專利名稱：交叉導(dǎo)流式微型靜態(tài)混合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流體化學(xué)分析系統(tǒng)器件，特別涉及一種交叉導(dǎo)流式微型靜態(tài)混合器。
背景技術(shù)：
微流體系統(tǒng)可以被定義為處理微升以至納升級(jí)流體的MEMS系統(tǒng)。微流體化學(xué)分析系統(tǒng)具有如下的優(yōu)點(diǎn)較短的響應(yīng)時(shí)間、較少的試劑和試樣消耗量、易于小型化和自動(dòng)化，效率高等特點(diǎn)。微化學(xué)分析系統(tǒng)的功能包括取樣、預(yù)處理、混合、化學(xué)反應(yīng)、分離、后處理和識(shí)別等?；旌咸幚淼哪康氖怯脕斫档头蔷鶆蛐裕缬糜谙♂?，或者用來強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)速率，因此實(shí)現(xiàn)快速而高效的混合是非常重要的。
根據(jù)混合理論，產(chǎn)生混合的主要原因是由于流場(chǎng)的對(duì)流作用而形成的不同流體之間相對(duì)位置的重新分布，從而導(dǎo)致各種流體相互混雜的過程；同時(shí)在分子尺度，由于分子的布朗運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生擴(kuò)散作用，驅(qū)動(dòng)流體分子從濃度高處向濃度低處擴(kuò)散，促使流體達(dá)到分子級(jí)均勻混合。
對(duì)于微流體系統(tǒng)，由于尺度的限制，使用現(xiàn)有的微加工技術(shù)，難于采用具有可動(dòng)部件的旋轉(zhuǎn)攪拌結(jié)構(gòu)，同樣也難于加工出類似于常規(guī)靜態(tài)混合器形式的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。而且對(duì)于微流體系統(tǒng)而言，它的流量屬于微升甚至納升級(jí)，體積小，速度低，屬于小雷諾數(shù)流動(dòng)，若無強(qiáng)烈的外加擾動(dòng)，流體保持層流狀態(tài)。因此在微尺度條件下，為達(dá)到分子級(jí)均勻混合的目的，微型混合器的設(shè)計(jì)應(yīng)加強(qiáng)分子擴(kuò)散作用。因此目前國內(nèi)外研究的靜、動(dòng)態(tài)微型混合器，主要是利用增強(qiáng)分子擴(kuò)散作用的原理，通過流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械的或其他方式的擾動(dòng)增加不同液體之間的接觸面積，減小流體元的體積，達(dá)到實(shí)現(xiàn)混合的目的。
理想的微型混合器應(yīng)具有如下特點(diǎn)快速、流量可調(diào)、體積小、濃度可調(diào)、易于集成。現(xiàn)有的微型混合器，由于加工工藝的限制，多數(shù)是平面結(jié)構(gòu)，例如利用多個(gè)交叉微管道組成的微型混合器，這樣的微型混合器占用空間大，效率較低；其他的還有采用復(fù)雜的加工工藝，例如借助壓電晶體薄膜，同時(shí)施加交變電場(chǎng)產(chǎn)生超聲振動(dòng)來混合；或采用同時(shí)施加電場(chǎng)和磁場(chǎng)，通過洛侖茲力對(duì)電解質(zhì)的作用而達(dá)到混合的目的，這樣的結(jié)構(gòu)不僅占用空間大，而且加工復(fù)雜，難于集成，成本也較高。靜態(tài)混合器由于不需要運(yùn)動(dòng)部件，混合也不是通過外來攪動(dòng)完成，而是利用液體流過混合單元時(shí)產(chǎn)生的自然運(yùn)動(dòng)，因此開發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工的微型靜態(tài)混合器對(duì)于微化學(xué)分析系統(tǒng)的實(shí)用化進(jìn)程有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明的目的在于提供適用于微化學(xué)分析系統(tǒng)的快速而高效的一種交叉導(dǎo)流式微型靜態(tài)混合器。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是它包括在第一塊基體的一個(gè)表面上刻蝕有一端分別第一、第二輸入口相連通的輸入管道、兩個(gè)輸入管道相交處連接上部混合腔，上部混合腔內(nèi)的兩側(cè)依次有呈周期交叉排列、而槽又相連通的導(dǎo)流塊，上部混合腔的另一端接輸出口，在第二塊基體的一個(gè)表面上刻蝕有下部混合腔，下部混合腔內(nèi)的兩側(cè)有與第一塊基體相同尺寸的、依次有呈周期交叉排列、而槽又相連通的導(dǎo)流塊，兩塊基體的刻蝕面相互鍵合，兩層導(dǎo)流塊相接觸形成封閉的三維管道。
在上部混合腔和下部混合腔內(nèi)每一塊導(dǎo)流塊與壁面的夾角為30°～60°，導(dǎo)流塊在混合腔橫截面方向上的投影長度m與混合腔寬度n之比為0.5～0.8。
所說的基體材料為有機(jī)玻璃或晶體硅或玻璃或陶瓷或硅橡膠。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是通過在管道內(nèi)設(shè)置交替排列的導(dǎo)流塊，可以在流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生剪切流和延伸流，增加不同流體間的界面面積，加強(qiáng)分子擴(kuò)散作用，最終實(shí)現(xiàn)分子級(jí)的均勻混合。本發(fā)明提供的微型靜態(tài)混合器，由多個(gè)混合單元組成，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，選擇不同數(shù)目的混合單元。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易集成、加工工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，特別適用于微化學(xué)分析系統(tǒng)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2為上基體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為下基體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖1的D局部放大圖；圖5為圖1C-C的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1、圖2、圖3所示，它包括在第一塊基體A的一個(gè)表面上刻蝕有一端分別第一、第二輸入口1相連通的輸入管道2、兩個(gè)輸入管道2相交處連接上部混合腔6，上部混合腔6內(nèi)的兩側(cè)依次有呈周期交叉排列、而槽又相連通的導(dǎo)流塊4、5，上部混合腔6的另一端接輸出口3，在第二塊基體B的一個(gè)表面上刻蝕有下部混合腔7，下部混合腔7內(nèi)的兩側(cè)有與第一塊基體A相同尺寸的、依次有呈周期交叉排列、而槽又相連通的導(dǎo)流塊4′、5′，兩塊基體A、B的刻蝕面相互鍵合，上層的導(dǎo)流塊4、5和下層的導(dǎo)流塊4′、5′在端部有一定的接觸8，兩層導(dǎo)流塊相接觸形成封閉的三維管道。
如圖4、圖5所示，在上部混合腔6和下部混合腔7內(nèi)，每一塊導(dǎo)流塊與壁面的夾角α為30°～60°，導(dǎo)流塊在混合腔橫截面方向上的投影長度m與混合腔寬度n之比為0.5～0.8。
當(dāng)流體進(jìn)入混合腔后，由于上下導(dǎo)流塊的作用，上層流體要繞過上層的導(dǎo)流塊4、5，下層流體也要繞過下層的導(dǎo)流塊4′、5′，于是上層流體的流動(dòng)方向與下層流體的流動(dòng)方向不同，形成交叉，產(chǎn)生剪切流；同時(shí)由于混合腔內(nèi)通流面積的周期性變化，可以產(chǎn)生延伸流；由此達(dá)到減小流體元的體積和增加不同流體間的界面面積的目的，加強(qiáng)分子擴(kuò)散作用，最終達(dá)到高效而快速的分子級(jí)混合。導(dǎo)流塊與中心線成一定角度，且偏向流動(dòng)方向，因此導(dǎo)流塊不會(huì)引起過大的壓力降；當(dāng)流體進(jìn)入混合腔內(nèi)，導(dǎo)流塊就對(duì)流體起導(dǎo)向的作用。
本發(fā)明提供的微型靜態(tài)混合器，采用基于平面刻蝕加工工藝為基礎(chǔ)的三維結(jié)構(gòu)加工技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種交叉導(dǎo)流式微型靜態(tài)混合器，其特征在于它包括在第一塊基體(A)的一個(gè)表面上刻蝕有一端分別第一、第二輸入口(1)相連通的輸入管道(2)、兩個(gè)輸入管道(2)相交處連接上部混合腔(6)，上部混合腔(6)內(nèi)的兩側(cè)依次有呈周期交叉排列、而槽又相連通的導(dǎo)流塊(4、5)，上部混合腔(6)的另一端接輸出口(3)，在第二塊基體(B)的一個(gè)表面上刻蝕有下部混合腔(7)，下部混合腔(7)內(nèi)的兩側(cè)有與第一塊基體(A)相同尺寸的、依次有呈周期交叉排列、而槽又相連通的導(dǎo)流塊(4’、5’)，兩塊基體(A、B)的刻蝕面相互鍵合，兩層導(dǎo)流塊相接觸形成封閉的三維管道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交叉導(dǎo)流式微型靜態(tài)混合器，其特征在于在上部混合腔(6)和下部混合腔(7)內(nèi)，每一塊導(dǎo)流塊與壁面的夾角α為30°～60°，導(dǎo)流塊在混合腔橫截面方向上的投影長度m與混合腔寬度n之比為0.5～0.8。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交叉導(dǎo)流式微型靜態(tài)混合器，其特征在于所說的基體材料為有機(jī)玻璃或晶體硅或玻璃或陶瓷或硅橡膠。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種交叉導(dǎo)流式微型靜態(tài)混合器。在第一塊基體上刻蝕有一端分別第一、第二輸入口相連通的輸入管道、兩個(gè)輸入管道相交處連接上部混合腔，上部混合腔內(nèi)的兩側(cè)依次有呈周期交叉排列、而槽又相連通的導(dǎo)流塊，上部混合腔的另一端接輸出口，在第二塊基體上刻蝕有下部混合腔，下部混合腔內(nèi)的兩側(cè)有與第一塊基體相同尺寸的、依次有呈周期交叉排列、而槽又相連通的導(dǎo)流塊，兩塊基體的刻蝕面相互鍵合，形成封閉的三維管道。它利用周期排列的導(dǎo)流塊，在流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生剪切流和延伸流，增加不同流體間的界面面積，同時(shí)加強(qiáng)分子擴(kuò)散作用，達(dá)到實(shí)現(xiàn)快速而高效的混合的目的。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易集成、加工工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，特別適用于微化學(xué)分析系統(tǒng)。
文檔編號(hào)B01F13/00GK1542429SQ200310108539
公開日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2003年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月6日
發(fā)明者傅新, 劉素芬, 謝海波, 楊華勇, 傅 新 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)