CN108201848A - 一种3d不对称分合结构被动式微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D不对称分合结构被动式微混合器，上基体与下基体密合，基体上蚀刻有流道，流道包含入口流道、环形混合单元、出口流道、直流道，每个环形混合单元由一个大圆环流道，一个小圆环流道，一个直流道组成；多个环形混合单元串联于直流道、出口流道之间；直流道与出口流道轴线共线；环形混合单元沿轴线轴向等距布置；流体从流道入口进入流道，在进入环形混合单元时会因界面突变使混合流发生分离，一部分流体转入环形流道保持层流扩散状态，一部分则向垂直方向流动，转入环形流道时会因宽度突然变窄而发生流线扰动产生二次流并成涡，在流体分离、会合时，由于流体间的对流，两流体间发生碰撞，挤压，使得两流体间进行充分的接触。

Description

一种3D不对称分合结构被动式微混合器

技术领域

本发明涉及微型混合芯片和生物芯片中微流体混合技术领域，具体说是一种3D不对称分合结构被动式微混合器。

背景技术

微混合器作为微流控系统的重要组成部分，借助其快速高效的混合性能，广泛应用于药物制备、化学检测、化妆品合成等领域，由于其特殊的尺寸特征，在测试或实验时既可以节省试剂，又减少了危险性（如强放热或有毒试剂反应）。微流体微混合器中的微流道尺寸在几十到几百微米范围之间，微流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，流体间很难充分混合，因此实现微尺度下流体高效快速混合非常重要。

按照混合过程原理，微混合器一般分为弱化层流型和强化层流型两种。弱化层流型中根据混合产生的原因上又可分为被动混合器与主动混合器两种。主动混合器依靠外加扰动源实现混合，而被动式则依赖迫使流体流动的压力源，被动式微混合器内部结构改变会导致流体流动迹线发生变化，流体流线的改变增加了流体分子间的接触面积，使得分子扩散加速，从而达到提高混合效果的目的。相比于主动式微混合器，被动式结构相对来说更简单，制造工艺简化，集成性较高，使用更为方便。

在微观状态下，各混合物质之间主要由扩散来完成，所需时间一般较长，不利于提高混合的效率。为了提高被动式微混合器的混合效率，通常使用环流、分层、剪切、分割重组等方式增加流体间的有效接触面积，环流和分割重组作为提升混合效果的有效方法，主要是通过改变流道所在的平面位置，使流体进行分割、汇合，使得各流层相互间交融，从而增加流体间的接触面积，缩短所需混合扩散距离。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D不对称分合结构被动式微混合器，其结构简单、易于加工，可实现微流控系统中不同流体间快速高效混合。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种3D不对称分合结构被动式微混合器，包括呈上下设置的上基板与下基板，所述下基板与上基板上均设有入口流道与出口流道，所述上基板与下基板上设有与入口流道、出口流道连通的环形混合单元，所述混合单元包括第一弧形流道、第二弧形流道、第三弧形流道、第四弧形流道、第一直流道以及第二直流道，所述第一弧形流道、第二弧形流道以及第一直流道设置在下基板上，所述第一弧形流道与第二弧形流道通过第一直流道相互连通，所述第三弧形流道、第四弧形流道以及第二直流道设置在上基板上，所述第三弧形流道与第四弧形流道通过第二直流道相互连通，所述第一弧形流道与第三弧形流道相对应设置，所述第二弧形流道与第四弧形流道相对应设置，所述第一直流道与第二直流道相对应设置，所述入口流道与第一弧形流道、第三弧形流道均相连通，所述出口流道与第二弧形流道、第四弧形流道相连通。

作为优选，所述第一弧形流道的宽度小于第二弧形流道的宽度，所述第三弧形流道的宽度大于第四弧形流道的宽度，所述第一弧形流道的大小与第四弧形流道的流道的大小相等，所述第二弧形流道的大小与第三弧形流道的流道的大小相等。

作为优选，所述第一弧形流道与第四弧形流道的圆心在第一直流道、第二直流道的轴线上，所述第一直流道、第二直流道与出口流道轴线共线，且与入口流道的轴线垂直。

作为优选，所述入口流道、第一直流道、第二直流道以及出口流道宽度均为D，D的取值范围为100µm≤D≤500µm。

作为优选，所述第一弧形流道的圆心与第二弧形流道圆心垂直于第一直流道轴线上共线，且两圆心之间的距离为L3，所述第三弧形流道的圆心与第四弧形流道圆心垂直于第一直流道轴线上共线，且两圆心之间的距离为L4，其中L3=L4= D/2。

作为优选，所述第三弧形流道的边界距入口流道边界距离为L2，入口流道长度为L1，第一直流道与第二直流道的长度为L5，出口流道长度为L6，其中1000µm≤L1=L6≤2000µm，L2=L5=1.5D。

作为优选，所述第二弧形流道与第三弧形流道的半径长度为R1，其中R1=2D，所述第一弧形流道与第四弧形流道的半径长度为R2，其中R2为1.5D。

作为优选，所述环形混合单元沿第一直流道、第二直流道的轴线轴向布置，其中环形混合单元的数目至少有3个。

本发明的有益效果是：当流体通过入口流道经过直流道进入混合单元时，会因流道截面突变使得混合流发生分离，一部分保持层流状态继续在上基体中保持层流扩散通过第三环形流道与第四环形流道，另一部分则产生一个竖直方向流动，转而流入下基体的第一环形流道与第二环形流道中进行加速流动，形成一个新的支流，在这一转换流动方向过程中，在第一直流道与第二直流道中会因流线的转变产生二次流与涡流，使流体流动状态发生扰动，进而增大流体间的接触面积，增加混合效果与混合效率，在流体分离再聚合时，由于流体间的对流，会使得两流体间发生碰撞，挤压，使得两支流体间进行充分的接触，增加接触面积，增进混合效果，并最终在下一个直流道中形成一个新的水平界面，然后再次进入下一个混合单元，进行流体分离、聚合，如此不断循环，利用截面的突变提高混合效率。

一方面由于侧壁竖直截面的的存在，有利于流道侧壁处的部分流体充分混合，另一方面借助微流道几何形状的变化和流体的流动特性来增加扰动，使流体在分离、聚合的过程中借助二次流、成涡、对流等来增加流体间的混沌对流，可进一步提高了平面式被动微混合器的混合效果，可以实现微尺度的快速混合。

附图说明

图1是本发明一种3D不对称分合结构被动式微混合器结构示意图；

图2为3D流道图；

图3为图2的A部示意图；

图4为上基体的结构示意图。

图中：1、上基板；2、下基板；3、入口流道；4、出口流道；5、第一弧形流道；6、第二弧形流道；7、第三弧形流道；8、第四弧形流道；9、第一直流道；10、第二直流道。

具体实施方式

参照图1至图4所示，本案例实施的一种3D不对称分合结构被动式微混合器，包括呈上下设置的上基板1与下基板2，所述下基板2与上基板1上均设有入口流道3与出口流道4，所述上基板1与下基板2上设有与入口流道3、出口流道4连通的环形混合单元，所述混合单元包括第一弧形流道5、第二弧形流道6、第三弧形流道7、第四弧形流道8、第一直流道9以及第二直流道10，所述第一弧形流道5、第二弧形流道6以及第一直流道9设置在下基板2上，所述第一弧形流道5与第二弧形流道6通过第一直流道9相互连通，所述第三弧形流道7、第四弧形流道8以及第二直流道10设置在上基板1上，所述第三弧形流道7与第四弧形流道8通过第二直流道10相互连通，所述第一弧形流道5与第三弧形流道7相对应设置，所述第二弧形流道6与第四弧形流道8相对应设置，所述第一直流道9与第二直流道10相对应设置，所述入口流道3与第一弧形流道5、第三弧形流道7均相连通，所述出口流道4与第二弧形流道6、第四弧形流道8相连通。

所述第一弧形流道5的宽度小于第二弧形流道6的宽度，所述第三弧形流道7的宽度大于第四弧形流道8的宽度，所述第一弧形流道5的大小与第四弧形流道8的流道的大小相等，所述第二弧形流道6的大小与第三弧形流道7的流道的大小相等，所述第一弧形流道5与第四弧形流道8的圆心在第一直流道9、第二直流道10的轴线上，所述第一直流道9、第二直流道10与出口流道4轴线共线，且与入口流道3的轴线垂直。

所述入口流道3、第一直流道9、第二直流道10以及出口流道4宽度均为D，D的取值范围为100µm≤D≤500µm，所述第一弧形流道5的圆心与第二弧形流道6圆心垂直于第一直流道9轴线上共线，且两圆心之间的距离为L3，所述第三弧形流道7的圆心与第四弧形流道8圆心垂直于第一直流道9轴线上共线，且两圆心之间的距离为L4，其中L3=L4= D/2，所述第三弧形流道7的边界距入口流道3边界距离为L2，入口流道3长度为L1，第一直流道9与第二直流道10的长度为L5，出口流道4长度为L6，其中1000µm≤L1=L6≤2000µm，L2=L5=1.5D，所述第二弧形流道6与第三弧形流道7的半径长度为R1，其中R1=2D，所述第一弧形流道5与第四弧形流道8的半径长度为R2，其中R2为1.5D。

所述环形混合单元沿第一直流道9、第二直流道10的轴线轴向布置，其中环形混合单元的数目至少有3个。

当流体通过入口流道3经过直流道进入混合单元时，会因流道截面突变使得混合流发生分离，一部分保持层流状态继续在上基体中保持层流扩散通过第三环形流道与第四环形流道，另一部分则产生一个竖直方向流动，转而流入下基体的第一环形流道与第二环形流道中进行加速流动，形成一个新的支流，在这一转换流动方向过程中，在第一直流道9与第二直流道10中会因流线的转变产生二次流与涡流，使流体流动状态发生扰动，进而增大流体间的接触面积，增加混合效果与混合效率，在流体分离再聚合时，由于流体间的对流，会使得两流体间发生碰撞，挤压，使得两支流体间进行充分的接触，增加接触面积，增进混合效果，并最终在下一个直流道中形成一个新的水平界面，然后再次进入下一个混合单元，进行流体分离、聚合，如此不断循环，利用截面的突变提高混合效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种3D不对称分合结构被动式微混合器，其特征在于：包括呈上下设置的上基板与下基板，所述下基板与上基板上均设有入口流道与出口流道，所述上基板与下基板上设有与入口流道、出口流道连通的环形混合单元，所述混合单元包括第一弧形流道、第二弧形流道、第三弧形流道、第四弧形流道、第一直流道以及第二直流道，所述第一弧形流道、第二弧形流道以及第一直流道设置在下基板上，所述第一弧形流道与第二弧形流道通过第一直流道相互连通，所述第三弧形流道、第四弧形流道以及第二直流道设置在上基板上，所述第三弧形流道与第四弧形流道通过第二直流道相互连通，所述第一弧形流道与第三弧形流道相对应设置，所述第二弧形流道与第四弧形流道相对应设置，所述第一直流道与第二直流道相对应设置，所述入口流道与第一弧形流道、第三弧形流道均相连通，所述出口流道与第二弧形流道、第四弧形流道相连通。

2.根据权利要求1所述的一种3D不对称分合结构被动式微混合器，其特征在于：所述第一弧形流道的宽度小于第二弧形流道的宽度，所述第三弧形流道的宽度大于第四弧形流道的宽度，所述第一弧形流道的大小与第四弧形流道的流道的大小相等，所述第二弧形流道的大小与第三弧形流道的流道的大小相等。

3.根据权利要求1或2所述的一种3D不对称分合结构被动式微混合器，其特征在于：所述第一弧形流道与第四弧形流道的圆心在第一直流道、第二直流道的轴线上，所述第一直流道、第二直流道与出口流道轴线共线，且与入口流道的轴线垂直。

4.根据权利要求3所述的一种3D不对称分合结构被动式微混合器，其特征在于：所述入口流道、第一直流道、第二直流道以及出口流道宽度均为D，D的取值范围为100µm≤D≤500µm。

5.根据权利要求4所述的一种3D不对称分合结构被动式微混合器，其特征在于：所述第一弧形流道的圆心与第二弧形流道圆心垂直于第一直流道轴线上共线，且两圆心之间的距离为L3，所述第三弧形流道的圆心与第四弧形流道圆心垂直于第一直流道轴线上共线，且两圆心之间的距离为L4，其中L3=L4= D/2。

6.根据权利要求5所述的一种3D不对称分合结构被动式微混合器，其特征在于：所述第三弧形流道的边界距入口流道边界距离为L2，入口流道长度为L1，第一直流道与第二直流道的长度为L5，出口流道长度为L6，其中1000µm≤L1=L6≤2000µm，L2=L5=1.5D。

7.根据权利要求6所述的一种3D不对称分合结构被动式微混合器，其特征在于：所述第二弧形流道与第三弧形流道的半径长度为R1，其中R1=2D，所述第一弧形流道与第四弧形流道的半径长度为R2，其中R2为1.5D。

8.根据权利要求1或2或4或5或6或7所述的一种3D不对称分合结构被动式微混合器，其特征在于：所述环形混合单元沿第一直流道、第二直流道的轴线轴向布置，其中环形混合单元的数目至少有3个。