TWI268804B - The impinging micromixer with swirling inlet ports - Google Patents

Description

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五、發明說明（1) 【技術領域】 在低雷諾數的微型流體通道中，將兩種或兩種以上不 同成分的流體進行有效的混合，是一項關鍵性的技術。這 不僅要克服流體在微型通道中的流動阻力，更得在層流的 低速條件下’導引不同流體增加接觸面積以達到完全混 合。 & 【先前技術】 微混合器（micromixer)在目前的生化檢測科技應 相當廣泛，如環境污染監測，新藥開發以及檢體前處理 ，。流體在微通道（microchannel )中進行混合時，主 文到黏滯阻力以及不同成分流體間交互作用的影變者 大。 曰田 關於不同流體間的混合，與流體的慣性力以及黏滯阻 力有很密切的關係，當流體受到較大的慣性影響或較小 黏滯阻力時，流場處在紊流（turbulence f l〇w )狀熊， 流場由於時間與空間的擾動進行混合。反之，當流體、受到 較小的慣性影響或較大的黏滯阻力時，流場呈現層流 (lannnar flow)狀態，這時很難有混合發生，唯有辦 不同流體間的接觸面積來達到混合，諸如由擴散效應或加 入促使流體進行橫向或螺旋狀流動（transverse 〇r i c a 1 > f 1 〇 w )的擾動因子，增加流體間的拉伸與摺疊 應這些現象可以藉由雷諾數（Reynolds number)來作 簡單的分野 # 1268804 五、發明說明（2) μ 長度’ //為勘滯 蒼流流場，Re < 應使得流動為低雷 影響相當大，諸多 控制流體成分的擴 進行橫向或螺旋狀 子或帶電離子當作 "ί亍橫向運動，可以 雜，設計製作相當 其中Ρ與ν分別為密度與速度，1為特徵 度。一般在管流中，當Re-2300時為一 2 3 〇 〇則為層流流場。 當流體在微通道中，由於微尺度效 諾數之層流狀態，流動阻力也因黏滯度 文件顯示欲將不同成分流體混合，除了 散係數外，唯有在流場中加入促使流體 W動的因子，諸多文件顯示加入磁性粒 撥摔子’再外加磁場或電場促進流體進 達到混合效果，但這類流場組成較為複 不易。 一種先前技術之微型通道顯示於第一圖（WO pat No· 03/0 1 1 443 A2)，此前技術為促使通道中流體進行橫 向或螺旋狀流動，在微型通道壁面上，加入不同角度、不 同型式與組合的鑛齒狀溝槽，當流體因壓力驅動而流經溝 槽表面時’流體受一側向力影響而產生混沌流 (chaotic trajectries )，側向的擴散效應也因而加 強，有效縮短了混合長度，但是此先前技術之溝槽分佈密 度相當高，製作起來較為困難。. 另一種先前技術之微型通道顯示於第二圖（w〇 Pat· Ν〇· 03/050034)，此前技術讓流體流經兩個混合區。當流

1268804 五、發明說明（3) 體先行進入入口（ 2 1 )及（2 2 )的次混合器進行一次混合後， 再到集合點（2 3 )相互衝擊做二次混合，此一技術的優點在 於增加了流體接觸壁面的區域，也因此有較大的剪面積產 生在流體的混合容積内，得以有較佳的層狀破壞，但是此 先前技術限制雷諾數控制在大於1以上，較不適用於生化 檢測之應用。 【内容】 本發明是使用邊壁上的微結構、側向流入方式、勞倫 斯電磁力（Lorentz electromagnetic force)或是電泳 (capillary electrophoresis)驅動的方式，驅動入口流 道内的流體產生渦旋流動，兩個不同入口流道内的流體可 有不同的渦旋頻率。此種渦旋運動的流體，進入混合腔 内，可增加流體的摺疊效應、拉伸效應和接觸面積，因而 可有效縮短混合長度，增進混合效益。 【實施方法】 第一圖的發明是一個微混合器，在流道上有不同幾何 結構的溝槽，此發明是針對混合裝置與混合方法來影塑多 種流體之行經路線，此裝置的混合作用是藉由在流道内的 流場上增加一個橫向流的構成要素，並無需要利用到流體 的主動混合元素。此流體的橫向流或螺旋狀流之構 = 可以由流道壁面的幾何形狀來產纟，例如在橫向 素可以由第一圖的流道溝槽產生。此發明藉由在流道表面

1268804 五、發明說明（4) " -------- 上的㊁何形狀來產生渾沌流，如此以增強混合效率。 i隹入人一圖混合器之發明結合了多重的流道，當流體先行 ▲ fJ^9QW 及（22)的次混合器進行一次混合後，再到集 T 目互衝擊做二次混合，此一技術的優點在於增加 騁：Ί ?壁面的區域，也因此有較大的剪面積產生在流 一、此β谷積内’得以有較佳的層狀破壞。且次混合器的 ，一定是要線性的或是直的，也可以是車輪狀的，藉 夕固的_人/扣合器可以減少流體在主混合器的混合不均勻 第二圖顯不渦旋衝擊式的微流體混合器，此種裝置的 貝施通常是以針筒式注入式幫浦或蠕動式幫浦，將至少兩 種以上的流體注入混合器的入口流道（3丨）。針筒式注入式 幫浦採用差壓式原ί里，如無借助其他方法，僅能產生軸向 流動，不會有渦漩式流動。因而在入口流道（31)中，藉由 各種驅動方法，產生侧向運動，使流體實際上產生螺旋狀 的渦漩運動，此運動在—位置上的截面（34)，可顯示出流 體繞流道中心旋轉流動是現象。流體旋轉的速度愈快，即 流體繞中心運動的頻率愈快，代表渦漩強度愈強。螺旋狀 的渦旋運動的能量與驅動其產生的力量有關。如果使用微 結構驅動或侧向進入驅動，渦旋強度愈強，壓力的損失愈 大；如果使用電泳或電磁力驅動，外加能量愈大，渦漩強 度愈強。 入口流道（31)和入口流道（32)内，作渦漩狀流動的流 體流入混合腔（33)内，可有效增加流體的摺疊效應和拉伸

第13頁 1268804 五、發明說明（5) 效應，提高混合的效率；另一個可降低混合長度的效應， 是來自流體作渦旋運動時，在混合腔内實際運動的距離將 遠高於混合腔的長度，增加兩種流體間的接觸時間，此種 效應將有助於降低混合長度。入口流道（31 )和入口流道 (3 2 )以及混合腔（3 3 )的截面流動圖（（3 4 )、（ 3 5 )和（3 6 ))顯 示流體流動的流線，流動的方向可為順時鐘或反時鐘方 向。在入口流道（31)和入口流道（3 2)以及混合腔（33)中流 體旋轉的頻率不一定一樣。 第一種實施例顯示於第四圖，流道底部有特殊形狀微 結構時的渦璇衝擊式的微流體混合器。入口流道㈠i 和混合腔（43)的底部有特殊形狀的微結構（45、46、ο 可使其内的流體產生特殊方向的渴璇運動。此種方法可使 流體在極小的壓力損失下即可獲得良好的 道底部的微結構的剖面顯示在第五圖和第六圖果^ = 中的微流道（51)其高度為h^m，其底部凹 j圖 的高度I h，通常r的值介於^至^ =3(52) 顯’太大壓力損失過大。凹槽的底部長 效應不明 頂部長度為，“。b的數值在數微米：數：平：：的 弟六圖所顯示的微流道（61)與第五十从/卡之間。 其微結構是突起的。微流道（61)其高产Ah不同處，是 J的if構(62)的高度為…通常;：值：，其:部突 數值在，微米到數十微米之間。 又扪為，a*b的 微流道底部的微結構的上視 貞不在弟七圖、第八圖 第14頁 1268804 、發明說明 和第九圖中。在第七圖中的微流道（7 1 )的上視圖中，流道 底部是不斷重複的傾斜式微結構（7 2)所構成。在第八圖中 的微流道（81 )的上視圖中，流道底部是不斷重複的v型微 結構（82)所構成。在第九圖中的微流道（91)的上視圖中， 流道底部是不斷重複的W型微結構（9 2 )所構成。傾斜式微 結構會產生單一氣泡式的流場；V型微結構可產生兩個旋 轉方向相反的氣泡式的流場；w型則可產生4個流動複雜氣 泡式的流場，氣泡式流場的數目愈多，壓力損失愈大。各 種形狀的微結構的選擇視應用而定。特殊形狀的微結構， 並不一定限於微流道的底部，在微流道的兩邊側璧和頂部 亦可製作特殊形狀的微結構。 第二種實施例顯示於第十圖，此種形式是使用偏心側 向進入的方法，使流體從側向入口（ 1 0 2 )進入主流道 (1 〇 1)’由於流體不是對著流道中心進入，因為流體慣性 的關係’流體在主流道（i 〇丨）會產生渦旋流動的狀態。 ，第三種實施例顯示於第十一圖，此種方式較為複雜， f ¥流體中都會有帶電的離子，因此可利用外加磁場和電 Μ ’使用勞儉斯電磁力的方式驅動流體產生側向流動。在 此種樣式中，流體通常有一對以上的電極，在本例中則使 用兩組電極，在上電極組中，正電極（114)經過導線（Π 8) 接到電源的正極，負電極（丨丨3)經過導線（丨丨7)接到電源的 、]°當電流從正電極往負電極流過，電流的方向與外加 p磁場（11 9 )垂直，使用安培右手定則，五指方向代表磁 琢方向’姆指方向代表電流方向，手心即是流體受力方

第15頁 !2688〇4 五、發明說明（7) 向。在下電 電極組的方 的力距，使 電磁力的方 進而產生旋 璧骏置一對 幫浦注入流 入電場，即 渦漩衝 —種實施例 圓上，在一 佈一層正光 構’顯影去 $合電漿蝕 化石夕上塗佈 影去除光阻 水餘刻機餘 微結構的高 Pyrex 7740 得到微流體

且：女排中，正負極⑴1、112)的方向歲 :相反，上下電極，因而施加於流體一逆::上 體時鐘的旋轉運動。此外類似勞：J 轉效應’此種結構亦相當簡 5， :『至於机體別進方向，當針筒式注 -產生軸向上的運動，在此 : 可產生側向的速度。 按上罨源，加 擊式的微流體混合器的製程有幾種方法。 ，例說明。第一種方法是將微結構製作在矽， 片空白的矽晶圓上先長一層二氧化矽，； 阻’以黃光微影製程定義出底部特殊的士，、 除光阻’再以_去除二氧化石夕，然後以電° 刻機蝕刻20〆^。重新長一層二氧化矽’在2 一層光阻，在特殊微結構上定義出微流道，顯 ’再以ΒΟΕ去除二氧化矽，然後以電感偶合電 刻80/im，即可得到主流道的高是8〇/^，底邙 是20 //m的微流道結構。以已鑽完進出入孔··的° 玻璃與做完微流道的矽晶圓作陽極接合，即 混合器的成品。 第二種製作方法’先在石夕晶圓上塗佈—層AZ462〇的光 阻，控制旋轉塗佈平台的轉速，在1 0 0 0轉的情形下可得大 約15 /zm的厚度’以黃光製程定義出特殊微結構的相反^ 案，然後以PDMS(polydimethylsiloxane)翻製此圖案。再

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五、月片矽晶圓，塗佈適當厚度的SU-8光阻，以黃光製浐 義出微流道，顯影去除非微流道部分，再以PDMS材^ ，可得凹型的微流道結槿。腺此.，…i、. μ +翻 以 義出微流一 ......，/「微肌遣邵分，再以PDMS材粗如 以 氧了：：型的微流道結構。將此片有微流道結構= 對準=7可得到微流器：：:，在顯微鏡下 施例中需要二2: 2程與上述過程大致相同。第三個實 或電鑄製程才行。。，必須外如一道以上的金屬化製程

第17頁 1268804 圖式簡單說明 圖示簡單說明： 第一圖·.表面溝槽混合器 第二圖：衝擊式γ型混合器 第三圖：漩渦衝擊式混合器 第四圖：底部壁面有微結構的漩渦對衝式混合器 第五圖：凹型微結構 第六圖：凸型微結構 第七圖：傾斜式的微結構 第八圖：v型微結構 第九圖：W型微結構 第十圖：側向進口型式的微流道 第十一圖：以磁力驅動二次流產生的微流道 圖示符號說明： 先前技術一之圖號說明（第一圖） 11 …混合裝置 12 …流道 13…溝槽 14…角度 先前技術一之圖號說明（第二圖）

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1268804 圖式簡單說明 2 1、2 2 …微流道入口 23 …進行二次混合處 本創作之圖號說明（第三圖） 3 1、3 2 …微流道入口 33 …混合腔 34、35、36 …流體的流線示意圖 創作之圖號說明（第四圖） 41、4 2 …微流道入口 43 …混合腔 44、45、46 …微流道壁面上的微結構 本創作之圖號說明（第五圖） 51 …微流道 52 …凹型微結構 本創作之圖號說明（第六圖） 61 …微流道

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1268804 圖式簡單說明 62 …凸型微結構 本創作之圖號說明（第七圖） 71 …微流道 72 …斜型微結構 本創作之圖號說明（第八圖） 81 …微流道 82 …V型微結構 本創作之圖號說明（第九圖） 91 …微流道 92 …W型微結構 本創作之圖號說明（第十圖） 101 …微流道 102 …側向流體入口 本創作之圖號說明（第十一圖）

第20頁 1268804 圖式簡單說明 111、 113 …負電極 112、 114 …正電極 115、 117 …負極接線 116、 118 …正極接線 119 …外加磁場

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Claims (1)

1268804 修正 補斧曰 六、申請專利範圍 1. 一種渦漩對衝式之微流體混合器，包含： 至少兩個流體入口流道；以及 一混合腔，連接於至少兩個流體入口流道會合處構 成一單一流道。 2. 如申請專利範圍第1項所述之微流體混合器，其中該入 口流道的邊壁上有特殊形狀的微結構。 3. 如申請專利範圍第1項所述之微流體混合器，使用偏心 側向進入方式，使流體產生渦旋運動。 4. 如申請專利範圍第1項所述之微流體混合器，使用勞倫 斯電磁力的方式，使流體產生滿旋運動。 5. 如申請專利範圍第1項所述之微流體混合器，使用電泳 驅動的方式，使流體產生渦旋運動。 6. 如申請專利範圍第1項所述之微流體混合器，其中該混 合腔可以是可產生渦漩運動式或是不產生渦漩運動式。 7. 如申請專利範圍第1項所述之微流體混合器，其中該流 道的高度和寬度，在數十微米到數百微米之間。 8. 如申請專利範圍第1項所述之微流體混合器，其中該流 道的長度，在數厘米到數公分之間。 9. 如申請專利範圍第2項所述之微流體混合器，其在入口 流道邊壁上有特殊形狀的微結構，可以是凸起或是凹下的 形狀。 1 0.如申請專利範圍第2項所述之微流體混合器，其在入口 流道邊壁上有特殊形狀的微結構，尺寸小於1 0 0微米。 11.如申請專利範圍第2項所述之微流體混合器，其在入口

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