CN117177531B - 一种基于微通道的电致动自适应流动控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于微通道的电致动自适应流动控制器，属于微流体流动控制及混合技术领域。解决了现有技术通过机械泵驱动流体流动或者混合，使得芯片实验室系统变得复杂，系统的集成度以及应用场景受到了限制的问题。本发明设置成可叠加式的层式流动控制器，根据流量输运和混合需求，选择叠加的层级，扩大控制范围，进而提高整个系统的集成度。本发明可以实现流体输运和混合的高精度控制，根据需求选择输运或混合通道，输运层根据所需流量需求选择可调电源的加压范围，混合层通过混合强度需求选择可调电源的加压范围。本发明基于电场驱动方式，提出了新的主动控制模式，实现微通道内的流动控制/混合及局部热输运。

Description

一种基于微通道的电致动自适应流动控制器

技术领域

本发明属于微流体流动控制及混合技术领域，特别是涉及一种基于微通道的电致动自适应流动控制器。

背景技术

随着芯片实验室概念的提出，微尺度下对于流体的控制比传统宏观尺寸下的控制更为困难。随着微纳技术的发展，微尺度下的流动控制变成了热点课题。微流体的控制，包括高精度运输、多种介质流体的混合以及局部热控，在生物，化学以及制药工程有着巨大的应用市场。目前主流的方式是通过机械泵驱动流体流动或者混合，这种方式使得芯片实验室系统变得复杂，系统的集成度以及应用场景受到了限制。

发明内容

本发明提供一种基于微通道的电致动自适应流动控制器，解决了上述背景技术中提到的现有技术通过机械泵驱动流体流动或者混合，使得芯片实验室系统变得复杂，系统的集成度以及应用场景受到了限制的问题。

本发明可以实现流体输运和混合的高精度控制，根据需求选择通道（输运/混合），输运层根据所需流量需求选择可调电源的加压范围，混合层通过混合强度需求选择可调电源的加压范围。一方面考虑微小流动的控制和混合问题，以电能直接驱动流体，使得实现电-动能的直接转换，功能上实现了系统简化以及通过电的直接致动；另一方面，根据电极布置以及电极对间距的不同设计，最大程度上简化实现输运和混合功能的过程，并且当存在外热源时，可以通过简单的组合集成于本装置，实现在流动控制和混合的情况下，同时解决热源的热输运问题，在节能的前提下最大程度地增强流动过程的局部热控。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于微通道的电致动自适应流动控制器，包括导流区、进液口板、出液口板和可调直流电源，所述导流区两端分别安装有进液口板和出液口板，所述导流区包括泵送区、混合区和若干分层隔板，所述泵送区和混合区通过分层隔板分割；

所述泵送区包括从上至下依次设置的泵送区上基板、泵送区导流模块和泵送区下基板，所述泵送区上基板和泵送区下基板内设置有正负微电极，所述混合区包括从上至下依次设置的混合区上基板、混合区导流板模块和混合区下基板，所述混合区上基板和混合区下基板内设置有正负微电极，所述泵送区导流模块和混合区导流板模块用于流体导流。

更进一步的，所述泵送区上基板和泵送区下基板结构相同，所述泵送区上基板包括泵送区微电负极、泵送区微电正极和基底层，所述泵送区微电负极和泵送区微电正极互为叉指电极安装在基底层上。

更进一步的，所述泵送区导流模块包括泵送区流道、若干泵送区导流板、泵送区外围导流板和泵送区弧形导流区；若干泵送区导流板垂直于泵送区上基板和泵送区下基板，平行等距布置，相邻两个泵送区导流板间为泵送区流道，所述泵送区外围导流板，高度为h3，布置在泵送区两侧，遮挡未成对电极部分和电极总线，所述泵送区弧形导流区包括两个弧形导流板，高度为h3，每一泵送区弧形导流板的布置位置均为从内侧泵送区外围导流板末端起至出液口的同侧边线。

更进一步的，所述混合区上基板包括混合区微电负极和混合区微电正极，所述混合区微电负极和混合区微电正极互为叉指电极安装在基底层上。

更进一步的，微电极包括指端和总线，总线连接同极电极，指端的正负电极交叉布置，指端的单电极长度为a，宽度为b，正负极间隔为c，每组正负电极对的间隔为d，其中d＞c。

更进一步的，所述混合区下基板上的微电极包括抽运区和混合区功能区，所述抽运区对应位置的电极为指叉式直电极，其间距：d＞2c，混合区功能区对应位置的电极为指叉式扇形电极和指叉式直电极相结合，其间距：c＜d＜2c，所述混合区上基板上的微电极在抽运区对应位置布置相同电极，在混合区功能区对应位置不布置电极，上下层同极性电极的总线相连。

更进一步的，所述混合区导流板模块包括混合区流道、混合区导流板、混合区外围导流板和混合区弧形导流区，所述混合区导流板包括平行导流区和环区导流区，所述平行导流区的导流板垂直于混合区上基板和混合区下基板，且平行等距布置，相邻导流板间为混合区流道，所述环区导流区呈放射状等角度布置，该处导流板靠近圆心侧的起始点为靠近圆心侧第一弧形电极的远圆心侧，所述混合区外围导流板，高度为h3，布置在泵送区两侧，遮挡未成对电极部分和电极总线，所述混合区弧形导流区包括两个弧形导流板，高度为h3，每一泵送区弧形导流板的布置位置均为从内侧混合区外围导流板末端起至出液口的同侧边线。

更进一步的，所述泵送区微电正极和混合区微电正极连接可调直流电源，所述泵送区微电负极和混合区微电负极接地极，所述可调直流电源通过旋钮开关控制输出电压的大小。

更进一步的，所述泵送区上基板、泵送区下基板、混合区上基板、混合区下基板和分层隔板等长等宽。

更进一步的，所述泵送区以及混合区上下基板高度为h1，所述分层隔板高度为h2，所述导流板（泵送区外围导流板和混合区外围导流板）高度为h3；泵送区和混合区整体高度均为h4，其中可通过液体的高度为h3；高度关系为h4=h3+2×h1。

与现有技术相比，本发明所述的一种基于微通道的电致动自适应流动控制器的有益效果是：

（1）功能上：实现电场对微通道内流动的高精度控制，包括输运和混合功能，电场强度的可调控性提高了控制器的空间响应速度，电极布置以及电极对间距的不同设计实现自适应调节。

（2）结构上：设置成可叠加式的层式流动控制器，根据流量输运和混合需求，选择叠加的层级，扩大控制范围（输运强度/混合强度），进而提高整个系统的集成度。

（3）原理上：通过采用指叉式电极（直/弯）结构，设计电极布置（改变电极形状和电极对间距）和流道布置（导流-输运-混合），在电流体动力学的基础上，进一步将电-动能最大程度转化，提高能量利用效率。混合和输运功能区在制备上仅通过布置的电极进行区分和功能实现，微小流量的精准输运以及多相的微通道快速混合，通过控制电极对间距和电场强度进行控制。

（4）因此，本发明基于电场驱动方式，提出了新的主动控制模式，实现了微通道内的流动控制/混合及局部热输运，同时实现了通过电场的有效操控完成流动方向、流动强度/混合强度的精确控制，解决了微尺度系统的通道内高精度的流动控制和空间热控问题，进一步推动了芯片实验室在多通道微流体领域的发展。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明所述的主功能部分的立体结构示意图；

图2是本发明所述的流体泵送区结构示意图；

图3是本发明所述的流体混合区结构示意图；

图4是本发明实施例一的流体输运层流道布置结构示意图；

图5是本发明实施例一的流体输运层电极布置结构示意图；

图6是本发明实施例二的流体混合层流道布置结构示意图；

图7是本发明实施例二的流体混合层电极布置结构示意图；

图8是本发明模拟泵送/混合效果图；其中（a）表示泵送层单涡旋输运流场图，（b）表示泵送层双涡旋输运模拟图，（c）表示混合层多涡旋混合流场图；

图中：1-泵送区上基板；2-泵送区导流模块；3-泵送区下基板；4-混合区上基板；5-混合区导流板模块；6-混合区下基板；7-分层隔板；8-进液口板；9-出液口板；10-可调直流电源；81-进液口；91-出液口；11-泵送区微电负极；12-泵送区微电正极；21-泵送区流道；22-泵送区导流板；23-泵送区外围导流板；24-泵送区弧形导流区；41-混合区微电负极；42-混合区微电正极；51-混合区流道；52-混合区导流板；53-混合区外围导流板；54-混合区弧形导流区；55-混合区功能区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提出一种基于微通道的电致动自适应流动控制器，为了对本发明说明更加易懂，结合附图和具体实施方法对本发明做以下进一步说明。

需要说明的是，所述方法涉及的所述实施例尺寸视实际的热控对象设定，下面所描述的实施例仅解释本发明，而非对本发明的限定；文中提到的“上”“下”“前”“后”等仅代表各结构的相对位置而非绝对位置。

参见图1-图8说明本实施方式，一种基于微通道的电致动自适应流动控制器，包括导流区、进液口板8、出液口板9和可调直流电源10，所述导流区两端分别安装有进液口板8和出液口板9，所述导流区包括泵送区、混合区和若干分层隔板7，所述泵送区和混合区通过分层隔板7分割；

所述泵送区包括从上至下依次设置的泵送区上基板1、泵送区导流模块2和泵送区下基板3，所述泵送区上基板1和泵送区下基板3内设置有正负微电极，所述混合区包括从上至下依次设置的混合区上基板4、混合区导流板模块5和混合区下基板6，所述混合区上基板4和混合区下基板6内设置有正负微电极，所述泵送区导流模块2和混合区导流板模块5用于流体导流。

装置的微通道尺寸及数目根据流动/混合需求进行调整，并且进行完全封装。实现微小流量控制/混合功能根据控制需求设置且由通过外触发程控，所述微型电极正极连接可调直流电源10，所述微型电极负极/接地极，所述可调直流电源10通过旋钮开关控制输出电压的大小。

所述流动控制器的控制可通过泵送区上基板1、泵送区导流模块2、泵送区下基板3、混合区上基板4、混合区导流板模块5、混合区下基板6、分层隔板7进行组合、叠加以及封装，同一功能区需按照上基板、模块、下基板的顺序组装，不同功能区用分层隔板分开，以实现不同强度泵送/混合功能；其中叠加层数根据泵送/混合需求，对泵送层或者混合层的数量进行叠加。

所述泵送区包括泵送区上基板1、泵送区导流模块2和泵送区下基板3；其中泵送区上基板1和泵送区下基板3包括微型电极（正负指叉式电极，含涂层）以及基底层，所述微型电极相对布置，分别位于泵送区上基板1的下侧和泵送区下基板3的上侧。

实施例一：微通道内流体的高精度主动输运

如图2和图4所示：本实施例中，所述泵送区包括泵送区上基板1、泵送区导流模块2和泵送区下基板3；其中泵送区上基板1和泵送区下基板3包括微型电极（正负指叉式电极，含涂层）以及基底层。所述上/下层泵送区微电极包括电极对（n对）和电极总线，所述微型电极相对布置，分别位于泵送区上基板1的下侧和泵送区下基板3的上侧。可选地，所述电极对间隔d＞2c，电极材料为铜、银、银浆涂层等；可选地，可采用湿法光刻、印刷等方式制备所述微型电极。

所述泵送区导流模块2包括泵送区流道21、泵送区导流板22、泵送区外围导流板23和泵送区弧形导流区24，所述泵送区导流板22垂直于泵送区上下基板，平行等距布置。所述泵送区上基板1，泵送区下基板3及分层隔板7的长度均为j，宽度均为s。所述泵送区上下基板高度为h1，所述分层隔板7高度为h2；泵送区高度h4，其中可通过液体的高度为h3；高度关系为h4=h3+2×h1。可选地，所述泵送区可以根据需求叠加实现流量的增加。

所述泵送区导流板长度为n×(2b+c+d)-d，宽度小于等于b，高度为h3数量为Mi+1片，垂直于电极对，平行等距布置，所述外围导流板，高度为h3，布置在泵送区两侧，遮挡未成对电极部分和电极总线，所述弧形导流区包括两个弧形导流板，高度为h3，每一弧形导流板的布置位置均为从内侧外围导流板末端（靠近出液口端）起至出液口的同侧边线。

所述泵送区上基板1，泵送区下基板3，混合区上基板4，混合区下基板6以及分层隔板7的等长等宽。所述泵送区以及混合区上下基板高度为h1，所述分层隔板7高度为h2；泵送区和混合区整体高度均为h4，其中可通过液体的高度为h3；高度关系为h4=h3+2×h1。

所述泵送区外围导流板和混合区外围导流板，高度为h3，布置在泵送区和混合区两侧，遮挡未成对电极部分和电极总线。所述泵送区弧形导流区24和混合区弧形导流区54包括两个弧形导流板，高度为h3，每一弧形导流板的布置位置均为从内侧外围导流板末端（靠近出液口端）起至出液口的同侧边线。

所述泵送区流道21以及混合区流道51为导流板垂直于基板布置后形成的微小流体流动空间。

所述微型电极（正/负）分别相对布置于泵送区和混合区上基板4的下侧以及混合区下基板6的上侧。所述微电极包括指端和总线，总线连接同极电极，指端的正负电极交叉布置，指端的单电极长度为a，宽度为b，正负极间隔为c，每组正负电极对的间隔为d（d＞c）。

所述泵送区上下基板上的电极布置相同，上下层同极性电极的总线相连。所述混合区微电极分为上下两层，所述混合区下基板6上的微电极包括抽运区和混合区功能区55两部分，所述抽运区对应位置的电极为指叉式直电极（间距：d＞2c），所述混合区功能区55对应位置的电极为指叉式扇形电极和指叉式直电极相结合（间距：c＜d＜2c）。所述混合区上基板4上的微电极在抽运区对应位置布置相同电极，在混合区功能区55对应位置不布置电极，上下层同极性电极的总线相连。

所述进液口板8和出液口板9开通孔，分别布置进液口81和出液口91。设置Mi个进液口，管道及其数目与对应功能区的流道相对应；设置Mj个出液口，管道及其数目与对应功能区的流道相对应。

所述微流体的循环，可选地，由硅胶软管连接储液槽-进液口81-泵送区流道21-出液口91-储液槽，达成循环与出液功能。可选地，所述微流体可以是电子氟化液FC40、Novce7100等。

所述可调直流电源10连接各相应电极总线，使电极对间形成电场。高精度泵送通过改变直流电压，改变进液口数量来调节流量和流速。

所述各隔板以及基板的材料必须满足良好电气绝缘性，可选地，可采用高导热硅胶、PDMS等。所述结构之间的结合及封装，可选地，可选择螺栓螺钉过盈配合、胶体粘连、等离子键合、热压键合等连接方式。

实施例二：微通道内多相流体的快速混合

如图3和图5所示：本实施例中，所述混合区包括混合区上基板4、混合区导流板模块5、混合区下基板6；其中混合区上基板4和混合区下基板6包括微型电极（正负指叉式电极，含涂层）以及基底层，所述微型电极相对布置，分别位于混合区上基板4的下侧和混合区下基板6的上侧。所述混合区微电极分为上下两层，所述混合区下基板6上的微电极包括抽运区和混合区功能区55两部分，所述抽运区对应位置电极为指叉式直电极（间距：d＞2c，p对），所述混合区功能区55对应位置电极为指叉式扇形电极（s对）和指叉式直电极（q对）相结合（间距：c＜d＜2c），所述弧形电极圆心角约170°。所述混合区上基板4上的微电极在抽运区对应位置布置相同电极，在混合区功能区55对应位置不布置电极，上下层同极性电极的总线相连。可选地，电极材料为铜、银、银浆涂层等；可选地，可采用湿法光刻、印刷等方式制备所述微型电极。

所述混合区导流板模块5包括混合区流道51、混合区导流板52、混合区外围导流板53、混合区弧形导流区54和混合区功能区55。所述混合区导流板52由两部分组成，包含平行导流区和环区导流区。所述平行导流区的导流板平行等距布置，相邻导流板间为混合区流道51。所述环区导流区呈放射状等角度布置，该导流板靠近圆心侧的起始点为靠近圆心侧第一弧形电极的远圆心侧。所述混合区外围导流板53布置在泵送区两侧，高度为h3，遮挡未成对电极部分和电极总线，所述混合区弧形导流区54包括两个弧形导流板，高度为h3，每一泵送区弧形导流板的布置位置均为从内侧混合区外围导流板53末端（靠近出液口端）起至出液口91的同侧边线。

所述混合区上基板4，混合区下基板6以及分层隔板7的长度均为j，宽度均为s。所述混合区上下基板高度为h1，所述分层隔板7高度为h2；泵送区和混合区整体高度均为h2，其中可通过液体的高度为h3；高度关系为h2=h3+2×h1。

所述混合区导流板由两部分组成，分别为混合区导流板一区和混合区导流板二区，所述混合区导流板一区导流板长度为p×(2b+c+d)-d+至弧形电极对最外圈的距离（即长度随布置区域变化），宽度小于等于b，高度为h3，数量为Mi+1片，所述混合区导流板二区导流板长度为s×(2b+c+d)-d-b，数量为Mi/2+1（取整）片（若需取整，则存在2块导流板混合3条流道，若无需取整，则说明每2块导流板混合2条流道），该导流板呈放射状布置，该导流板靠近圆心侧的起始点为靠近圆心侧第一弧形电极的远圆心侧。

所述微流体的循环，可选地，由硅胶软管连接储液槽-进液口81-混合区流道51-出液口91-储液槽，达成循环与出液功能。可选地，所述微流体可以是电子氟化液FC40、Novce7100等。

所述可调直流电源10连接各相应电极总线，使电极对间形成电场。高精度泵送通过改变直流电压，改变进液口数量来调节流量和流速。

所述各隔板以及基板的材料必须满足良好电气绝缘性，可选地，可采用高导热硅胶、PDMS等。所述结构之间的结合及封装，可选地，可选择螺栓螺钉过盈配合、胶体粘连、等离子键合、热压键合等连接方式。

本发明涉及一种基于微通道的电致动自适应流动控制器，其工作原理及流程说明如下：

本发明装置旨在实现装置内的多组分流体高精度输运以及快速混合，通过条件电极对间距的布置，可以实现从输运到混合的转变。

通过采用指叉式电极（直/弯）结构，设计电极布置（改变电极形状和电极对间距）和流道布置（导流-输运-混合），在电流体动力学的基础上，进一步将电-动能最大程度转化，提高能量利用效率。混合和输运功能区在制备上仅通过布置的电极进行区分和功能实现，微小流量的精准输运以及多相的微通道快速混合，通过控制电极对间距和电场强度进行控制。

结合数值模拟结果所示：当电极对间距d较大时候（d＞2c），且所述微电极在流道两侧布置时，所述正负微电极与可调直流电源10相连。当开启高压电源，正负指叉式电极对之间形成高压电场，微流体被夹在上下基板之间的电极对之间，所述微流体在电场力的作用下被抽运实现定向定量泵送。通过改变直流电压，改变进液口数量来控制得到目标流量和流速。当电极对间距d较小时（c＜d＜2c），且所述微电极在混合区功能区55只布置在混合区下基板6，所述正负微电极与可调直流电源10相连。多相微流体由进液口81进入混合区中，在混合区功能区55的电极对之间，在电场的作用下形成较多的涡旋，完成混合过程后，进而再被输运至出液口91。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (6)

1.一种基于微通道的电致动自适应流动控制器，其特征在于：包括导流区、进液口板(8)、出液口板(9)和可调直流电源(10)，所述导流区两端分别安装有进液口板(8)和出液口板(9)，所述导流区包括若干泵送区、若干混合区和若干分层隔板(7)，所述泵送区和混合区通过分层隔板(7)分割；

所述泵送区包括从上至下依次设置的泵送区上基板(1)、泵送区导流模块(2)和泵送区下基板(3)，所述泵送区上基板(1)和泵送区下基板(3)内设置有正负微电极，所述混合区包括从上至下依次设置的混合区上基板(4)、混合区导流板模块(5)和混合区下基板(6)，所述混合区上基板(4)和混合区下基板(6)内设置有正负微电极，所述泵送区导流模块(2)和混合区导流板模块(5)用于流体导流；

所述泵送区导流模块(2)包括泵送区流道(21)、若干泵送区导流板(22)、泵送区外围导流板(23)和泵送区弧形导流区(24)；若干泵送区导流板(22)垂直于泵送区上基板(1)和泵送区下基板(3)，平行等距布置，相邻两个泵送区导流板(22)间为泵送区流道(21)，所述泵送区外围导流板(23)布置在泵送区两侧，遮挡电极的未成对部分和电极总线，所述泵送区弧形导流区(24)包括两个弧形导流板，高度为h3，每一泵送区弧形导流区(24)的弧形导流板的布置位置均为从泵送区外围导流板(23)末端起至出液口(91)的边线；

所述混合区上基板(4)包括混合区微电负极(41)和混合区微电正极(42)，所述混合区微电负极(41)和混合区微电正极(42)互为叉指电极安装在基底层上；

所述泵送区微电正极(12)和混合区微电正极(42)连接可调直流电源(10)，所述泵送区微电负极(11)和混合区微电负极(41)接地极，所述可调直流电源(10)通过旋钮开关控制输出电压的大小，可调直流电源(10)连接各相应电极总线；

微电极包括指端和总线，总线连接同极电极，指端的正负电极交叉布置，指端的单电极长度为a，宽度为b，正负极间隔为c，每组正负电极对的间隔为d，其中d＞c。

2.根据权利要求1所述的基于微通道的电致动自适应流动控制器，其特征在于：所述泵送区上基板(1)和泵送区下基板(3)结构相同，所述泵送区上基板(1)包括泵送区微电负极(11)、泵送区微电正极(12)和基底层，所述泵送区微电负极(11)和泵送区微电正极(12)互为叉指电极安装在基底层上。

3.根据权利要求1所述的基于微通道的电致动自适应流动控制器，其特征在于：所述混合区下基板(6)上的微电极包括抽运区和混合功能区，所述抽运区对应位置的电极为指叉式直电极，其间距：d＞2c，混合区功能区(55)对应位置的电极为指叉式扇形电极和指叉式直电极相结合，其间距：c＜d＜2c，所述混合区上基板(4)上的微电极在抽运区对应位置布置相同电极，在混合区对应位置不布置电极，上下层同极性电极的总线相连。

4.根据权利要求1所述的基于微通道的电致动自适应流动控制器，其特征在于：所述混合区导流板模块(5)包括混合区流道(51)、混合区导流板(52)、混合区外围导流板(53)和混合区弧形导流区(54)，所述混合区导流板(52)包括平行导流区和环区导流区，所述平行导流区的导流板垂直于混合区上基板(4)和混合区下基板(6)，且平行等距布置，相邻导流板间为混合区流道(51)，所述环区导流区呈放射状等角度布置，此处导流板靠近圆心侧的起始点为靠近圆心侧第一弧形电极的远圆心侧，所述混合区外围导流板(53)布置在泵送区两侧，遮挡未成对电极部分和电极总线，所述混合区弧形导流区(54)包括两个弧形导流板，每一泵送区弧形导流板的布置位置均为从内侧混合区外围导流板(53)末端起至出液口(91)的同侧边线。

5.根据权利要求4所述的基于微通道的电致动自适应流动控制器，其特征在于：所述泵送区以及混合区上下基板高度为h1，所述分层隔板(7)高度为h2，所述泵送区外围导流板(23)和混合区外围导流板(53)高度为h3；泵送区和混合区整体高度均为h4，其中可通过液体的高度为h3；高度关系为h4＝h3+2×h1。

6.根据权利要求1所述的基于微通道的电致动自适应流动控制器，其特征在于：所述泵送区上基板(1)、泵送区下基板(3)、混合区上基板(4)、混合区下基板(6)和分层隔板(7)等长等宽。