CN209464962U - 一种非对称结构与电极的主动式电渗微混合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于微流控芯片领域，具体公开了一种非对称结构与电极的主动式电渗微混合器，主要由直流非对称电极阵列、非对称的混合室和主管道构成。由于微尺度下流体处于层流状态，流体混合基本依靠分子扩散，本实用新型利用管道壁上的电极阵列，对混合通道施加直流电场，使混合器内流体单元产生扰动和生成涡流，缩短了混合时间，提升了混合效率。

Description

一种非对称结构与电极的主动式电渗微混合器

技术领域

本实用新型专利涉及一种非对称结构与电极的主动式电渗微混合器。该混合器的混合方式为直流驱动主动式。

背景技术

微流控芯片又称微流控芯片实验室或芯片实验室(lab-on-chip ,LOC)。在医疗医学、生物化学等领域，微流体的快速与高效混合是使用微流控芯片混合试剂的关键。由于在微尺度下，流体的雷诺数较小，流体处于层流状态，流体之间的混合仅能依靠少量发生在流体交界面的分子扩散效应，导致流体混合通道长、流体混合时间花费多，所以如何提升流体的混合效率就成了亟待解决的技术问题。

根据输入能量的不同，微混合器可分为被动微混合器和主动微混合器。由于不需要外部能源驱动，同时流体在微通道的流动主要表现为层流，所以被动微混合器的混合就容易研究和描述。被动混合器可进一步分为混沌对流混合器、并联复合微混合器和连续层压微混合器、喷射混合器、液滴微混合器。被动混合器的混合主要是由分子扩散和混沌对流来实现的。主动式微混合器主要依靠外部驱动，通过选择不同的驱动方式，可以实现各种要求环境下的试剂混合。主动式微混合器可以进一步分为超声波微流体混合器、磁力式微混合器、动电式混合器、压力扰动式混合器等。主动式微混合器具有体积小，适用环境广、混合结构简单，混合效率高等特点，具备广泛的发展前景。

在所有主动式微流体混合器的驱动方式中，采用电渗效应驱动流体混合是最为广泛使用的方式之一，这种方式可以有效地提升流体的混合效率。为了克服微尺度下的层流混合困难问题，我们创新地设计了一种直流电极阵列紧凑分布的非对称主动式微混合器结构，这种直流电极阵列的交替分布可以有效地引起微混合器内涡流的产生，同时非对称的通道结构加速了流体的对流，二者共同作用下使流体混合通道距离减小，且混合效率大幅提升。

发明内容

本实用新型的目的在于设计了一种主动式微流体混合器，能够大量缩短流体混合通道距离，同时提升混合效率。

本实用新型的技术方案是：一种非对称结构与电极的主动式电渗微混合器，包括进口管1、出口管10、非对称混合室和直流电极阵列，其中，非对称混合室包括第一混合室3和第二混合室13，直流电极阵列包括第一电极2、第二电极4、第三电极8、第四电极9、第五电极11、第六电极12、第七电极14、第八电极15，且第一电极2和第八电极15、第二电极4和第七电极14、第三电极8和第六电极12、第四电极9和第五电极11分别为一对，每对电极施加电压大小相同，极性相反；进口管1与出口管10之间为混合主通道，第一混合室3和第二混合室13拓展在主通道壁上，第一混合室3主要由半圆壁面结构5和垂直壁面结构6组成，中空半圆结构7在第一混合室3的内部，与第一混合室3共同组成完整的拓展流体通道，第一至第八电极都装设在主管道壁上，与主管道的外壁面紧密贴合；第二混合室13与第一混合室3以主管道中轴线呈上下分布且分别接连主管道，第一混合室3和第二混合室13的最左侧壁面错位的距离大小d等于半圆壁面结构5的半圆的半径；进口管1与出口管10的管道宽度为10μm，进口管1处流体的流速为1×10^-3m/s；布置于管道壁上下两侧的多个电极交替排列，并且相邻电极的距离分别为5μm与2μm，即第一电极2和第二电极4的间距大小为5μm，第二电极4和第三电极8的间距大小为2μm，第三电极8和第四电极9的间距大小为5μm，同样地，第五电极11和第六电极12的间距大小为2μm，第六电极12和第七电极14的间距大小为5μm，第七电极14和第八电极15的间距大小为2μm。

本实用新型的收益在于：将主动式微混合器的高效性和被动式微混合器微通道结构设计巧妙结合起来，进而设计一种新型的微混合器，在外部直流电场的作用下，这种新型混合器的微通道内会产生电渗效应，流体单元会在扰动的流场内发生相当程度的折叠和拉伸，同时进入非对称的混合通道结构的流体会在缩口处产生二次流，从而对主管道中的流体产生冲击，进一步加强了微尺度下流体的对流，促使待混合流体发生高效率的混合。

所设计的新型主动式微混合器结构为单层结构，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，并且相比于其他微流体混合器具有更优化的单层结构，所适用的雷诺数范围广，能够使流体之间完成较快、效率更高的混合，受到实验环境干扰影响小，具备更加广阔的应用空间。

附图说明

图1是主动式微混合器混合单元结构平面图。

图2是未外加电场时的混合器内流体浓度图；其中，白色线为上下两种不同流体的液面分层线，深色波浪曲线为流体流线，此时两种流体都处于层流状态。

图3是外加电场后微混合器内电势分布图，其中，颜色深浅反应了混合器结构内电势的变化；颜色深、范围较大的第一电极、第三电极、第五电极、第七电极附近区域，电势分布呈现为正电势，大小为0.5V；颜色深、范围小的第一电极、第三电极、第五电极、第七电极附近区域，电势大小为0V，剩余大部分白色的区域为大小0.25V的均匀电势。

图4是外加电场后混合器内的流线分布图。

图5是外加电场后的混合器内流体浓度图。

图6是混合效率指标曲线图。

图7是两组混合单元串联排列结构图。

具体实施方式

本实用新型研究设计了一种新型的主动式微流体混合器，该微混合器采用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可得到所述主动式微流体混合器结构。

使用开源有限元软件建立新型主动式微流体混合器模型，通过数值计算，发现该混合器混合高效，达到了预期的混合效果。

未外加电场时，主动式微混合器内的流体浓度分布如图2所示。从入口处通入两种流体，流体并行流过微混合器后由出口流出，可以从图中看到，两种流体在混合器内有明显的分层，流体间并未产生对流，仅仅依靠流体交界面处的少量流体分子发生扩散作用来进行流体混合，混合过程耗费时间长，效率低下。

图3展示了外加电场后混合器内的电势分布情况。可以看出，在上下管道壁设置的四对电极影响了通道内的电势分布，相邻的电极和相对的电极之间具备较大的电势梯度，这种电势梯度证明了产生的电场力可以施加在混合器内的流体上，使通道壁面产生电渗速度，进而产生电渗流，加速流体的混合。

图4是外加电场后微混合器内的流场分布情况。由微混合器管道壁上设置的电极阵列对混合器内部施加直流电场，从图中可以看出，外加电场后的流体流动受到了很大的扰动，流场分布变得极不规律。一方面，在相邻的电极之间产生了旋转的涡流，这些涡流使得流体之间的对流作用大幅增强，同时，这些涡流紧凑分布，流体流速在这些涡流之间快速增加，提升了流体混合速度；另一方面，非对称分布的混合室结构设计巧妙，一部分流体在迪安效应和涡流的作用下进入混合室内，增大了流体的混合区域，由于混合室存在的垂直缩口结构，使得流体从混合室出口流出时被加速，经过加速的流体与另一部分在主管道内的流体发生汇合，并对流体主流产生冲击形成混沌流，显著地提升了流体对流效应，增强了流体混合效率；正是选择多种加强流体对流的混合方式，使微尺度下获取更高效的流体混合效果成为可能。

图5是施加电场后微混合器内的流体浓度分布图。该图中可以清晰的看出，通过电极施加的直流电场，在相邻与相对的电极间产生了电势差，进而使流体浓度也发生变化，在通道内形成锯齿形的浓度分布差异，正是在电场力的作用下，迫使通道内的流体发生锯齿形的曲折运动，增加了流体之间的接触时间和接触距离，在有限的通道内显著地延长了流体的混合通道长度。

为了更加深入了解新型的微混合器带来的流体混合效果，引入混合效率指标σ来表示流体的混合程度。混合效率指标σ的值介于0与1之间，σ=1时表示待混合的流体没有发生混合，σ=0时表示待混合流体达到了完全混合。如图6，从结果曲线中可以看出，混合效率随着外加电压的增大而增加，这是因为壁面的电渗速度与电压梯度成正比，电压越大，电渗速度越大，所带来的流体对流效果越强，混合效率也就越高。在电压大于1V时，流体的混合基本获得了理想的效果。

所设计的新型主动式微混合器，主要是利用外加直流电场来引起电渗效应扰乱流场，同时通过非对称结构混合室结构的巧妙设计，进一步加强待混合流体的对流效应。经过数值计算发现该混合器是可行且高效的，能够适应不同实验环境的要求和条件，通过控制施加电压的大小可以精确控制所需要的预期混合效果，在微尺度下实现流体的可控。

本实用新型所设计的微混合器结构，不局限于管道两侧的单组设置混合室，可以使用多组混合室非对称排列，如图7，图7是两组混合单元串联排列结构图。设置的非对称混合室排列越多，所获得的流体混合效果越好。

Claims (3)

1.一种非对称结构与电极的主动式电渗微混合器，包括进口管（1）、出口管（10）、非对称混合室和直流电极阵列，其中，非对称混合室包括第一混合室（3）和第二混合室（13），直流电极阵列包括第一电极（2）、第二电极（4）、第三电极（8）、第四电极（9）、第五电极（11）、第六电极（12）、第七电极（14）、第八电极（15），且第一电极（2）和第八电极（15）、第二电极（4）和第七电极（14）、第三电极（8）和第六电极（12）、第四电极（9）和第五电极（11）分别为一对，每对电极施加电压大小相同，极性相反；进口管（1）与出口管（10）之间为混合主通道，第一混合室（3）和第二混合室（13）拓展在主通道壁上，第一混合室（3）主要由半圆壁面结构（5）和垂直壁面结构（6）组成，中空半圆结构（7）在第一混合室（3）的内部，与第一混合室（3）共同组成完整的拓展流体通道，第一至第八电极都装设在主管道壁上，与主管道的外壁面紧密贴合；第二混合室（13）与第一混合室（3）以主管道中轴线呈上下分布且分别接连主管道，第一混合室（3）和第二混合室（13）的最左侧壁面错位的距离大小d等于半圆壁面结构（5）的半圆的半径。

2.根据权利要求1所述的主动式电渗微混合器，其特征在于，进口管（1）与出口管（10）的管道宽度为10μm，进口管（1）处流体的流速为1×10^-3m/s。

3.根据权利要求1所述的主动式电渗微混合器，其特征在于，布置于管道壁上下两侧的多个电极交替排列，并且相邻电极的距离分别为5μm与2μm，即第一电极（2）和第二电极（4）的间距大小为5μm，第二电极（4）和第三电极（8）的间距大小为2μm，第三电极（8）和第四电极（9）的间距大小为5μm，同样地，第五电极（11）和第六电极（12）的间距大小为2μm，第六电极（12）和第七电极（14）的间距大小为5μm，第七电极（14）和第八电极（15）的间距大小为2μm。