CN206404699U - 一种交流电场促进型微混合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于微流控芯片领域，具体公开了一种交流电场促进型微混合器，包括了入口、出口、混合通道和两对电极。入口管与出口管之间为“S”型混合管道，待混合流体由入口流入，经过外加电极的混合通道后由出口流出。由于外加交流电场，交变的电场产生电渗流，驱动流体发生高效的混合。本实用新型的主要优势在于：其工作全过程由交流电场驱动，工作装置采用全密封，具有结构简单、成本低、使用广泛等特点，明显地减少了流体的混合时间，提高了混合效率，使得流体混合充分，并且为微流控芯片的试剂混合提供了一种结构简单混合高效的方式。

Description

一种交流电场促进型微混合器

技术领域

本实用新型涉及一种新型交流电场促进型微混合器。该混合器的混合方式为主动式。

背景技术

在化学实验、环境监测分析、DNA检测等领域中进行试验反应前都会用到微流体混合器，来实现不同要求下多种试剂的充分混合。微流体混合器质量较轻，成本较低，结构简单，混合良好，而目前的微流体混合器混合效率低，混合均匀度不高，会对检测产生不良的影响。

流体混合就是将两种或两种以上的流体掺入一起，并通过一定的混合方式最终获得一种质地均匀的混合物。物理混合是对流作用和扩散作用方式共同作用的过程，对流作用使得不同的流体分子依靠冷热效应发生相对位移，使流体相互变形、分割；扩散作用使高浓度分子向低浓度处转移，直到流体内各组份分布相对均匀。

对精度要求高的实验中各种生化试验反应需要快速且高效的混合，来保证实验中的各试样同时发生反应，但是，在微米量级的尺度下，流体的对流作用带来的效应并不强烈，在这种情况下，微流体的混合主要依靠分子间的扩散作用，所以在一定的实验要求之下，流体的混合变得较为困难。低成本的微流体混合器通过简单的结构改进能够提升流体之间混合的效率，达到预期的混合效果。

在流体的实验过程中，通常需要对两种或多种的流体进行充分混合。目前这种混合方式采用两种流体从各自管道流入，经过交汇后便直接排出，使得混合效率低下。

主动式微混合器利用外场促进流体之间的混合，混合效率相对被动式混合器较高。其中，交流电场微混合器利用交变电场产生电渗流，驱动流体产生混合。电渗效应是指在电场的作用下，微通道内的液体沿着通道内壁做整体定向平移的移动的现象。交流电渗给生物和化学中同时实现流体驱动和流体混合带来了新的可能，目前受到了越来越多的关注。

本实用新型以流体力学为基础，提出并研究了一种新型的具有混合功能的交流混合器，对通道内四个电极附近电场和流线及微混合器的混合效率进行分析与讨论，为微流控芯片的试剂混合提供了一种结构简单混合高效的方式。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、使用方便的主动式微流体混合器，用于进一步缩短混合时间，提升混合的效率。

本实用新型的技术方案是：一种交流电场主动式微流体混合器，包括进口管、出口管、“S”型混合管道，其中混合管道包含两对电极，分别为第一电极、第二电极、第三电极、第四电极。该主动式微流体混合器的特征在于：两种待混合流体并列由进口管进入混合管道，在第一电极、第二电极、第三电极、第四电极的共同作用下产生电渗效应发生混合后从出口管中流出；混合管道为“S”型的中心对称结构，在“S”型的半圆圆环中点处，四个电极呈对称分布，第一电极与第四电极为一对，第二电极与第三电极为一对，对这两对电极分别施加交流电场；所述的进口管、出口管和“S”型混合管道的管径为10微米。

本实用新型的收益在于：流体在混合管道内由于交流电场而产生电渗效应同时发生电渗运动，混合过程中在电极附近会生成由电渗流引起的旋转涡流，这些涡流扰乱了混合器内的主流，增强了流体的对流运动，使得流体混合更为充分。

本实用新型所设计的结构为单层结构，通过一次光刻就可以制造模具，和传统的多层结构相比具有结构简单、便于大规模生产配置组装、成本较低的特点，并且本实用新型的优势在于，相比于其他微流体混合器具有更优化的单层结构，能够使流体之间完成较快、效率更高的混合，所适用的雷诺数范围广，能满足大部分实验的需求。

以上所述的是本实用新型的一些内容，并不限制于本实用新型，但凡不脱离本实用新型创新的思想下所作出的修改、替换和变型等若干改变，这些都属于本实用新型的保护范围之内。

附图说明

图1为混合器结构示意图，其中AD为通道入口，BC为混合器结构出口。1，2，3，4是电极，电极1和2的电势相同，电极2和3的电势相同。

图2为混合器电势分布图，其中t=0.81s，此时正弦交流电势位于波峰处。图中电势单位为V。当施加正弦周期变化的电场后，随着电场逐渐增加，在流体通道内会形成一定的电势差。

图3a为未加电场时的通道内流体流线图，时间t=0 ，通道内流体分层运动，各层流体之间无对流运动。

图3b为施加交流电场后的通道内流体流线图，时间t=0.81s，此时正弦交流电势位于波峰处。电极附近生成旋转涡流，扰乱了通道内的主流。

图4a为施加交流电场前微混合器内流体浓度图。

图4b为施加交流电场后微混合器内流体浓度图。

图5是混合效率指标随时间的变化曲线图。

具体实施方式

一种微流体混合器，采用PDMS为材料，经过光刻、显影等工艺步骤制得SU8模具；然后将与固化剂混合过的PDMS材料涂于模具上，经过加热固化后脱模制得PDMS阴模；再将与固化剂混合过的PDMS材料涂于PC片上，再加热固化后脱模制得PDMS平板；PDMS阴模与平板键合所得微结构即为所述微流体混合器结构。

交流电场促进型的微流体混合器中，对于从边界AD通入的两种不同流体，由于具有较低的扩散系数，两种流体被隔离开，此时待混合流体间有明显的分界，电场位于初始状态，通道内电场强度为V₀=0V，因此壁面电渗速度为0，流场内流体流动主要由入口流量驱动，通道内流体分层运动，各层流体之间无对流运动，只有在流体间的交界面上有极少量的流体分子通过自由扩散运动进行混合，如图3a所示。

当施加正弦周期变化的电场后，随着电场逐渐增加，在流体通道内会形成一定的电势差使流场壁面产生电渗速度并驱动流体发生电渗运动，由于电场强度在流场内并不一致（如图 2），故壁面电渗流速度不一致，进而使得通道内的两种不同流体发生对流运动。同时，在电极附近会生成由电渗流引起的旋转涡流，这些涡流扰乱了混合器内的主流，加强了流场的非均匀性，如图3b所示。流场内所引起的对流运动，使混合器内的流体单元相互折叠和拉伸，进一步使得这两种不同的流体在试剂交界面处发生扩散，从而达到混合的目的。

交流电场下混合器电极附近产生旋转的涡流，这些通道内的涡流将会折叠和拉伸流体单元使得流体的混合效率大幅提升，越靠近电极，流场被扰动的程度越强，入口和出口处的流场干扰基本可以被忽略，因此，此研究计算了外加交流电场下流体混合后的浓度场，可以看出交流电场的作用下具有不同浓度的两种溶液在通道中实现了较好的混合效果，如图4a、4b。

基于仿真结果，我们计算了混合效率指标随混合时间变化的曲线，如图5。当的值为1时，表示两种流体并没有发生混合；当的值为0时，表示了两种流体发生了完全混合。时间t=1s时，两种流体基本上达成完全混合。

Claims (2)

1.一种交流电场主动式微流体混合器，包括进口管（6）、出口管（7）、“S”型混合管道（5），其中混合管道（5）包含两对电极，分别为第一电极（1）、第二电极（2）、第三电极（3）、第四电极（4），该主动式微流体混合器的特征在于：两种待混合流体并列由进口管（6）进入混合管道（5），在第一电极（1）、第二电极（2）、第三电极（3）、第四电极（4）的共同作用下产生电渗效应发生混合后从出口管（7）中流出；混合管道（5）为“S”型的中心对称结构，在“S”型的半圆圆环中点处，四个电极呈对称分布，第一电极（1）与第四电极（4）为一对，第二电极（2）与第三电极（3）为一对，对这两对电极分别施加交流电场。

2.根据权利要求1所述的微流体混合器，其特征在于，所述的进口管（6）、出口管（7）和“S”型混合管道（5）的管径为10微米。