CN106943938A

CN106943938A - 一种仿叶脉通道结构被动式微混合器

Info

Publication number: CN106943938A
Application number: CN201710229036.0A
Authority: CN
Inventors: 陈金燕; 薛浩; 胡松; 章天雨; 王成军; 郑艳
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2017-07-14

Abstract

本发明提供一种仿叶脉通道结构被动式微混合器，包括上下键合在一起的盖板和基体,盖板上刻蚀有入口圆通道、和出口圆通道，基体上刻蚀有微混合器微通道结构，其特征是：微通道从入口圆管开始依次设有入口通道、直通道、仿叶脉通道和出口通道；仿叶脉微通道主要包括阻挡块微结构和仿叶脉通道；仿叶脉微通道的阻挡块微结构成列状分布，并在微通道结构中分布有若干列；微通道结构左入口通道、直通道、仿叶脉通道、出口通道均关于仿叶脉通道中心轴对称；在仿叶脉通道结构中通过网络状支脉结构对流体进行多次分流、聚合，利用分流增加流体间的接触面积，借助聚合产生的对流作用强化混合。

Description

一种仿叶脉通道结构被动式微混合器

技术领域

本发明涉及微型流控芯片和生物芯片中微流体混合技术领域，尤其是一种被动式微混合器。

背景技术

微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能集成到一个几平方厘米芯片上的能力。微流控芯片将传统生化监测过程的分离、富集、加样、混合、检测等功能进行集成，广泛应用于微量分析化学、生物医药、环境监测等领域。微混合器作为微流控芯片的重要组成部分，凭借其高效快速的混合性能，可以显著缩短试剂预处理时间，提高微流控芯片的分析速度和检测效率。微流体微混合器中的微通道尺寸在几十到几百微米范围之间，微通道中的流体通常处于层流状态，其混合主要是通过分子扩散来实现，对于两股或多股流体混合时，流体间借助分子扩散很难完成充分混合，因此实现微尺度下实现流体的高效快速混合非常有必要。

根据是否有外加能量场，微混合器大致可分为：主动式微混合器和被动式微混合器两大类。主动式微混合器主要依靠外加扰动源促进混合，而被动式微混合器的混合则主要依靠通道结构对流层的扰动来实现。虽然主动式微混合器的混合较为高效，但其除驱动装置还需要外加扰动源，并且结构复杂、不易加工和维护，不利于微流控芯片的集成；被动式微混合器则除驱动装置外不需其它外接设备，且结构相对简单、制造工艺简化，易于微流控芯片集成，因此在微流控芯片上的应用较为广泛。

为了提高被动式微混合器的混合效率，通常使用对流体进行多次分流再聚合的方式来增加流体间的有效接触面积，通过增进流体间的有效接触面积来提高流体的扩散效率，提高混合强度。目前常用的方式有枝状分流和迭加式分流等。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿叶脉通道结构被动式微混合器，其结构简单、易于加工，可通过多次分流聚合实现微流控系统中不同微流体混合。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种仿叶脉通道结构被动式微混合器，由盖板和基体组成，在盖板上蚀刻有入口圆通道和出口圆通道，在基体上刻蚀有入口通道、直通道、仿叶脉通道、出口通道；所述入口圆通道至少两个，且入口圆通道与入口通道相通，在仿叶脉通道的左、右两边分布有阻挡块微结构，通过阻挡块微结构的阻隔作用使微通道形成相互连通的叶脉网络结构，最终连接于出口通道，出口通道与出口圆通道相通。

进一步，叶脉通道左、右两边阻挡块微结构的尺寸大小、数量均相同，且各微结构成列状分布，并在整个微通道结构中分布有若干列；左、右两入口通道、直通道、左、右阻挡块微结构、仿叶脉通道、出口通道均关于同一中心轴对称分布。

本发明的技术构思为：低雷诺数下，流体在微通道内的流动为层流状态，混合主要依靠分子扩散来实现，效率较低，为增加混合强度通常采用引入扰动的方式强化混合。强化混合的方法主要是通过破坏层流流动来增强各层流间的掺混。因此，对于被动式微混合器可利用微通道的几何结构对流体的扰动增加待混合流体间的接触面积、碰撞、对流、拉伸折叠等，以此增进流体分子间接触面积，加快流体分子的扩散，强化流体间混合。本发明采用可以产生多次分流、聚合的微通道结构，通过增加待混合流体间的接触面积提高混合强度。

由于上述技术方案的运用，本发明具有下述优点：

在本发明中，当流体由入口通道进入混合通道时，在直通道内产生少部分的扩散混合，待流体进入仿叶脉通道后，一部分待混合流体会发生分流，进入仿叶脉通道结构被动式微混合器的左、右两部分，并借助微阻挡块的影响进一步分流、聚合，另一部分则沿着微通道的主干道继续向前流动，由于受主干道锥度的影响，流体在流动时受压力的影响会逐渐向左、右两侧的枝状通道进行扩散，由此增大流体间的接触面积。

在本发明中，借助微通道几何形状对流层的扰动强化混合。由于待混合流体在每次分离、聚合时均会发生不同程度的对流混合，因此，可借助多次对流混合达到在不引入复杂通道结构的基础上提高微混合器的混合强度。

附图说明

图1为本发明主体结构剖视图；

图2为基体通道平面结构剖视图；

图3为微通道尺寸示意图；

图4为微通道三维结构示意图；

图5雷诺数与混合强度关系曲线示意图。

图中:1.盖板；2.基体；3.左入口圆通道；4.右入口圆通道；5.左入口通道；6.右入口通道；7.直通道；8.仿叶脉通道；9.左边阻挡块微结构；10.右边阻挡块微结构；11.主叶脉通道；12.左叶脉通道；13.右叶脉通道；14.出口通道；15.出口圆通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1和图2所示，本发明主要结构包括上、下两部分，上部为微混合器的盖板1，下部为微混合器的基体2，盖板1与基体2键合在一起；盖板1上刻蚀有左入口圆通道3、右入口圆通道4和出口圆通道15，基体2上刻蚀有完整的微混合器微通道结构。微混合器的微通道主要由左入口通道5、右入口通道6、直通道7、仿叶脉通道8、出口通道14组成，其中仿叶脉微通道8主要包括左边阻挡块微结构9、右边阻挡块微结构10、主叶脉通道11、左叶脉通道12、右叶脉通道13；在叶脉通道左、右两边的左阻挡块微结构9和右阻挡块微结构10成列状分布，并在整个微通道结构中分布有若干列；主叶脉通道11、左叶脉通道12、右叶脉通道13分别由左边阻挡块微结构9和右边阻挡快微结构10阻隔得到。

在整个微通道结构中左入口圆通道3和右入口圆通道4、左入口通道5和右入口通道6、直通道7、仿叶脉通道8、出口通道14均关于仿叶脉通道8的中心轴对称，直通道7的轴线与仿叶脉通道8的轴线共线。

如图1、图2和图3所示，左入口圆通道3、右入口圆通道4贯穿盖板1和基体2，两入口圆通道的直径相等，其值为D₁(100μm≤D₁≤500μm)；左入口通道5和右入口通道6的长度、宽度均相等，且长度为L₁(800μm≤L₁≤1000μm)，宽度与入口圆通道直径相等为D₁；左入口通道5和右入口通道6之间存在夹角α(20°≤α≤90°)；直通道7连接于入口通道与仿叶脉通道之间，其宽度与左入口圆通道3和右入口圆通道4直径相等为D₁，长度为L₂(500μm≤L₁≤1000μm)；左阻挡块微结构9和右阻挡块微结构10中各阻块的相对面相互平行，两相邻阻挡块横向距离为S₁，纵向距离为S₂，且S₂≤S₁(100μm≤S₂≤200μm)；左阻挡块微结构9、右阻挡块微结构10与通道边界壁面存在夹角β(1°≤β≤3°)；主叶脉通道8的宽度由宽到窄渐缩，且相互之间成一定角度θ(1°≤θ≤3°)；出口通道14的长为L₃(1000μm≤L₂≤2000μm)，宽为D₂，且D₂＝D₁；出口圆通的15直径与出口通道14的宽度相等，为D₂。

本实施例中一种仿叶脉通道结构被动式微混合器工作时，两种不同的流体通过左入口圆通道3和右入口圆通道4分别进入左入口通道5和右入口通道6，两入口通道连通直通道7，当两入口通道内的流体进入直通道7内时会完成少部分扩散混合，在流体进入仿叶脉通道8时，一部分待混合流体会发生分流，分别进入左叶脉通道12和右叶脉通道13，另一部分则继续沿着微通道的主叶脉通道8继续向前流动，由于会受到主叶脉通道锥度θ的影响，导致主叶脉通道内的压强逐渐增加，使得主叶脉通道8内混合液体绝大部分都进入左、右两侧的叶脉通道中参与进一步的混合；进入左叶脉通道12和右叶脉通道13中的混合液体会分别受到左阻挡块微结构9、右阻挡块微结构10的分流作用，产生更多的支流，流体间具有更多的接触面积；在各支流聚合时，相互聚合的支流间会产生对流作用，这种对流作用会加快混合的进行；两侧叶脉通道内的混合液体分别汇聚于最外侧边界通道内，与主叶脉通道8内剩余的液体形成三股射流进入到出口通道14前的空腔内，借助射流成涡效应再次加剧混合的进行，最终完成混合的液体进入出口通道14，从出口圆通道流出，完成整个混合过程。

实例1：利用COMSOL软件针对两种不同组分的液体A、B的混合进行仿真，采用可溶性色素与去离子水混合溶液(DI water，密度ρ＝998kg·m^-3，动力粘度系数μ＝1.002×10^- ³N·s/m^-2，扩散系数D＝3.23×10^-10m²·s^-1，运动粘度系数ν＝1.003×10^-6m²·s^-1)作为流体A，去离子水作为流体B，混合器的模型为三维，如图4所示。模拟设定流体为稳态、定常流动，无滑移边界条件，待混合液体在求解中处于层流状态，忽略重力影响，流体为不可压缩牛顿流体，通过观察速度的方向确定两股流体的流向，通过监测混合后出口平面上的平均质量分数变化判断混合状况。

对给定一组尺寸的微混合器结构进行数值仿真，得到混合强度与雷诺数的大小关系曲线，如图5所示。

造成微流体在不同雷诺数下混合不均匀的主要原因是低流速，因此评价一个微混合器是否设计合理及是否具有使用价值时，可以通过两个标准：低流速下的混合效果以及大雷诺数范围的混合强度。通过COMSOL仿真低流速下仿叶脉通道结构被动式微混合器得混合强度证明其可行性。

混合强度是仿叶脉通道结构被动式微混合器性能的一个重要指标，通常用出口截面上组分浓度方差对混合进行数值化评定。多分支通道对微流体的分流，在很大程度上增加了流体间的接触面积，增大了流体分子的扩散速率，加快了混合的进行；分流、聚合时的对流作用，对混合的进行起到了积极的作用。仿叶脉通道结构被动式微混合器的结构尺寸及入口速度等条件对混合强度的大小均有不同程度的影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种仿叶脉通道结构被动式微混合器，包括上下键合在一起的盖板1和基体2，盖板1上刻蚀有左入口圆通道3、右入口圆通道4和出口圆通道15，基体2上刻蚀有完整的微混合器微通道结构，其特征是：微通道从入口圆管开始依次设有左入口通道5、右入口通道6、直通道7、仿叶脉通道8、出口通道14；仿叶脉微通道8主要包括左边阻挡块微结构9、右边阻挡块微结构10、主叶脉通道11、左叶脉通道12、右叶脉通道13；在叶脉通道左、右两边的左阻挡块微结构9和右阻挡块微结构10成列状分布，并在整个微通道结构中分布有若干列。

2.根据权利要求1所述一种仿叶脉通道结构被动式微混合器，整个微通道结构中左入口圆通道3和右入口圆通道4、左入口通道5和右入口通道6、直通道7、仿叶脉通道8、出口通道14均关于仿叶脉通道8的中心轴对称，直通道7的轴线与仿叶脉通道8的轴线共线。

3.根据权利要求1所述一种仿叶脉通道结构被动式微混合器，左入口圆通道3和右入口圆通道4的直径相等，其值为D1(100μm≤D1≤500μm)；左入口通道5和右入口通道6的长度、宽度均相等，且长度为L1(800μm≤L1≤1000μm)，宽度为D1；左入口通道5和右入口通道6之间存在夹角α(20°≤α≤90°)；直通道7宽度与入口圆通道直径相等为D1，长度为L2(500μm≤L1≤1000μm)；布置的左阻挡块微结构9和右阻挡块微结构10中，两相邻阻挡块横向距离为S1，纵向距离为S2，且S2≤S1(100μm≤S2≤200μm)；左阻挡块微结构9、右阻挡块微结构10与通道边界壁面存在夹角β(1°≤β≤3°)；主叶脉通道8有一锥度角度θ(1°≤θ≤3°)；出口通道14的长为L3(1000μm≤L2≤2000μm)，宽为D2，且D2＝D1；出口圆通的15直径与出口通道14的宽度相等，为D2。