、微气泡驱动装置循环回路b(12)结构相同，仅位置不同；微气泡驱动装置循环回路分别由微通道环流道(13)、气泡过滤器(14)、微气泡冷凝腔(15)构成，微通道环流道(13)为循环流道，微通道环流道(13)上设有微气泡冷凝腔(15)，微气泡冷凝腔(15)与混合室(7)的微通道环流道(13)内设有气泡过滤器(14)。

所述下层基板(25)为耐热玻璃、硅等材料；入口通道a(1)、入口通道b(2)、入口通道c(3)为示意结构，且以三种流体混合为前提；若需增加流体种类的混合数目，可根据要求增加入口通道的数目；混合室(7)上部需保持适当的高度，一般距离射流入口高度为入口通道宽度的5～10倍即可；混合室(7)中部的支路数目根据需要增加，最小宽度不小于20μm(方便加工)；

为保证挡流效果，圆柱形挡流结构(14)的直径大于出口通道(10)的宽度，且需置于入口通道的中心线上；主混合通道(5)以及出口通道(15)内锯齿形结构(5)的数目以及大小，根据需要适当增加，理论上数目越多混合效果越好，但相应的流动阻力也随之增大。

所述薄膜电阻微加热器(16)的材质为铂，金属引线(17)的材质为金，绝缘薄膜(18)的材质为二氧化钛。

所述上层盖板(24)的材质为耐热玻璃等材料，以保持较高透明度，方便观察微混合器内部的流动，并起到密封的作用。

本发明的工作过程如下：

通过入口通道a(1)、入口通道b(2)、入口通道c(3)分别流入一种流体；三股流体首先经过主混合通道进行第一次混合，混合通道中的锯齿形结构有助在流体中形成涡结构、混沌对流，提高混合效果；混合后流体经喷嘴结构加速，形成射流。在混合室上部两侧设计有对称的脉冲电压激励加热系统a(26)、脉冲电压激励加热系统b(27)，该系统在工作时需分别接入两种存在不同相位差的电流，进而在混合室上部产生交替的高压、低压，导致射流产生震荡。(具体原理如下：在高电平的脉冲电压下，膜电阻微加热器周围的液体快速升温至过热状态，气化核心产生后微气泡快速膨胀，从而导致循环回路输出高压；在零电平时，微气泡被周围的欠热液体快速冷凝，微气泡萎缩，导致循环回路输出低压。)周期性的震荡射流喷入混合室中部的条状支路结构，进行强化混合。经各支路强化混合后的流体，在混合室下部汇流，室内设置有圆柱形挡流结构，以增加各支流在腔体内的混合时间以及混合强度。流体经混合室尾部进入出口通道，该通道内部锯齿形结构，进一步强化混合。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、在该类混合器引入具有相位差脉冲电压激励加热装置，产生可控气泡，并以气泡周期性胀缩产生交替的高、低压动力源。在这种压力的作用下，射流产生震荡，诱发通道内产生混沌对流，有效促进各种流体的混合。该发明解决了被动混合器易存在高温、高电磁等环境的缺陷，扩大了该类被动混合器的适用范围。

2、微混合器中，混合室设计为水滴形结构，该结构促进了射流的产生，同时借助条形支路结构、挡流板结构以及锯齿形结构有效增加流体分子之间的不平衡碰撞，提高混合效率。

3、该混合器主要以微气泡的周期性胀缩产生的脉冲压力为动力源，促使微混合器内部产生震荡射流，同时结合被动式混合器常用的扰流结构(支路结构、锯齿形结构、挡流结构等)，强化混合，实现微尺度下多种流体的快速融合。本类微混合器主要涉及生命科学、化工等技术领域，尤其涉及一种微混合器。

附图说明

图1是本发明的上层盖板俯视图。

图2是本发明的微混合器内部流道俯视图。

图3是本发明的微气泡驱动装置循环回路局部放大图。

图4是本发明的脉冲电压激励加热系统零件相对位置示意图。

图5是本发明的下层基板俯视图

图6是本发明的微混合器实施示意图

图7是本发明的左、右脉冲电压激励加热系统输入电压波型图。

图中：1、入口通道a，2、入口通道b，3、入口通道c，4、主混合通道，5、锯齿形结构，6、喷嘴结构，7、混合室，8、条形支路结构，9、圆柱形挡流结构，10、微混合器出口通道，11、微气泡驱动装置循环回路a，12、微气泡驱动装置循环回路b，微通道环流道13、微气泡驱动装置循环通道，14、气泡过滤器，15、微气泡冷凝腔，16、薄膜电阻加热器，17、金属引线，18、绝缘薄膜，19、入口通道通孔a，20、入口通道通孔b，21、入口通道通孔c，22、信合线键合孔，23、出口通道通孔，24、上层盖板，25、下层基板，26、脉冲电压激励加热系统a，27、脉冲电压激励加热系统b，28、微混合器混合装置。

具体实施方式

1、加工要求

a)此种微混合器的上层盖板易采用玻璃材质等透明材质，下层基板采用硅板、耐热玻璃等材质。

b)微混合器中微通道的加工方法采用化学刻蚀的方法，通道入口、出口处外接导管可采用特氟隆塑料胶管。

c)上层盖板与下层基板采用高温键合而成，同时为上层盖板与下层基板的键合质量，可在下层基板上加工基准孔，键合时注意基准孔对准，可有效保证系统封闭性。

d)此种微混合器可以实现多种流体的混合，入口通道可以设置多条，文中为了便于解释仅仅设置三条入口通道。因此，在实际设计时可若需增加流体种类的混合数目。

e)第一混合室需保持适当的高度，一般距离射流入口高度为入口通道宽度的5～10倍即可。

f)脉冲电压激励加热系统中，薄膜电阻加热器、金属引线、绝缘薄膜的制作建议遵循以下过程：将上层盖板洗净后，光刻通道，在玻璃上依次溅射Ti、Pt、Au，然后剥离出Au金属引线图形，进一步采用腐蚀工艺去掉部分Au表面，从而得到矩形薄膜电阻加热器。

g)混合室中部的支路结构数目可根据需要增加，一般最小宽度不小于20μm(方便加工)。

h)圆柱形挡流结构的直径应大于出口通道的宽度，且需置于入口通道的中心线上，以保证荡流效果。

i)主混合通道及出口通道内锯齿形结构的数目，可根据需要适当增加，理论上数目越多混合效果越好，但相应的流动阻力也随之增大。

2、左、右脉冲电压激励加热系统输入电压输入要求左、右脉冲电压激励加热系统输入电压可参考图7。若需改变频率，建议遵循以下原则：左脉冲电压激励加热系统a、右脉冲电压激励加热系统b的电压相位差需保证180°，其他参数可根据实际情况调整。

Claims (6)

1.一种基于微气泡驱动的震荡射流式微混合器，其特征在于：该微混合器包括上层盖板(24)、下层基板(25)；所述上层盖板(24)、下层基板(25)采用高温键合连接，两者共同组成微混合器混合装置(28)。

所述上层盖板(24)面向下层基板(25)的一侧沉积有薄膜电阻加热器(16)，薄膜加热器(16)与金属引线(17)相连，薄膜电阻加热器与上层盖板之间沉积有绝缘薄膜(18)；上层盖板(24)上依次加工有入口通道通孔a(19)、入口通道通孔b(20)、入口通道通孔c(21)、信合线键合孔(22)、出口通道通孔(23)；

所述下层基板(25)上加工有微混合器流道结构，该混合器流道采用多通道入口形式，以期实现多种流体的混合；混合器流道的数量优选为三个，即入口通道a(1)、入口通道b(2)、入口通道c(3)；通过三个通道的三股流体汇合后，汇合的流体进入主混合通道(4)，主混合通道(4)内设有锯齿形结构(5)；经微喷嘴结构(6)后进入混合室(7)，混合室(7)分为上、中、下三部分，混合室(7)的上部左、右两侧分别设有微气泡驱动装置循环回路a(11)、微气泡驱动装置循环回路b(12)，中部设有条形支路结构(8)，下部设有圆柱型挡流结构(9)；圆柱型挡流结构(9)与出口通道(10)连接，出口通道(10)内设有锯齿形结构(5)。

脉冲电压激励加热系统a(26)、脉冲电压激励加热系统b(27)对称设置在上层盖板(24)两侧，脉冲电压激励加热系统a(26)、脉冲电压激励加热系统b(27)分别与信合线键合孔(22)连接，在工作时需对脉冲电压激励加热系统a(26)、脉冲电压激励加热系统b(27)提供具有一定相位差的周期性的脉冲电压。

2.根据权利要求1所述的一种基于微气泡驱动的震荡射流式微混合器，其特征在于：所述微气泡驱动装置循环回路a(11)、微气泡驱动装置循环回路b(12)结构相同，仅位置不同；微气泡驱动装置循环回路分别由微通道环流道(13)、气泡过滤器(14)、微气泡冷凝腔(15)构成，微通道环流道(13)为循环流道，微通道环流道(13)上设有微气泡冷凝腔(15)，微气泡冷凝腔(15)与混合室(7)的微通道环流道(13)内设有气泡过滤器(14)。

3.根据权利要求1所述的一种基于微气泡驱动的震荡射流式微混合器，其特征在于：所述下层基板(25)为耐热玻璃或硅材料；入口通道a(1)、入口通道b(2)、入口通道c(3)以三种流体混合为前提；若需增加流体种类的混合数目，根据要求增加入口通道的数目；混合室(7)上部高度距离射流入口高度为入口通道宽度的5～10倍；混合室(7)中部的支路数目根据需要增加，最小宽度不小于20μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于微气泡驱动的震荡射流式微混合器，其特征在于：圆柱形挡流结构(14)的直径大于出口通道(10)的宽度，且需置于入口通道的中心线上；主混合通道(5)以及出口通道(15)内锯齿形结构(5)的数目以及大小，根据需要适当增加，理论上数目越多混合效果越好，但相应的流动阻力也随之增大。

5.根据权利要求1所述的一种基于微气泡驱动的震荡射流式微混合器，其特征在于：所述薄膜电阻微加热器(16)的材质为铂，金属引线(17)的材质为金，绝缘薄膜(18)的材质为二氧化钛。

6.根据权利要求1所述的一种基于微气泡驱动的震荡射流式微混合器，其特征在于：所述上层盖板(24)的材质为耐热玻璃材料。