CN105521750A - 基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片 - Google Patents

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杨志刚
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姜峰
唐春秀
王腾飞
梁实海
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Abstract

本发明涉及一种基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片。新型微流体反应芯片将聚焦声表面波产生的振动扰动作用于泵入反应芯片的混合液体，同时混合液体被泵入的气体隔开，形成微小单元反应室，在微小单元反应室内的液体比较少，并且受到聚焦声表面波产生的振动扰动的集中作用，不仅能够大幅度地提高液体的混合效率，而且通过观察微小单元反应室内混合溶液的情况对其进行有效的控制。

Description

基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片
技术领域
本发明属于微流体反应芯片技术领域，特别涉及一种具有微小单元反应室的基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片。
背景技术
利用压电泵具有结构简单、易于构造、性能稳定、无电磁干扰、易于实现流量精确控制等优点，在微精密机械、精密器件微制造、超精密加工等领域得到日益广泛应用。利用聚焦声表面波(FSAW)具有能够使能量集中在焦点处进而加快焦点处区域的化学反应速度的特点及优点，在微流体驱动、细胞和粒子操控等领域有着广泛的应用。
近几年来，微流体反应芯片是MEMS领域发展起来的新型合成反应技术，由于其可在较小体积下完成合成，试剂用量小、反应效率高、制备效果好，受到人们的广泛关注。目前已有很多研究团队致力于微流体反应技术方面的研究。
微流体反应芯片按混合方式可分为主动式微反应器和被动式微反应器，其中被动式微流体反应芯片通过复杂的结构设计来增加流体间的接触面积从而达到有效的混合，包括蛇形、螺旋型、蜿蜒型等，一般需要在流道中加设沟槽、弯角等二维或者三维结构来强化混合效果，存在流道复杂、混合时间长，反应不可控等问题；主动式微流体反应芯片是通过各种不同形式的驱动源给予流场一种外部能量或力，来增大分子间的扩散速度从而达到有效混合。一部分国内外科研人员已经开始研究主动式微反应芯片，在专利号为2014101636014的《一种压电式自动反应芯片》的发明专利中，吉林大学刘国君等人首次提出了一种双主动扰动的微流体反应芯片，将脉动输入与振动扰动分别作用于混合和反应过程，解决了之前的压电式微流体反应器只能实现脉动混合。在一定程度上提高了溶液合成速率，但由于其微混合流道和振动混合池内流体分子较多导致合成效率低，其他主动形式的微流体反应器也存在着类似的缺陷。本发明提出了一种具有惰性气体反应室的基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片，将惰性气体脉动输入和聚焦声表面波产生的振动扰动分别作用于混合和反应过程，使得微流道内流体被惰性气体隔开，在微小惰性气体反应室内受到聚焦声表面波产生的振动扰动的集中作用，打破了传统微流体反应芯片在流道内直接完成化学反应的思维，是一种高效率的新型微流体反应芯片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的具有微小单元反应室的基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片，以解决现有的微流体反应器由于其微混合流道和振动混合池内溶液分子较多导致合成效率低、反应不完全的问题。
本发明提供的具有微小单元反应室的基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片包括有压电基底、叉指换能器和微混合反应基片。微混合反应基片内集成有压电微泵、芯片入口、芯片出口和微混合流道，压电微泵的内腔与芯片入口连通，并且压电微泵的内腔通过微混合流道与芯片出口连通。
微混合反应基片为PDMS材料制成的基片。利用精雕机雕刻微混合反应基片的模具，利用模具灌注出PDMS基片，将PDMS基片键合在压电基底的表面。
压电基片为人造石英或铌酸锂或钽酸锂或锗酸铋单晶材料。
叉指型换能器是利用光刻技术在洁净的压电基底表面绘制一层带有叉指换能器图案的光刻胶，采用溅射+剥离的工艺在压电基底表面制作。
微混合流道的结构形式为星形。
叉指型换能器产生的聚焦声表面波集中作用在星形微混合流道中心或者微混合流道中间回环式结构中心处。
本发明的工作原理：
本发明利用压电微泵(三个及以上)作为驱动源，其中压电微泵A为微混合器脉动注入A溶液，压电微泵B为微混合器脉动注入B溶液，压电微泵C为微混合器脉动注入惰性气体。微流体混合器由三个压电微泵按A-B-C-A-B-C顺序循环工作。这样，在微混合流道内就会形成：惰性气体-AB混合溶液-惰性气体的脉冲式分层。AB混合溶液被不参加反应的惰性气体隔断，形成一个个微小反应室，从而使溶液在惰性气体室内可以实现高效率混合。
叉指型换能器是根据逆压电效应，将信号发生器的输出信号的+/-两极分别与叉指换能器的两极相连，然后输出连续的正弦信号，环形的叉指换能器产生聚焦声表面波作用于中心焦点区域，对中心焦点区域的微小单元反应室内混合流体产生集中机械振动，使微小的混合流体在集中机械振动条件下高效率混合。
具体的作用方式如下所述：
方式一：如图3所示，类型一微混合流道为三相星型，聚焦声表面波集中作用处为微流道混合交汇中心。其对应的叉指型换能器是由两个1/4圆形对称分布，调节控制器使微混合流道内惰性气体室每隔一定的时间进行下一个动作。这样气体室可以在混合中心处停留一定的时间进行化学反应。
方式二：如图4所示，类型二微混合流道中间为回环式结构，聚焦声表面波集中作用处为回环式结构中心。其对应叉指型换能器是由两个扇形对称分布，调节控制器使微混合流道内惰性气体室每隔一定的时间进行下一个动作。这样气体室可以在回环式结构中心处停留一定的时间进行化学反应。
本发明的有益效果：
本发明提出的一种具有惰性气体反应室的基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片，将惰性气体脉动输入和聚焦声表面波产生的振动扰动分别作用于混合和反应过程，使得微流道内流体被惰性气体隔开，在微小惰性气体反应室内的流体分子量比较少并且受到聚焦声表面波产生的振动扰动的集中作用，不仅会大幅度提高混合效率，而且通过观察气体室内混合溶液情况更加容易控制反应进行。
附图说明
图1为本发明所述的类型一微混合流道的整体结构示意图。
图2为本发明所述的类型一微混合流道的分解结构示意图。
图3为本发明所述的类型二微混合流道的整体结构示意图。
图4为本发明所述的类型二微混合流道的分解结构示意图。
图5为本发明所述的微混合流道的截面剖视图。
1、压电基底2、叉指换能器3、微流道系统4、压电微泵
5、流体流入通道6、流道交汇处7、流体出口8、流体进口
9、微混合流道10、压电振子11、阀片12、阀体
13、回环流道
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示：
本发明提供的具有微小单元反应室的基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片包括有压电基底1、叉指换能器2和微流道系统3。微流道系统3内集成有压电微泵4、流体出口7、流体进口8和微混合流道9，压电微泵4的内腔与流体进口8连通，并且压电微泵4的内腔通过微混合流道9与流体出口8连通。
压电基片1为人造石英或铌酸锂或钽酸锂或锗酸铋单晶材料。
叉指型换能器2是利用光刻技术在洁净的压电基底表面绘制一层带有叉指换能器图案的光刻胶，采用溅射+剥离的工艺在压电基底表面制作。
微流道系统3是PDMS材料制成。利用精雕机雕刻微流道系统的模具，利用模具灌注出PDMS基片，将PDMS基片键合在压电基底1的表面。
叉指型换能器2产生的辐射力与流道垂直并且集中作用在其焦点中心
本发明的工作原理：
本发明利用压电微泵6(三个及以上)作为驱动源，其中压电微泵A为微混合器脉动注入A溶液，压电微泵B为微混合器脉动注入B溶液，压电微泵C为微混合器脉动注入气体。参考图5所示，微流体混合器由三个压电微泵4按A-B-C-A-B-C顺序循环工作。这样，在微混合流道9内就会形成：气体-A溶液-B溶液-气体的分层。A溶液和B溶液被不参加反应的气体隔断，形成一个个微小的反应单元，从而使溶液在微小单元反应室内实现高效率混合，并且可以通过观察混合溶液情况来控制反应进行。
叉指型换能器2是根据逆压电效应，将信号发生器的输出信号的+/-两极分别与叉指换能器2的两极相连，然后输出连续的正弦信号，环形的叉指换能器产生聚焦声表面波作用于中心焦点区域，对中心焦点区域的微小单元反应室产生集中机械振动，使其在高能量的机械振动条件下高效率混合。
具体的作用方式如下所述：
方式一：如图1所示，类型一微混合流道9为三相星型，聚焦声表面波集中作用处为微流道系统的流道交汇处6。其对应的叉指型换能器2是由两个1/4圆形对称分布，调节控制器使微混合流道9内微小单元反应室每隔一定的时间进行下一个动作。这样微小单元反应室可以在微流道系统的流道交汇处6停留一定的时间进行化学反应。
方式二：如图3所示，类型二微混合流道9中间部分为回环式结构，聚焦声表面波集中作用处为回环流道13。其对应叉指型换能器2是由两个扇形对称分布，调节控制器使微混合流道9内微小单元反应室每隔一定的时间进行下一个动作。这样微小单元反应室可以在回环流道13停留一定的时间进行化学反应。

Claims (6)

1.一种基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片，包括有压电基底、聚焦叉指换能器、微流道系统以及压电微泵，其特征在于：所述的聚焦叉指换能器的聚焦中心处于微流道系统的混合流道中，两种混合液体在混合流道中由气体隔开形成微小混合单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片，其特征在于：所述的两组聚焦叉指换能器以混合流道为轴线对称，且叉指呈圆弧状。
3.根据权利要求1所述的一种基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片，其特征在于：所述的聚焦叉指换能器的聚焦中心处于三条流入流道的交汇处。
4.根据权利要求1所述的一种基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片，其特征在于：所述的叉指换能器的聚焦中心处于混合流道回环式结构的中心。
5.根据权利要求1所述的一种基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片，其特征在于：所述三个压电微泵各自的输入信号为不连续的脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于聚焦声表面波的压电驱动微流体反应芯片，其特征在于：所述的三个压电微泵泵入微流道系统的流体的顺序是连续的，并且两种需要进行混合的流体相邻，由气体将其隔开，使其在混合流道中形成微小的混合单元反应室。
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