CN107583551A - 一种阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器，属于微全分析系统和微流控芯片中微流体混合及其相关领域。该微混合器包括一个十字形通道、一个收缩通道和多个混合单元，一个混合单元由一个窄缝直通道、一个阶梯形通道和布置在阶梯形通道内的工字形挡板依次连接组成；多个混合单元依次连接于收缩通道和直通道出口之间经过工字形挡板后又被逐渐压缩，促进混合。而且射流冲击工字形挡板，与来流形成对流，流体之间发生碰撞，促进分子扩散，当流体经过工字形挡板时，会在工字形挡板的背面易形成分离涡，显著改善不同液体间的混合效果。
Description
技术领域
本发明属于生物芯片和微全分析系统中液体微混合的技术领域，技术涉及流体缩放、分离重组和附壁效应的平面被动式微混合器，特别提供一种阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器。
背景技术
微流控是在尺寸为几至几百微米的通道内操作微纳体积样品的系统科学和技术，通常在一片几平方厘米的芯片上构建生化分析或检测系统，因此也称为芯片实验室。微流控集成了生物与化学领域中常涉及的样品制备、混合、分离、反应、检测等功能单元，以可控流体贯穿微流道形成的整个系统，最终实现常规生化实验室同类功能。微流控芯片技术以其所需样品体积小、效率高、成本低、易于集成等优势，在生物和化学领域有着广泛的应用前景。微流控芯片技术涉及的微型反应系统主要包括微混合器、微流道、微型热交换器等。微混合器作为微流控系统的重要组成部分，凭借其高效快速的混合性能，广泛地用于生物分析、化学合成和临床测试等领域。由于微流控芯片通道结构在微米量级，通道中的流体通常处于层流状态，因此实现微尺度下流体的快速混合变得至关重要。在不同雷诺数条件下，通道中的流体通过分子扩散和对流混合的途径实现混合。尽管前者的混合效率极高，但过小的流速导致其需要较长的混合时间，所以在微尺度下实现流体的快速且高效混合仍具有一定的挑战。
微混合器根据有无外界能量驱动可分为两类：一类是主动式微混合器，另一类是被动式微混合器。主动式微混合器的机理是通过外场的作用产生液体间的相对运动来达到混合的效果。被动式微混合器则借助改变或布置不同形状和结构的微通道来控制混合过程。相比主动式微混合器而言，被动式微混合器易于加工，使用更加方便。而在加强被动式微混合器中流体扩散和混合效率的方法上，优化通道结构和强化混沌对流是目前所公认的最优方式。
当前，微流体混合器中微通道的尺寸在几十到几百微米的范围内，微尺度流动的典型特征是流动雷诺数非常低，大都处于层流区，分层不掺混的流动造成了混合较为困难。因此通过优化微通道结构来增加液体间的接触面积或加强对流，对于提高微混合器的混合性能具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构相对简单，能提高混合效率，缩短混合时间的阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器。
本发明采用的技术方案为一种阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器，包括一个十字形进口通道、一个收缩通道和若干个混合单元；每个混合单元由依次连接的窄缝直通道、阶梯形通道和工字形挡板组成，工字形挡板布置在阶梯形通道内；各个混合单元依次串接组成混合单元组，混合单元组设置在收缩通道和直通道出口之间，混合单元组端部混合单元的阶梯形通道的出口宽度与直通道出口的宽度相同，除混合单元组端部混合单元外的阶梯形通道的出口宽度均与窄缝直通道出口宽度相同；十字形进口通道的出口与收缩通道的入口连接，收缩通道的出口与混合单元组另一端混合单元的狭窄直通道的入口连接；第一副通道入口和第二副通道入口设置在主通道入口的两侧。
第一副通道入口和第二副通道入口与主通道入口垂直连接。
第一副通道入口的通道宽度和第二副通道入口的通道宽度相等，且二者之和恒等于主通道入口所连通的通道宽度，十字形通道出口布置在主通道入口对应的主通道上，且十字形通道出口宽度与收缩通道入口宽度相同。
布置在阶梯形通道内的工字形挡板的中心线与阶梯形通道的中心线一致，工字形挡板的外边缘与阶梯形通道的内壁之间具有间隙；阶梯形通道的阶梯个数取决于流道内的流体阻力，阶梯个数越多，流体的流动阻力越大。
十字形进口通道上连接的主通道入口、收缩通道、窄缝直通道和阶梯形通道的轴向中心轴一致，每个混合单元都关于中心轴对称，多个混合单元沿微混合器中心轴的轴向等间距布置，混合单元的个数不少于两个。
两种不同组分的流体分别从主通道入口、第一副通道入口和第二副通道入口等速流入微混合器，第一副通道入口和第二副通道入口注入同组分的流体，以保证不同组分流体等量注入微混合器的通道，流体经过收缩通道和各个混合单元完成混合后，从通道出口流出。
本发明采用上述技术方案后具有下列优点：
1.本发明能使流体在通过狭窄直通道后形成射流，使流体速度增加。流体在阶梯形通道里先被逐渐扩放，经过工字形挡板后又被逐渐压缩，有助于增加不同流体间的接触面积，并且流体易在阶梯直角处形成涡，进而促进混合。
2.射流冲击本发明中的工字形挡板时，易形成回流，并与来流形成对流，流体之间发生碰撞，分子扩散强度增强。当流体经过工字形挡板时，会在工字形挡板的背面形成分离涡，使混合效果显著提高。
3.本发明借助微混合器几何形状变化实现不同方位涡系的叠加和强化，从而增加了不同流体间的接触面积，混合效果明显提高。
4.本发明能有效提高不同组分流体之间的混合效率，实现微尺度下流体的高效混合，可以在长度较短的通道条件下实现较好的混合效果。
附图说明
图1为发明中提到的一种阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器平面结构示意图；
图2为该平面被动式微混合器三维结构示意图；
图3为本发明中一个混合单元中流体流动示意图。
图中：1、第一副通道入口，2、主通道入口，3.第二副通道入口，4、收缩通道，5、窄缝直通道，6、阶梯形通道，7、工字形挡板，8、直通道出口，9、十字形进口通道。
具体实施方式
一种阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器由聚二甲基硅氧烷有机硅加工而成，先通过注塑法在单晶硅片上实现通道结构图形转移和聚二甲基硅氧烷的固化，然后将固化好的聚二甲基硅氧烷从硅片上分开。根据相对通道出入口位置在固化好的聚二甲基硅氧烷上打孔，并与固化好的聚二甲基硅氧烷底板通过电晕机进行不可逆键合，使该微混合器通道完全封闭。最后在固化好的聚二甲基硅氧烷上预留的三个孔位置处安装接口，连接塑料导管后完成实验件封装准备。
如图1所示的一种阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器由一个十字形通道、一个收缩通道、多个窄缝直通道、多个阶梯形通道组成。其中，三个通道入口分别布置在十字形通道上，十字形通道出口连接收缩通道入口，收缩通道出口连接第一个窄缝直通道入口，第一个窄缝直通道出口连接第一个阶梯形通道入口，第一个阶梯形通道出口连接第二个窄缝直通道入口，第二个窄缝直通道出口又连接第二个阶梯形通道入口，第二个阶梯形通道出口连接第三个窄缝直通道入口，以此类推的串接，直至最后一个阶梯形通道的入口侧的半部分连接于直通道出口。
十字形通道与相连的收缩通道相对的一端臂开有主通道入口，与上述端臂相垂直的端臂上分别开有第一副通道入口和第二副通道入口。第一副通道入口和第二副通道入口宽度为第二主通道入口宽度的一半。
在每个阶梯形通道内部均布置一个工字形挡板，工字形挡板的中心线与阶梯形通道的中心线一致且都关于中心线对称，工字形挡板的外边缘与阶梯形通道的内壁之间具有间隙，可供流体在两者之间流过。
由依次连接的一个窄缝直通道、阶梯形通道和布置在阶梯形通道内的工字形挡板组成一个混合单元，多个混合单元依次串接于收缩通道和直通道出口之间，其中最后一个混合单元的阶梯形通道出口宽度与直通道出口的宽度相同，其余混合单元的阶梯形通道的宽度均与窄缝直通道出口宽度相同。
十字形通道的主通道、收缩通道、窄缝直通道和阶梯形通道的轴向中心轴一致，多个混合单元沿中心轴的轴向位置等间距布置，所有通道的横截面都为矩形，每个混合单元都关于中心轴对称且混合单元的个数不少于两个。
微混合器主通道入口宽度为200μm，第一副通道入口和第二副通道入口为主通道入口宽度的一半。副通道与收缩通道之间的轴向距离为150μm；窄缝直通道的长度大于40μm，且小于100μm，宽度为50μm；阶梯形通道的轴向长度为360μm，径向宽度为350μm。阶梯个数随工况情况而定。工字形挡板布置在阶梯形通道的中心位置，工字形档板的厚度为100μm，轴向宽度为70μm，径向长度为200μm。第三个混合单元的通道末端到通道出口的直通道长度大于1000μm,且小于1500μm。微混合器各通道的深度为100μm。
本发明在工作时，如图1所示，两种不同组分的流体分别从三个通道入口等速流入微混合器，第一通道入口和第二通道入口注入同组分的流体，以保证不同组分流体等量注入通道。首先，三股流体在十字形通道内混合，此时依赖分子扩散进行混合，扩散的程度较低，不同组分流体间有明显的分界面；经过十字形通道后，三股流体一同经过收缩通道，促使不同组分流体间的接触面积扩大；流入窄缝直通道后形成射流，三股流体被挤压和加速，形成射流现象，流体不但在阶梯形通道里先被逐渐扩放，经过工字形挡板后又被逐渐压缩，流体间的接触面积增加，在阶梯形通道的直角处还容易生成涡，促进混合，而且射流冲击工字形挡板，与来流形成对流，增加流体间的扰动；流体经过工字形挡板，流体形成两股，并在工字形挡板的背面形成分离涡。经过数个混合单元，重复上述收缩、成涡、分散过程，使不同组分间流体的接触面积越来越大，混合强度明显得到提高，最后混合流体从通道出口流出，满足绝大多数生化反应的使用要求。
Claims (5)
1.一种阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器，其特征在于：包括一个十字形进口通道、一个收缩通道和若干个混合单元；每个混合单元由依次连接的窄缝直通道、阶梯形通道和工字形挡板组成，工字形挡板布置在阶梯形通道内；各个混合单元依次串接组成混合单元组，混合单元组设置在收缩通道和直通道出口之间，混合单元组端部混合单元的阶梯形通道的出口宽度与直通道出口的宽度相同，除混合单元组端部混合单元外的阶梯形通道的出口宽度均与窄缝直通道出口宽度相同；十字形进口通道的出口与收缩通道的入口连接，收缩通道的出口与混合单元组另一端混合单元的狭窄直通道的入口连接；第一副通道入口和第二副通道入口设置在主通道入口的两侧；
第一副通道入口和第二副通道入口与主通道入口垂直连接。
2.根据权利要求1所述的一种阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器，其特征在于：第一副通道入口的通道宽度和第二副通道入口的通道宽度相等，且二者之和恒等于主通道入口所连通的通道宽度，十字形通道出口布置在主通道入口对应的主通道上，且十字形通道出口宽度与收缩通道入口宽度相同。
3.根据权利要求1所述的一种阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器，其特征在于：布置在阶梯形通道内的工字形挡板的中心线与阶梯形通道的中心线一致，工字形挡板的外边缘与阶梯形通道的内壁之间具有间隙；阶梯形通道的阶梯个数取决于流道内的流体阻力，阶梯个数越多，流体的流动阻力越大。
4.根据权利要求1所述的一种阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器，其特征在于：十字形进口通道上连接的主通道入口、收缩通道、窄缝直通道和阶梯形通道的轴向中心轴一致，每个混合单元都关于中心轴对称，多个混合单元沿微混合器中心轴的轴向等间距布置，混合单元的个数不少于两个。
5.根据权利要求1所述的一种阶梯形通道加工字形挡板的平面被动式微混合器，其特征在于：两种不同组分的流体分别从主通道入口、第一副通道入口和第二副通道入口等速流入微混合器，第一副通道入口和第二副通道入口注入同组分的流体，以保证不同组分流体等量注入微混合器的通道，流体经过收缩通道和各个混合单元完成混合后，从通道出口流出。
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