CN106669512A - 被动式微通道 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动式微通道，其混合单元，至少有一个，为多个时，相邻混合单元依序承接，且第一个混合单元的头端连接所述连接单元的尾端；其中所述混合单元包括：第一通道；第二通道，垂直连接于第一通道的尾端；第三通道，连接于第二通道的末端，并向第一通道的头端和第三通道的头端倾斜；以及第四通道，连接于第三通道的末端，并与第二通道平行。基于本发明在较小的混合距离下具有比较好的混合效果。

Description

被动式微通道

技术领域

本发明涉及一种被动式微通道，用于微流控芯片，以用于两种流体的混合。

背景技术

目前，微流控芯片上所应用的被动式微混合器有很多种，混合原理大致都是基于其各自的结构和形状，以使混合达到期望的效果。混合效果是最终指标，最终指标的实现需要考虑影响因素，常用的影响因素包括混合时间和混合距离，两者都会影响被动式微通道的规格、布设范围。

微流控芯片技术广泛应用于临床医学，药物筛选、食品安全、疾病诊断、生物化学分析、环境检测等前沿领域中，本发明主要是根据临床医学中使用某种药物试剂在微流控芯片上检测血液中的某种物质所做的研究。

中国专利文献CN101498630A公开了一种样品预处理集成芯片，该集成芯片具有四层结构，混合部分表现为其在结构片上构造的混合沟道，在混合沟道中则具有增加混合效果的微结构。微结构并没有在该文献中有清晰描述，不过其所采用的U型沟道排列则能够减小混合距离，由于其混合有赖于流体行进过程中产生的紊流和扩散，自身的混合能力有限。

中国专利文献CN104914102A公开了一种微流控芯片，其在微流控芯片上形成有两个混合池，混合池是一个大致的正方形结构，相关微通道分布在正方形结构的四个边上，这些微通道又都配置有相关的阀门，可以通过控制阀门来实现各个微通道启闭的顺序，用以实现混合。这种混合方式的效果相对较差，体现在，在预先进入的样本中注入其他样本或者液体时，基于截面相对较小的微沟道流入，会在边长比较大(混合池边长远大于微沟道的宽度)的混合池内既存的液体形成界面比较清晰的混入液，如果微沟道流出的压力比较小，甚至会出现泾渭分明的现象，实质的混合效果比较差。

中国专利文献CN103170378A公开了一种微流控芯片装置，其进样泵通过两根进样管道进入微流控芯片，两根进样管道通过一个Y型混合微通道用于实现初步的混合，继而在反应区设有一组S型通道，用于承接Y型混合微通道实现进一步的混合和反应，这种混合方式与中国专利文献CN101498630A中的U型管比较类似，表现为一种轴向流，两种液体之间的界面被打破相对困难，因此，该类结构若想达到期望的混合效果，往往需要比较大的混合长度，例如中国专利文献CN103170378A说明书第13段明确指出了弯曲微通道的长度在6厘米到18厘米，对于微米级别的微流控芯片，其尺寸规格太大。

中国专利文献CN101708439A则公开了另外一种形式的混合方式，其在一个基片上构造微通道，而在另一个基片上构造法向孔，即法向孔与微沟道垂直，相应形成轴向流与径向流，在法向孔与微沟道连接处形成混合区，该种结构虽然能够产生轴向流与径向流的直接冲击，从而形成混合，然而，该种混合方式的混合区过小，实质的混合效果会受到影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在较小的混合距离下具有比较好的混合效果的被动式微通道。

本发明采用以下技术方案：

一种被动式微通道，包括：

缓存槽，配有第一入口通道和第二入口通道，以及缓存槽出口；

连接单元，该连接单元的头端连接于缓存槽出口；

混合单元，至少有一个，为多个时，相邻混合单元依序承接，且第一个混合单元的头端连接所述连接单元的尾端；

其中所述混合单元包括：

第一通道；

第二通道，垂直连接于第一通道的尾端；

第三通道，连接于第二通道的末端，并向第一通道的头端和第三通道的头端倾斜；以及

第四通道，连接于第三通道的末端，并与第二通道平行。

上述被动式微通道，可选地，第二通道的宽度大于其余三个通道的宽度。

可选地，其余三个通道宽度相等，且其余三个通道的宽度为第二通道宽度的0.45～0.55倍。

可选地，第二通道与第三通道的夹角为45～75度。

可选地，第一通道的头端与第三通道的尾端平齐。

可选地，所述缓存槽为矩形槽；

矩形槽相对的一对边中一边设有与该边垂直的第一入口通道，另一边设有与该另一边垂直的第二入口通道，且在该对边平行的方向上，第一入口通道位于矩形槽的一端，第二入口通道位于矩形槽的另一端。

可选地，所述缓存槽出口位于第一入口通道所在的边上，且在第一入口通道平行的方向上，第一入口通道与缓存槽出口的第一距离大于第二入口通道与缓存槽出口的第二距离；

其中，第二距离不小于第二入口通道宽度的1.5倍。

可选地，所述连接单元包括：

第一细通道，构造在缓存槽出口处；

粗通道，承接第一细通道，宽度大于第一细通道并与第一细通道垂直。

可选地，该被动式微通道各处深度相同。

可选地，所述混合单元有两个，且位于后级的混合单元还接续有出口通道；

出口通道包括与后级的混合单元的第一通道垂直并位于该第一通道中部的第一管道部分、承接第四通道末端并与第三通道平行的第二管道部分，以及连接第一管道部分与第二管道部分的第三管道部分。

依据本发明，在缓存槽内进行第一入口通道和第二入口通道进入流体的初步混合，然后通过连接单元进入混合单元，混合单元具有多个弯管结构，通过弯管结构形成流体对流，尤其是其具有基于第三通道的两个反角，对流效果相对于直角弯管具有明显的提高，混合效果明显增加。

此外，第三通道的存在可以大幅减小被动式微通道布设所占据的混合距离，结构更加紧凑。

附图说明

图1为依据本发明的一种被动式微通道的平面结构示意图。

图2a为基于本发明的一种被动式微通道使用Fluent仿真数值模拟混合效果的图示(取自仿真界面，黑白条件下的亮度能够区分混合效果)。

图2b为已知的一种被动式微通道使用Fluent仿真数值模拟混合效果的图示(取自仿真界面，黑白条件下的亮度能够区分混合效果)。

图3a为以及本发明的一种被动式微通道使用Fluent仿真的流线效果图。

图3b为缓存槽结构区域的流线效果图。

图3c为混合单元区域的流线效果图。

图中：1.第一入口通道，2.第二入口通道，3.缓存槽，4.第一细通道，5.粗通道，6.第三细通道，7.第二细通道，8.锐角弯道，9.微通道出口。

具体实施方式

参照说明书附图1所示的一种被动式微通道，是微通道的平面结构，可以成型在一基片上，基片一般为平置，因此附图1大致可以认为是俯视图。芯片级的微通道，其宽度是百纳米级别(0.1mm级别)，称为微通道。

被动式微通道所适应的流体包括气体、液体，以及气溶胶或者含有分散固体的液体，例如悬浮液。

图1中，左右方向定义为基准方向，是整体上流体的输送方向，记为横向，在水平面内与横向垂直的方向记为纵向。

图1中所示的被动式微通道包括流体进入部分、混合部分，以及混合流体输出部分。

其中流体输入部分构造为一个带有入口的缓存槽3，适配待混入流体的数量，在本发明中适用于两种流体的混入，因而为缓存槽3配有第一入口通道1和第二入口通道2。流体从缓存槽3输出需要设置一个出口，即缓存槽出口。

缓存槽3意味着其具有一定的容置能力，从而随着流体的泵入而产生两种流体的初始混合，混合效果可见于图2a中缓存槽3部分的混合效果，图2中以两种颜色不同的流体混合为例所做出的模拟。众所周知，两种颜色混合会产生第三种颜色，并且混合的充分与否会在混合的界面处产生颜色的深浅(亮度变化)和颜色本身的变化)。图2中被处理成黑白图片，表现为流体在被动式微通道内的亮度变化。图中可见在混合槽3内有一条相对明亮的线，在线的两边亮度逐渐减弱，此处即为混合界面，混合后产生第三种颜色。

本发明通过Fluent仿真数值模拟软件进行了验证，结果如图2所示，图2a为基于本发明的一种被动式微通道混合效果的模拟结果，图2b为已知的一种被动式微通道混合效果的模拟结果，模拟所使用的各种条件均相同，图中可以明显看出的是本发明所要求保护的被动式微通道与同类型的微通道相比混合长度缩短很多。

进行数值模拟前使用的Gambit做前处理，划分网格和定义边界。网格采用六面体结构化网格，模型中网格数量决定着计算的速度和精度，网格数量过多时，计算的速度过慢，网格数量太少，计算结果的准确度就达不到，与实际情况就会产生差距，为了保证精度和避免计算机计算速度过慢，本次模拟使用的网格边长为0.01mm，网格数量为299950个。

图2所示的示例是根据临床医学中使用某种药物试剂在微流控芯片上检测血液中的某种物质所做的研究，混合工质选择为一种药品试剂和血浆，要求血浆和试剂混合时没有任何化学反应且不产生反应热，没有相的改变，也不会引起质量的损失，扩散系数分别为1.2×10^-9m²/s和2.1×10^-10m²/s，密度分别为997kg/m³和1025kg/m³，黏度分别为0.9×10^{- 3}kg/m·s和1.5×10^-3kg/m·s。入口采用速度入口，出口为零压力的自由流出出口，为了有一个明显的混合效果，两种流体进入入口的流速相同，选择平均速度7.36m/s。

由于流体在微通道内流动时雷诺数很小，是层流状态，物理模型设定流动状态是定常流动，流体没有相态的改变，流体是不可压缩的，而且通道壁面都是绝热的，边界条件设置为无滑移。

仿真模拟结果如图2所示，图2a可见，无论是混合效果还是混合效率都要比同类型图2b所示的微通道好很多，改善程度非常明显。通过仿真模拟结果得到，基于亮度的变化，在第一个混合单元混合基本结束，不需要进入下一个直角弯道，就已经达到完全混合。

从两种微通道混合所需要的时间来看，本发明示例中，达到预期的混合效果，所需要的混合长度比同类型的微通道混合长度要短很多，而流体的平均速度是相同的，所以基于本发明能够大大减小了混合时间，具有较高的混合效率。

对比图2a和图2b可见，基于本发明有效利用了可用面积，整体长度更短，面积更小，更具微型化特点，而且混合效率还特别高。

下面就达成的附图2所示的技术效果、技术手段和原理说明如下：

应当理解，关于两种流体的注入速度，取决于例如基于特定的检测而需要混合的两种流体的实际配比。因此，在此条件下，两种流体的流速(表现为流量)可以相同和可以不同，不在于流体流速的控制，而与例如特定检测直接相关。

关于混合部分主要是如图1中所示的混合单元，其大致是一个镜像的Z字形，并具有一个竖直的第一通道，如图中所示的第二细通道7。

混合单元主要完成流体的混合，其结构需要从混合效果出发，因此，在承接上未必能够与缓存槽3顺利接续，因此，进一步配置连接单元，该连接单元的头端连接于缓存槽出口，用于混合单元与缓存槽3之间的连接。

可以理解的是，连接单元也是通道结构，用于混合单元和缓存槽3之间的连通，因此也具备在管道层面的混合能力，此处并不排除连接单元的混合作用。

关于混合单元，进一步地，应当至少配置有一个，尽管图1中两种颜色的流体混合后，大致在第一个混合单元的中部，其亮度已经非常均匀，但内部是否均匀在表面上并不容易或者不能看出来，多个混合单元用于保证混合的充分性。

因此，当混合单元有多个时，相邻混合单元依序承接，形成混合单元总成，那么混合单元总成的第一个混合单元的头端连接所述连接单元的尾端，承接来自连接单元的流体。

图1中可见，混合单元包括：

第一通道，如图1中所示的第二细通道7，为纵向通道，其与连接单元连接的部分形成一个90度弯头。

然后是第二通道，如图1中所示的垂直连接于第一通道的尾端(纵向的下端)的相对较宽的粗通道，两者连接端又形成一个90度弯头。

对于通道来讲，可以理解的是，其宽度是指与通道走向相垂直的方向上的度量。

进而是第三通道，如图中所示的第三细通道6，其连接于第二通道的末端，并向第一通道的头端和第三通道的头端倾斜，换言之，如图1所示，第三通道向上延伸的同时，还向回延伸，即倾斜延伸，向回倾斜，在此结构条件下，被动式微通道在横向上的尺寸会变小，或者横向尺寸更加紧凑。

倾斜意味着会产生流体流向的急剧变化，受通道壁面和转角的变化，产生流体的对撞，或者说对流，使混合在较短(通道走向的度量)的通道更加充分。

对比附图2a和附图2b，其中附图2b与中国专利文献CN103170378A所要求保护的技术方案大致相当，模拟的效果可见，其需要经过多个单元才能够使亮度变的相对均匀，由于不包含在横向向回倾斜的部分，其在横向的整体结构也更大。

此外，附图2b中，混合在流体流进过程中大致是一个相对平稳的变化，而在本发明中，如图2a所示，其变化相对剧烈。

混合均匀度达到一定程度后，混合所产生的变化就会变的困难，如图2b所示，其在横向左端的Y型进行初步混合后，至第5个弯头处，亮度已经变淡，但还需要多个90度弯头才能相对均匀，然而直到最后一个90度弯头也没有变的非常均匀，换言之，混合均匀度达到一定的程度后，进一步的混合难度会大幅增加。图2a则不同，其在第一个倾斜通道，也就是第三细通道6后，就已经非常均匀，换言之，在图中锐角弯道8处产生良好的混合作用，把附图2b需要多个弯管或者弯头不能完成的工作，在一个相对较短的范围内完成。

进而，配置第四通道，如图1中所示的连接于第三细通道6的末端的水平通道，该第四通道与第二通道平行，以简化结构。

在图1所示的结构中，除缓存槽3外，被动式微通道的各个通道部分的宽度主要分为两类，一类可见于图中相对较宽的通道部分，另一类则是相对较窄的通道部分，并且相对较宽的通道部分之间并不直接相连，采用这种结构的目的在于从宽变窄的过程中会产生喷嘴效应，形成一种较强的集聚作用，有利于混合，而在由窄变宽的连接表现为压力的释放，产生扩散作用，形成比较剧烈的混合作用。如图2a所示，第一细通道4紧密连接的粗通道5处出现一个亮度相对比较高的部位，同样，在第二细通道7变化到下面的粗通道时，也产生了非常剧烈的亮度变化。具体分析其原理，除了喷嘴效应外，在此处也容易产生涡流和对流，从而能够产生相对较强的混合作用。

关于宽度的变化，再混合单元中表现在第二通道的宽度大于其余三个通道的宽度，能够起到更好地混合效果，其效果可见于附图2a所示的第一个混合单元中。

在混合单元中，其余三个通道宽度相等，且其余三个通道的宽度为第二通道宽度的0.45～0.55倍。藉此结构，流体从连接单元流出后，流体通过的经过第二细通道7进入第二通道，进而进入图中所示的锐角弯道8，由于是较粗的弯道接较细的通道，通过锐角弯道8后，流体的流速改变的更大，速度方向改变的更剧烈，流体之间的对流程度更大。

优选地，粗通道5的宽度优选为200μm，而其余三个通道的宽度优选为100μm。微通道结构基于本发明的特定结构还存在于缓存槽3的出口处，此处的微通道部分为图中所示的第一细通道4，其右侧边长为50μm，左侧边长为250μm，如前所述，两种流体从缓存槽通过出口时，由于初速的影响，会在较细的通道处产生较高的流速，同时压缩两种流体，使之产生对流，同时有一个喷嘴的效果，具体可见于附图2a，能够使流体之间交错、折叠程度增加，加强了流体之间的对流，是混合流体进入弯道时与通道壁之间的碰撞更加剧烈。这种尺寸的选择使两种流体通过出口时明显被压缩和加速，使两种流体之间更容易产生对流，从而加强混合效果。

锐角弯道8不仅使流体之间的对流加强，同时还从分利用了空间，节省了面积，使微通道整体更短，更具有微型化的特征。流体在进入下一个锐角弯道8(一个混合单元基于一个倾斜的第三细通道6形成两个锐角弯道)时，前后通道一样，为细通道，但速度增快，流体之间的对流程度更加剧烈。在通过第二个锐角弯道8后进入直角弯道之前就已经完成的了混合，如图2a所示，两种流体的混合流体最后从通道出口9自由流出。

关于锐角弯道8的锐角优选60度，角度太大混合效果减小、通道总体长度增大，角度过小时虽然流体方向改变的剧烈，但是通过弯道后形成的涡旋流面积也会相应的减小，最佳角度范围是45度到70度之间。

基于锐角弯道8，解决了现有的同种类型的微混合器总体长度和占用面积与混合效果之间不能平衡的问题。

另外，基于平行关系，两个锐角弯道8的角度相同，，两个角度相同可以使与第一个锐角弯道连接的左边的通道与第二个锐角弯道连接的右边的通道保持平行，尽可能多的利用有效面积，如果两个锐角角度不同，则两端的通道不能平行，角度过大会使微通道整体占用面积过大，角度过小则不能有效的利用面积，同时也都不利于流体通过弯道时产生的涡旋流效果)。

在优选的实施例中，第一通道的头端与第三通道的尾端平齐，结构紧凑，便于加工。

此外关于所述缓存槽3，优选为矩形槽。

矩形槽相对的一对边中一边设有与该边垂直的第一入口通道1，另一边设有与该另一边垂直的第二入口通道2，且在该对边平行的方向上，第一入口通道1位于矩形槽的一端，第二入口通道2位于矩形槽的另一端。

两个入口通道采用上述在矩形槽上的配置结构，当流体以一定相同的初速度进入槽内，两种流体接触时的速度方向接近平行，且进入的通道轴线具有一定的距离，产生相互的扭力(基于流体内摩擦力的扭力)，推动液体旋转，从而会形成涡旋流，使两种流体之间有初步的对流效果。

而缓存槽3的作用一是为两种流体产生对流提供场所，二是两种流体先在槽内缓存，当通过第一细通道4的出口时，会有较高的流速，使两种流体之间的碰撞、交叉加剧，使对流效果增强。

两入口通道离缓存槽出口的距离不同，具体是，所述缓存槽出口位于第一入口通道1所在的边上，图1的上边，且在第一入口通道1平行的方向上，第一入口通道1与缓存槽出口的第一距离大于第二入口通道2与缓存槽出口的第二距离，优选地，第一距离与第二距离的比例为14:5。

此外参见说明书附图3，为了获得涡流，第二距离不小于第二入口通道2宽度的1.5倍。

基于两个入口通道在缓存槽3的上述配置，使由第一入口通道1进入的流体在缓存槽3内尽可能大的形成一个漩涡流，如附图3中流体的流线图所示，与通过第二入口通道2进入通道内的流体尽可能大的产生对流，以增强缓存槽内两种流体初步接触时的混合效果。

在图1所示的结构中，所述连接单元包括两部分，其一构造在缓存槽出口处的部分，如图中所示的第一细通道4，另一部分为图中所示的粗通道5。

关于第一细通道4，其长度比较短，然后直接连接粗通道5，形成第一个90度弯道或者说弯头，在弯管效应基础上叠加压力的突然释放，提高混合效果。

关于粗通道5，则承接第一细通道5，其宽度大致是第一细通道5的1.5倍，换言之，粗通道5的截面积大约是第一细通道5截面积的两倍，一般控制在1.80～2.25之间。藉此结构，当流体通过缓存槽进入第一细通道5时由于截面突变，会形成一个很小的喷嘴的效果，流体的流速增加，而且在缓存槽出口处也会使两种流体压缩，流体之间产生对流，由于流速的增加在进入弯道时两种流体会一起与管壁碰撞，从而使流体之间的对流程度增大，流体之间发生碰撞、交叉、折叠，使混合效果增强。

流体通过第一个90度弯道后，会在通道内侧形成一个涡旋流，如附图3a所示，而使流体之间的对流程度增加。之后，两种流体经较粗的通道通过90度弯道进入较细的第二细通道7时，较粗通道还起到了一个缓存的效果，进入较细通道流体的流速增加，与通道的外侧碰撞加剧，也增强了流体之间的对流。

此外，缓存槽3在图1中横向为长，纵向为宽，其长度大于宽度，优选地，其长度为1250μm，宽度为900μm，包括缓存槽3在内，被动式微通道的深度统一为100μm。

在图1所示的结构中，所述混合单元有两个，且位于后级的混合单元还接续有出口通道；

出口通道包括与后级的混合单元的第一通道垂直并位于该第一通道中部的第一管道部分、承接第四通道末端并与第三通道平行的第二管道部分，以及连接第一管道部分与第二管道部分的第三管道部分。

Claims (10)

1.一种被动式微通道，其特征在于，包括：

缓存槽(3)，配有第一入口通道(1)和第二入口通道(2)，以及缓存槽出口；

连接单元，该连接单元的头端连接于缓存槽出口；

混合单元，至少有一个，为多个时，相邻混合单元依序承接，且第一个混合单元的头端连接所述连接单元的尾端；

其中所述混合单元包括：

第一通道；

第二通道，垂直连接于第一通道的尾端；

第三通道，连接于第二通道的末端，并向第一通道的头端和第三通道的头端倾斜；以及

第四通道，连接于第三通道的末端，并与第二通道平行。

2.根据权利要求1所述的被动式微通道，其特征在于，第二通道的宽度大于其余三个通道的宽度。

3.根据权利要求2所述的被动式微通道，其特征在于，其余三个通道宽度相等，且其余三个通道的宽度为第二通道宽度的0.45～0.55倍。

4.根据权利要求1-3任一所述的被动式微通道，其特征在于，第二通道与第三通道的夹角为45～75度。

5.根据权利要求1-3任一所述的被动式微通道，其特征在于，第一通道的头端与第三通道的尾端平齐。

6.根据权利要求1所述的被动式微通道，其特征在于，所述缓存槽(3)为矩形槽；

矩形槽相对的一对边中一边设有与该边垂直的第一入口通道(1)，另一边设有与该另一边垂直的第二入口通道(2)，且在该对边平行的方向上，第一入口通道(1)位于矩形槽的一端，第二入口通道(2)位于矩形槽的另一端。

7.根据权利要求6所述的被动式微通道，其特征在于，所述缓存槽出口位于第一入口通道(1)所在的边上，且在第一入口通道(1)平行的方向上，第一入口通道(1)与缓存槽出口的第一距离大于第二入口通道(2)与缓存槽出口的第二距离；

其中，第二距离不小于第二入口通道(2)宽度的1.5倍。

8.根据权利要求1、6或7所述的被动式微通道，其特征在于，所述连接单元包括：

第一细通道(4)，构造在缓存槽出口处；

粗通道(5)，承接第一细通道(5)，宽度大于第一细通道(4)并与第一细通道(4)垂直。

9.根据权利要求1所述的被动式微通道，其特征在于，该被动式微通道各处深度相同。

10.根据权利要求1所述的被动式微通道，其特征在于，所述混合单元有两个，且位于后级的混合单元还接续有出口通道；

出口通道包括与后级的混合单元的第一通道垂直并位于该第一通道中部的第一管道部分、承接第四通道末端并与第三通道平行的第二管道部分，以及连接第一管道部分与第二管道部分的第三管道部分。