CN211246347U - 一种光诱导电渗流微混合器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及微流控技术领域,要解决的技术问题在于克服现有的不同流体混合装置需要复杂物理金属电极的局限,而提供一种光诱导电渗流微混合器,其结构主要包括电渗混合流道、第一样本试剂流道、第二样本试剂流道、光导层和信号发生器。其特点在于,第一样本试剂和第二样本试剂在外部泵压作用下分别从第一样本试剂入口和第二样本试剂入口流入第一样本试剂流道和第二样本试剂流道,并同时汇入电渗混合流道。电渗混合流道顶、底壁为内侧沉积有光导层的透明铟锡氧化玻璃,在两玻璃之间接入信号发生器以加载电信号,当光源照射到光导层表面时会投影产生光学虚拟电极,该电极能使电渗混合流道内的不同流体因电渗作用而产生涡流,混合后的流体最终从混合流体出口流出。通过调节信号发生器的电压、频率,可以达到高效混合不同流体的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及微流控领域,特别涉及微流体混合领域,主要是一种光诱导电渗流微混合器。
背景技术
早期,生化应用行业的微实验室通常需要快速地混合不同的流体。传统的宏观流体可以通过对流来实现混合,而微通道中的流体由于雷诺数较低,只依靠扩散混合效果较差。所以,在微系统中,为了实现微通道中流体的有效混合,经常采用依赖几何结构的被动式混合装置和使用运动部件或外力作用的主动式混合装置。
现有的被动式混合装置主要依靠内部复杂的几何结构或者对通道表面的处理来实现微通道中流体的混合,其特点是无需外部动力驱使,但流体的控制性差,极度依赖其几何结构,且其混合效果较差。而大多数主动式混合装置多为使用运动部件搅拌不同试剂而实现混合,其流体可控性强,混合效果好、效率高,但其主要运动部件结构复杂且非常脆弱,加工制造困难,成本较高,而且需要大量外部能量的输入,故很难运用到较为苛刻的实验环境中。
一种替代方法是使用声场、磁场或电场等外部能量来实现垂直于不同试剂主流方向上的混合,其中应用较多的是依靠电场的方法,比如电渗流技术,基于感应电荷电渗原理,主要依靠其固定的物理金属电极,具有结构简单、无需运动构件和易于集成等特点。然而,固定的物理金属电极加工成本较高、操作困难,如何克服上述缺点,已成为相关领域技术人员所致力的目标之一。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有的不同流体混合装置需要预置入复杂物理金属电极的局限,而提供一种光诱导电渗流微混合器,其至少具有结构简单、低成本和操作灵活等优点。
本实用新型的技术方案如下:
本实用新型提供的一种光诱导电渗流微混合器,结构主要包括电渗混合流道(1)、第一样本试剂流道(2)、第二样本试剂流道(3)、光导层(4)和信号发生器(5)。
其中,所述第一样本试剂流道(2)的端部设有第一样本试剂入口(21),所述第二样本试剂流道(3)的端部设有第二样本试剂入口(31),所述电渗混合流道(1)的一端分别连接第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3),另一端设有混合流体出口(11)。
进一步的,所述第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3)与电渗混合流道(1)位于同一平面上并呈Y型设置,夹角为60度。
进一步的,所述第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3)大小规格相同,其长度为50μm、宽度为20μm、高度为8.66μm,材质为聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。
进一步的,所述电渗混合流道(1)的顶、底壁为透明的铟锡氧化(Indium tinoxide,ITO)玻璃,并采用等离子体增强化学气相沉淀法(Plasma enhanced chemicalvapor deposition,PECVD)在所述电渗混合流道(1)的顶和/或底壁ITO玻璃内侧表面上连续沉积所述光导层(4)。
进一步的,所述电渗混合流道(1)长度为200μm、宽度为20μm、高度为20μm,除其顶、底壁之外其他材质为聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。
进一步的,所述光导层(4)为多层膜结构,长度为200μm、宽度为20μm,其材料由外至内依次为50nm厚的重掺杂氢化非晶硅、1.5μm厚的本征态氢化非晶硅和25nm厚的碳化硅。
进一步的,采用普通光源,将光线经过光学透镜和平面镜聚焦、反射到所述光导层(4),光照条件下,会在所述光导层(4)表面产生光学虚拟电极,该电极的图案形状可根据实际需求进行设计。
所述第一样本试剂和第二样本试剂分别在外部泵压作用下通过第一样本试剂入口(21)和第二样本试剂入口(31)流进第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3),并同时汇入电渗混合流道(1)。用信号发生器(5)在电渗混合流道(1)的顶、底壁ITO玻璃上加载电信号,使电渗混合流道(1)内产生交流电场,在光照条件下,光生载流子使光导层(4)受光照区域上的局部电导率增加,从而使电渗混合流道(1)内的交流电场具有非均匀性,在光导层(4)上投影产生的光学图案(光斑),即为所述光学虚拟电极,其可根据实际需求进行设计,该光学虚拟电极能够在所述电渗混合流道(1)中诱导产生垂直于样本试剂主流方向的电渗涡流,进而实现两股分层样本试剂流体的混合。
与现有技术相比,本实用新型由于用光学虚拟电极代替传统的物理金属电极,故具有以下优点:
1.结构简单,不依赖复杂的几何结构,直接适用于直通道;
2.由于光导层中的碳化硅薄膜,可极大程度地削弱通道中的水解现象;
3.混合器制造简单、成本低、周期短;
4.完成混合后,可方便地切换成其他功能,使得在同一芯片中集成多种功能成为可能,具有操作灵活的特点。
本实用新型具有设计合理、结构简单、易于加工、操作灵活等特点,因而,具有很好的推广使用价值。
附图说明
下面结合附图对本实用新型进一步说明。需注意的是,根据业界的标准实务,附图中的各特征并未依比例绘示,事实上,为了使讨论更为清楚,各特征的尺寸都可任意的增加或减少。
附图1为一种光诱导电渗流微混合器的结构示意图;
附图2为光导层(4)的结构示意图;
附图3为光导层(4)表面的平面投影图案示意图;
附图4A、图4B和图4C分别为流道内的流线、电势和浓度仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。然而,可以理解的是,实施例提供许多可应用的概念,其可实施于各式各样的特定内容中。所讨论、揭示的实施例仅供说明,并非用以限定本实用新型的范围。
再者,在空间上相对的用语,例如中心、纵、横、上、下、前、后、左、右、顶、底、内、外、竖直、水平、表面等,是为了容易地解释在图示中的一个元件或特征与另一个元件或特征之间的关系。这些空间上相对的用语除了涵盖在图示所绘的方向,也涵盖了装置在使用和操作上不同的方向。这些装置也可被旋转(例如旋转90度或旋转至其他方向),而在此所使用的空间上相对的描述同样也可以有相对应的解释。此外,术语第一、第二、第三等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语安装、相连、连接等应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介相连,也可以是两个元件或特征内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
如附图1所示,为本实用新型提供的一种光诱导电渗流微混合器的结构示意图,其主要包括电渗混合流道(1)、第一样本试剂流道(2)、第二样本试剂流道(3)、光导层(4)和信号发生器(5)。
其中,所述电渗混合流道(1)的一端分别连接第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3),另一端设有混合流体出口(11)。所述第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3)与电渗混合流道(1)呈Y型设置,夹角为60度,但不限于此。所述第一样本试剂流道(2)的端部设有第一样本试剂入口(21),所述第二样本试剂流道(3)的端部设有第二样本试剂入口(31),第一样本试剂和第二样本试剂分别在外部泵压作用下通过第一样本试剂入口(21)和第二样本试剂入口(31)流进第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3),并同时汇入电渗混合流道(1)。
其中,所述第一样本试剂和第二样本试剂的流速相等,均为0.2mm/s。所述第一样本试剂的溶质浓度为1mol/m3,第二样本试剂的溶质浓度为0mol/m3。所述第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3)大小规格相同,长度均为50μm、宽度均为20μm、高度均为8.66μm。所述电渗混合流道(1)、第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3)等宽且位于同一平面上。所述电渗混合流道(1)的长度为200μm、宽度为20μm、高度为20μm。
为了在所述电渗混合流道(1)中产生交流电场,要求所述电渗混合流道(1)的顶、底壁均为透明ITO玻璃,由于ITO玻璃具有良好的透光性和导电性,故可在电渗混合流道(1)的顶、底壁表面加载电信号,即对两ITO玻璃的同侧边缘处进行反应离子刻蚀以连接铜线,使之能够接入所述信号发生器(5),用于提供一定幅值和频率的电压信号,其交流电压的峰值为5V、频率为5Hz,但不以此为限。
其中,所述电渗混合流道(1)、第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3)可以进行同步设计同时采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)微加工工艺进行制作,其是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术,操作范围在微米范围内。
具体地,所述电渗混合流道(1)、第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3)等通道可利用模板热压法或模板浇注法等标准技术制成。
附图2所示为光导层(4)的结构示意图,为了形成微电极,通过等离子体增强化学气相沉淀法在所述电渗混合流道(1)的顶和/或底壁ITO玻璃衬底内侧表面上连续地沉积50nm厚的重掺杂氢化非晶硅(47)、1.5μm厚的本征态氢化非晶硅(46)和25nm厚的碳化硅(45),此多层膜结构即为所述光导层(4)。其中,所述光导层(4)的长度为200μm、宽度为20μm。
需要说明的是,在所述电渗混合流道(1)的顶和/或底壁ITO玻璃衬底内侧表面上沉积所述光导层(4),即在所述电渗混合流道(1)的顶和底壁ITO玻璃衬底内侧表面上沉积所述光导层(4),或者在所述电渗混合流道(1)的顶壁ITO玻璃衬底内侧表面上沉积所述光导层(4),或者在所述电渗混合流道(1)的底壁ITO玻璃衬底内侧表面上沉积所述光导层(4),这三种方式均可实现本实用新型中对光导层(4)的要求。
由于本征态氢化非晶硅(46)具有良好的光敏特性,在非光照条件下,氢化非晶硅作为绝缘体占有较多电势差,使所述电渗混合流道(1)中的电场相当微弱,但在光照条件下,电子空穴对(光生载流子)使氢化非晶硅受光照区域上的局部电导率增加,而变成良好的导体,从而在光照区和暗区产生不同的分压,进而在所述电渗混合流道(1)内产生非均匀电场,此光照区处的光斑(光学图案)即为光学虚拟电极(41、42、43、44),该电极能够在电渗作用下于所述电渗混合流道(1)中诱导产生垂直于样本试剂主流方向的涡流,进而实现两股分层样本试剂流体的混合。同时,碳化硅(45)可以削弱在所述电渗混合流道(1)中发生的水解现象,而重掺杂氢化非晶硅(47)可以减小ITO玻璃衬底与本征态氢化非晶硅之间的接触电阻。
如附图3所示为光导层(4)表面的平面投影图案示意图,光学虚拟电极(41、42、43、44)的形状可以为环状图案,也可以为带状图案等等。应当注意的是,图中投影图案仅为示例,而在实际的操作上,可依据各操作因素来控制光线投射形成对应的图案至光导层(4),且投射至光导层(4)的平面投影图案不以附图3所绘示的图案为限。此外,空间微米光斑的产生有很多手段,一般可采用光学几何透镜、数字微镜器件(Digital MicromirrorDevice,DMD)、发光二极管(Light Emitting Diode,LED)或液晶显示器(Liquid CrystalDisplay,LCD)设备。光源是由可发射出包含可见光波长的发光元件产生,发光元件可以是发光二极管或卤素灯等,此外,光线可通过汇聚、反射等操作投射到光导层(4)表面,还可利用DMD方便的设计投影图案,但不限于此。
附图4A、图4B和图4C则为流道内的流线、电势和浓度仿真图。从图中可以看出,由于光照产生的电子空穴对(光生载流子)使光导层(4)上受光照区域的局部电导率增加,从而在电渗混合流道(1)内产生了非均匀电场,该电场对流体的流动产生了较大的扰动。一方面,两对上下相对的光学虚拟电极(41和44,42和43)之间产生了旋转的涡流,使流体流速在这些涡流之间的对流作用大幅增强。另一方面,由于左右相邻的两对光学虚拟电极(41和42,43和44),使上述涡流紧凑分布,流体流速在这些涡流之间快速增加,提升了流体混合速度。涡流的产生是因为相对的光学虚拟电极(41和44,42和43)之间具备了较大的电势梯度,这种电势梯度证明了产生的电场力可以施加在流道内的流体上,使流道壁面产生电渗速度,进而产生电渗流漩涡,该漩涡起到了很好的混合作用。
通过上面一些具体实施方式,所述技术领域的技术人员可容易的实现本实用新型。但应当理解的是,本实用新型并不限于上述的具体实施方式。在公开的实施方式的基础上,所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征,从而实现不同的技术方案。除说明书所述的技术特征外,均为本专业技术人员的已知技术。
Claims (8)
1.一种光诱导电渗流微混合器,包括电渗混合流道(1)、第一样本试剂流道(2)、第二样本试剂流道(3)、光导层(4)和信号发生器(5)。
2.根据权利要求1所述的一种光诱导电渗流微混合器,其特征在于:所述第一样本试剂流道(2)的端部设有第一样本试剂入口(21),所述第二样本试剂流道(3)的端部设有第二样本试剂入口(31),所述电渗混合流道(1)的一端分别连接第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3),另一端设有混合流体出口(11)。
3.根据权利要求1所述的一种光诱导电渗流微混合器,其特征在于:所述第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3)与电渗混合流道(1)位于同一平面上并呈Y型设置,夹角为60度。
4.根据权利要求1所述的一种光诱导电渗流微混合器,其特征在于:所述第一样本试剂流道(2)和第二样本试剂流道(3)大小规格相同,其长度为50μm、宽度为20μm、高度为8.66μm,材质为聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。
5.根据权利要求1所述的一种光诱导电渗流微混合器,其特征在于:所述电渗混合流道(1)的顶、底壁为透明的铟锡氧化玻璃,并在所述电渗混合流道(1)的顶和/或底壁玻璃内侧表面上连续沉积所述光导层(4)。
6.根据权利要求1所述的一种光诱导电渗流微混合器,其特征在于:所述电渗混合流道(1)长度为200μm、宽度为20μm、高度为20μm,除顶、底壁之外其它材质为聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。
7.根据权利要求1所述的一种光诱导电渗流微混合器,其特征在于:所述光导层(4)为多层膜结构,长度为200μm、宽度为20μm,其材料由外至内依次为50nm厚的重掺杂氢化非晶硅、1.5μm厚的本征态氢化非晶硅和25nm厚的碳化硅。
8.根据权利要求1所述的一种光诱导电渗流微混合器,其特征在于:采用普通光源,将光线经过光学透镜和平面镜聚焦、反射到所述光导层(4),光照条件下,会在所述光导层(4)产生光学虚拟电极,该电极的图案形状可根据实际需求进行设计。
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
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