CN207446125U - 一种被动式微流体混合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于微流控领域，具体公开了一种被动式微流体混合器，包括了进口管、出口管、非对称圆弧结构和渐缩弯管结构。非对称圆弧结构由左混合室、上圆弧结构、下圆弧结构和右混合室组成。渐缩弯管结构由上弯管通道和下弯管通道组成。非对称圆弧结构与渐缩弯管结构通过连接通道连接。所述混合方法是设计特殊结构的混合室以及改变微流体的流动管道半径，使得微流体单元产生冲击，打破微流体流动的层流状态，加强两种不同浓度微流体的对流效应，实现两种微流体的高效混合。本实用新型的主要优势在于：微流体混合全过程不需要驱动装置，且能够充分利用分合式微流体混合器与弯管通道式微流体混合器的优势，所述特殊结构混合室能够充分加大微流体流动的扰动，从而提高所述微流体混合器的混合效率。

Description

一种被动式微流体混合器

技术领域

本实用新型涉及一种新型的被动式微流体混合器。该混合器的混合方式为被动式。

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微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，因此又被称为芯片实验室，微混合器作为微流控芯片的重要组成部分，足以引起更多的关注；随着社会的不断发展与进步，在化学实验、环境监测分析、DNA检测等诸多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；微流体混合器具有快速、高效、易于控制和易于集成的特点而且成本较低，结构简单，混合良好。

混合通常是指用机械或流体动力的方法，使两种或多种物料相互分散而达到一定均匀程度的单元操作，但是微米量级的尺度下与宏观流体流动有很大区别，微米量级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，微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。

微流体混合器根据输入能量的不同，微混合器可分为被动式微混合器和主动式微混合器两类；前者单纯的利用几何形状或流体特性产生混合效果，除驱动流体流动的力（如压力、电渗驱动等）外，混合不借助于其他外力，混合器也不含任何可移动部件；而后者则借助磁力、电场力、声场等外力实现混合；主动式微流体混合器的混合效果较好，但是由于结构复杂，成本较高，在各个领域中实现这种技术的普遍性并不高；被动式微流体混合器结构简单，响应速度快，加工成本低，使用方便，在各个领域中得到广泛使用。

在目前大部分流体实验过程中，通常需要对两种或多种流体进行充分混合，目前这种混合方式大多采用两种或多种流体从各自管道引入，经过交汇后便直接排出，使得微流体混合效率非常低下，达不到实验所要求混合精度。

为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，通过增进流体间有效接触面积来提高流体的扩散效率，提高混合强度。通常使用的结构为分合式和弯管通道式。

现在对不同微流体的混合的主要方法是在微流体混合器内增加一定数量的挡板，增加的挡板会对通道内的流体产生阻扰作用，增加了流体混合的对流扩散作用，同时也使得流体的流动损失较大；本实用新型仅仅通过改变微流体流动通道结构来实现两种或多种流体的高效混合，使得混合时间短、混合流道短、流体混合充分、混合效率大大提高。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、使用方便的被动式微流体混合器，用于进一步提高混合效率，减少混合时间，解决现有技术的不足。

本实用新型采用的技术方案是：一种被动式微流体混合器，包括进口管、出口管、非对称圆弧结构和渐缩弯管结构，非对称圆弧结构由左混合室、上圆弧结构、下圆弧结构和右混合室组成，渐缩弯管结构由上弯管通道和下弯管通道组成，非对称圆弧结构与渐缩弯管结构通过连接通道连接。

该被动式微流体混合器的特征在于：两种微流体混合后经由入口管进入左混合室，左混合室为矩形被两个不同心圆弧切割而成，在两个圆弧相对部分形成半径不断变化的微流体流动通道；左混合室与右混合室相连，右混合室为矩形被两个圆弧切割而成，在右混合室出口处形成收缩结构；微流体由右混合室出口经过连接通道进入所述渐缩弯管通道，在此渐缩弯管通道流动过程中，通道半径处处变化，因此微流体流动的层流状态不断改变。

所述被动式微流体混合器其特征在于：入口管半径、出口管半径与连接通道截面宽度值比为1:1:1，所述非对称圆弧结构两圆弧形成通道截面最小值与右混合室渐缩结构横截面最小值比为1:1，所述渐缩弯管通道截面宽度最大值与最小值比为8:3。

本实用新型的技术构思为：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，为增强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，对于被动式微流体混合器，可利用微通道的几何机构对流体的扰动来增加流体间的碰撞、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；本实用新型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。

本实用新型使用商用有限元软件COMSOL Multiphysics 作为模拟仿真软件，该软件是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，用数学方法求解真实世界的物理现象。

本实用新型的收益在于：充分结合分合式微混合器与弯管通道式微混合器的优势，在非对称圆弧结构中形成微小涡流之后紧接着在渐缩弯管通道中形成二次流，进而增强了流体的对流流动，使得流体混合更为充分。

和传统的多层结构相比，本实用新型具有结构简单，便于大批大量生产，通过一次光刻就可以制造模具，并且本实用新型的优势在于，相比其他微流体混合器具有更加优化的结构，响应速度更快，能够使微流体之间完成更快，效率更高的混合，且能够通过重复串联多个微流体混合单元来实现更高的混合精度，能满足大部分实验需求。

以上所述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的思想下所作出的修改、替换和变形等若干改变，这些都属于本实用新型的保护范围之内。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中待混合流体从左侧两支管inlet1，inlet2分别进入混合单元进口管，从右侧支管outlet流出；图中虚线所框选部分为一个微流体混合单元。

图2为本实用新型一个微流体混合单元放大示意图。

图中1：进口管；2：非对称圆弧结构；3：左混合室；4：下半圆弧结构；5：上半圆弧结构；6：右混合室；7：连接通道；8：上弯管通道；9：下弯管通道；10：渐缩弯管结构；11：出口管。

图3为本实用新型流线仿真图，线密度代表了微流体流经各处的不同浓度大小。

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。

一种被动式微流体混合器，包括包括进口管（1）、出口管（11）、非对称圆弧结构（2）、渐缩弯管结构（10）。

非对称圆弧结构为一个矩形被两个半径相同，圆心不同，所对应圆心角不同的扇形所截而成，在右混合室尾部形成收缩结构。

非对称圆弧结构中相对的两段圆弧圆心不在一条直线上，形成一段距离的错位，能够保证微流体在流经此段结构时通道横截面数值不断改变，打破微流体流动的层流状态，实现两种微流体的充分混合。

右混合室尾部与渐缩弯管结构通过连接通道连接，此处为不光滑连接。

所述上下两个渐缩弯管由四个不同半径，不同圆心的半圆组成，上下两个渐缩弯管结构连接处为光滑连接。

所述进口管（1）、出口管（11）、连接通道（7）均为横截面不变的通道，且横截面宽度为1:1:1。

混合器内的流体由入口驱动，但在经过收缩结构与弯管结构时变得密集，这是因为收缩结构迫使流体由狭小的通道流过，在狭小的通道中流体流速增加，同时由于线型的管道壁面，减小了流体的可流动空间，二者共同作用下加强了主混合通道内的流体对流，迫使流体快速混合。同时，从流线图中可以看出本实用新型微流体混合结构混合效率高，混合效果好。

Claims (6)

1.一种被动式微流体混合器，包括进口管（1）、出口管（11）、非对称圆弧结构（2）、渐缩弯管结构（10）；所述非对称圆弧结构（2）由左混合室（3）、下圆弧结构（4）、上圆弧结构（5）、右混合室（6）组成；所述渐缩弯管结构（10）由上弯管通道（8）和下弯管通道（9）组成；所述非对称圆弧结构（2）与渐缩弯管结构（10）通过连接通道（7）连接。

2.根据权利要求1所述的被动式微流体混合器，其特征在于：在被动式微流体混合器进口管（1）之后设计一种由矩形和两个不同心半圆形相结合的特殊结构的左混合室（3），从而能够实现微流体流经混合室时随时间变化流动通路半径的改变；在所述右混合室（6）与所述连接通道（7）连接处设计为收缩结构，使用上半圆切割矩形形成；渐缩弯管结构为两个不同半径不同心圆弧组成，所述上弯管通道（8）与下弯管通道（9）相结合处为平滑连接。

3.根据权利要求1所述的被动式微流体混合器，其特征在于所述的非对称圆弧结构（2）由两个相同半径不同心圆弧组成，所述下圆弧结构（4）对应圆心角为105°，所述上圆弧结构（5）对应圆心角为180°；所述下圆弧结构（4）与上圆弧结构（5）圆心距在水平方向的分量与其半径比为3:5，在垂直方向的分量与其半径比为12:5。

4.根据权利要求1所述的被动式微流体混合器，其特征在于所述的渐缩弯管结构（10）由两个不同心不同半径圆弧组成，其对应圆心角均为180°，外圆弧半径与内圆弧半径比为5:3，外圆弧与内圆弧圆心距在水平方向分量与外圆弧半径比为10:1，在垂直方向分量为零。

5.根据权利要求1所述的被动式微流体混合器，其特征在于所述的连接通道（7）截面为矩形，其长度值与所述渐缩弯管结构（10）入口处通道直径比为5:2，其宽度值与所述渐缩弯管结构（10）入口处通道直径比为3:2。

6.根据权利要求1所述的被动式微流体混合器，其特征在于根据混合精度高低的要求，可在进口管（1）与出口管（11）处串联多个所述被动式微流体混合器，以达到所述的混合精度要求，提高混合效率。