本實(shí)用新型涉及微型流控芯片和生物芯片中微流體混合技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種被動(dòng)式微混合器。

背景技術(shù)：

微流控芯片是一種以在微米尺度空間對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室的基本功能集成到一個(gè)幾平方厘米芯片上的能力。微流控芯片將傳統(tǒng)生化監(jiān)測(cè)過(guò)程的分離、富集、加樣、混合、檢測(cè)等功能進(jìn)行集成，廣泛應(yīng)用于微量分析化學(xué)、生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。微混合器作為微流控芯片的重要組成部分，憑借其高效快速的混合性能，可以顯著縮短試劑預(yù)處理時(shí)間，提高微流控芯片的分析速度和檢測(cè)效率。微流體微混合器中的微通道尺寸在幾十到幾百微米范圍之間，微通道中的流體通常處于層流狀態(tài)，其混合主要是通過(guò)分子擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于兩股或多股流體混合時(shí)，流體間借助分子擴(kuò)散很難完成充分混合，因此實(shí)現(xiàn)微尺度下實(shí)現(xiàn)流體的高效快速混合非常有必要。

根據(jù)是否有外加能量場(chǎng)，微混合器大致可分為：主動(dòng)式微混合器和被動(dòng)式微混合器兩大類。主動(dòng)式微混合器主要依靠外加擾動(dòng)源促進(jìn)混合，而被動(dòng)式微混合器的混合則主要依靠通道結(jié)構(gòu)對(duì)流層的擾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。雖然主動(dòng)式微混合器的混合較為高效，但其除驅(qū)動(dòng)裝置還需要外加擾動(dòng)源，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易加工和維護(hù)，不利于微流控芯片的集成；被動(dòng)式微混合器則除驅(qū)動(dòng)裝置外不需其它外接設(shè)備，且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、制造工藝簡(jiǎn)化，易于微流控芯片集成，因此在微流控芯片上的應(yīng)用較為廣泛。

為了提高被動(dòng)式微混合器的混合效率，通常使用對(duì)流體進(jìn)行多次分流再聚合的方式來(lái)增加流體間的有效接觸面積，通過(guò)增進(jìn)流體間的有效接觸面積來(lái)提高流體的擴(kuò)散效率，提高混合強(qiáng)度。目前常用的方式有枝狀分流和迭加式分流等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種仿葉脈通道結(jié)構(gòu)被動(dòng)式微混合器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，可通過(guò)多次分流聚合實(shí)現(xiàn)微流控系統(tǒng)中不同微流體混合。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是：一種仿葉脈通道結(jié)構(gòu)被動(dòng)式微混合器，由蓋板和基體組成，在蓋板上蝕刻有入口圓通道和出口圓通道，在基體上刻蝕有入口通道、直通道、仿葉脈通道、出口通道；所述入口圓通道至少兩個(gè)，且入口圓通道與入口通道相通，在仿葉脈通道的左、右兩邊分布有阻擋塊微結(jié)構(gòu)，通過(guò)阻擋塊微結(jié)構(gòu)的阻隔作用使微通道形成相互連通的葉脈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終連接于出口通道，出口通道與出口圓通道相通。

進(jìn)一步，葉脈通道左、右兩邊阻擋塊微結(jié)構(gòu)的尺寸大小、數(shù)量均相同，且各微結(jié)構(gòu)成列狀分布，并在整個(gè)微通道結(jié)構(gòu)中分布有若干列；左、右兩入口通道、直通道、左、右阻擋塊微結(jié)構(gòu)、仿葉脈通道、出口通道均關(guān)于同一中心軸對(duì)稱分布。

本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思為：低雷諾數(shù)下，流體在微通道內(nèi)的流動(dòng)為層流狀態(tài)，混合主要依靠分子擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)，效率較低，為增加混合強(qiáng)度通常采用引入擾動(dòng)的方式強(qiáng)化混合。強(qiáng)化混合的方法主要是通過(guò)破壞層流流動(dòng)來(lái)增強(qiáng)各層流間的摻混。因此，對(duì)于被動(dòng)式微混合器可利用微通道的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)流體的擾動(dòng)增加待混合流體間的接觸面積、碰撞、對(duì)流、拉伸折疊等，以此增進(jìn)流體分子間接觸面積，加快流體分子的擴(kuò)散，強(qiáng)化流體間混合。本實(shí)用新型采用可以產(chǎn)生多次分流、聚合的微通道結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加待混合流體間的接觸面積提高混合強(qiáng)度。

由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本實(shí)用新型具有下述優(yōu)點(diǎn)：

在本實(shí)用新型中，當(dāng)流體由入口通道進(jìn)入混合通道時(shí)，在直通道內(nèi)產(chǎn)生少部分的擴(kuò)散混合，待流體進(jìn)入仿葉脈通道后，一部分待混合流體會(huì)發(fā)生分流，進(jìn)入仿葉脈通道結(jié)構(gòu)被動(dòng)式微混合器的左、右兩部分，并借助微阻擋塊的影響進(jìn)一步分流、聚合，另一部分則沿著微通道的主干道繼續(xù)向前流動(dòng)，由于受主干道錐度的影響，流體在流動(dòng)時(shí)受壓力的影響會(huì)逐漸向左、右兩側(cè)的枝狀通道進(jìn)行擴(kuò)散，由此增大流體間的接觸面積。

在本實(shí)用新型中，借助微通道幾何形狀對(duì)流層的擾動(dòng)強(qiáng)化混合。由于待混合流體在每次分離、聚合時(shí)均會(huì)發(fā)生不同程度的對(duì)流混合，因此，可借助多次對(duì)流混合達(dá)到在不引入復(fù)雜通道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高微混合器的混合強(qiáng)度。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型主體結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖2為基體通道平面結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖3為微通道尺寸示意圖；

圖4為微通道三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5雷諾數(shù)與混合強(qiáng)度關(guān)系曲線示意圖。

圖中:1.蓋板；2.基體；3.左入口圓通道；4.右入口圓通道；5.左入口通道；6.右入口通道；7.直通道；8.仿葉脈通道；9.左邊阻擋塊微結(jié)構(gòu)；10.右邊阻擋塊微結(jié)構(gòu)；11.主葉脈通道；12.左葉脈通道；13.右葉脈通道；14.出口通道；15.出口圓通道。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。

如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型主要結(jié)構(gòu)包括上、下兩部分，上部為微混合器的蓋板1，下部為微混合器的基體2，蓋板1與基體2鍵合在一起；蓋板1上刻蝕有左入口圓通道3、右入口圓通道4和出口圓通道15，基體2上刻蝕有完整的微混合器微通道結(jié)構(gòu)。微混合器的微通道主要由左入口通道5、右入口通道6、直通道7、仿葉脈通道8、出口通道14組成，其中仿葉脈微通道8主要包括左邊阻擋塊微結(jié)構(gòu)9、右邊阻擋塊微結(jié)構(gòu)10、主葉脈通道11、左葉脈通道12、右葉脈通道13；在葉脈通道左、右兩邊的左阻擋塊微結(jié)構(gòu)9和右阻擋塊微結(jié)構(gòu)10成列狀分布，并在整個(gè)微通道結(jié)構(gòu)中分布有若干列；主葉脈通道11、左葉脈通道12、右葉脈通道13分別由左邊阻擋塊微結(jié)構(gòu)9和右邊阻擋快微結(jié)構(gòu)10阻隔得到。

在整個(gè)微通道結(jié)構(gòu)中左入口圓通道3和右入口圓通道4、左入口通道5和右入口通道6、直通道7、仿葉脈通道8、出口通道14均關(guān)于仿葉脈通道8的中心軸對(duì)稱，直通道7的軸線與仿葉脈通道8的軸線共線。

如圖1、圖2和圖3所示，左入口圓通道3、右入口圓通道4貫穿蓋板1和基體2，兩入口圓通道的直徑相等，其值為D₁(100μm≤D₁≤500μm)；左入口通道5和右入口通道6的長(zhǎng)度、寬度均相等，且長(zhǎng)度為L(zhǎng)₁(800μm≤L₁≤1000μm)，寬度與入口圓通道直徑相等為D₁；左入口通道5和右入口通道6之間存在夾角α(20°≤α≤90°)；直通道7連接于入口通道與仿葉脈通道之間，其寬度與左入口圓通道3和右入口圓通道4直徑相等為D₁，長(zhǎng)度為L(zhǎng)₂(500μm≤L₁≤1000μm)；左阻擋塊微結(jié)構(gòu)9和右阻擋塊微結(jié)構(gòu)10中各阻塊的相對(duì)面相互平行，兩相鄰阻擋塊橫向距離為S₁，縱向距離為S₂，且S₂≤S₁(100μm≤S₂≤200μm)；左阻擋塊微結(jié)構(gòu)9、右阻擋塊微結(jié)構(gòu)10與通道邊界壁面存在夾角β(1°≤β≤3°)；主葉脈通道8的寬度由寬到窄漸縮，且相互之間成一定角度θ(1°≤θ≤3°)；出口通道14的長(zhǎng)為L(zhǎng)₃(1000μm≤L₂≤2000μm)，寬為D₂，且D₂＝D₁；出口圓通的15直徑與出口通道14的寬度相等，為D₂。

本實(shí)施例中一種仿葉脈通道結(jié)構(gòu)被動(dòng)式微混合器工作時(shí)，兩種不同的流體通過(guò)左入口圓通道3和右入口圓通道4分別進(jìn)入左入口通道5和右入口通道6，兩入口通道連通直通道7，當(dāng)兩入口通道內(nèi)的流體進(jìn)入直通道7內(nèi)時(shí)會(huì)完成少部分?jǐn)U散混合，在流體進(jìn)入仿葉脈通道8時(shí)，一部分待混合流體會(huì)發(fā)生分流，分別進(jìn)入左葉脈通道12和右葉脈通道13，另一部分則繼續(xù)沿著微通道的主葉脈通道8繼續(xù)向前流動(dòng)，由于會(huì)受到主葉脈通道錐度θ的影響，導(dǎo)致主葉脈通道內(nèi)的壓強(qiáng)逐漸增加，使得主葉脈通道8內(nèi)混合液體絕大部分都進(jìn)入左、右兩側(cè)的葉脈通道中參與進(jìn)一步的混合；進(jìn)入左葉脈通道12和右葉脈通道13中的混合液體會(huì)分別受到左阻擋塊微結(jié)構(gòu)9、右阻擋塊微結(jié)構(gòu)10的分流作用，產(chǎn)生更多的支流，流體間具有更多的接觸面積；在各支流聚合時(shí)，相互聚合的支流間會(huì)產(chǎn)生對(duì)流作用，這種對(duì)流作用會(huì)加快混合的進(jìn)行；兩側(cè)葉脈通道內(nèi)的混合液體分別匯聚于最外側(cè)邊界通道內(nèi)，與主葉脈通道8內(nèi)剩余的液體形成三股射流進(jìn)入到出口通道14前的空腔內(nèi)，借助射流成渦效應(yīng)再次加劇混合的進(jìn)行，最終完成混合的液體進(jìn)入出口通道14，從出口圓通道流出，完成整個(gè)混合過(guò)程。

實(shí)例1：利用COMSOL軟件針對(duì)兩種不同組分的液體A、B的混合進(jìn)行仿真，采用可溶性色素與去離子水混合溶液(DI water，密度ρ＝998kg·m^-3，動(dòng)力粘度系數(shù)μ＝1.002×10^-3N·s/m^-2，擴(kuò)散系數(shù)D＝3.23×10^-10m²·s^-1，運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)ν＝1.003×10^-6m²·s^-1)作為流體A，去離子水作為流體B，混合器的模型為三維，如圖4所示。模擬設(shè)定流體為穩(wěn)態(tài)、定常流動(dòng)，無(wú)滑移邊界條件，待混合液體在求解中處于層流狀態(tài)，忽略重力影響，流體為不可壓縮牛頓流體，通過(guò)觀察速度的方向確定兩股流體的流向，通過(guò)監(jiān)測(cè)混合后出口平面上的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化判斷混合狀況。

對(duì)給定一組尺寸的微混合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真，得到混合強(qiáng)度與雷諾數(shù)的大小關(guān)系曲線，如圖5所示。

造成微流體在不同雷諾數(shù)下混合不均勻的主要原因是低流速，因此評(píng)價(jià)一個(gè)微混合器是否設(shè)計(jì)合理及是否具有使用價(jià)值時(shí)，可以通過(guò)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：低流速下的混合效果以及大雷諾數(shù)范圍的混合強(qiáng)度。通過(guò)COMSOL仿真低流速下仿葉脈通道結(jié)構(gòu)被動(dòng)式微混合器得混合強(qiáng)度證明其可行性。

混合強(qiáng)度是仿葉脈通道結(jié)構(gòu)被動(dòng)式微混合器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，通常用出口截面上組分濃度方差對(duì)混合進(jìn)行數(shù)值化評(píng)定。多分支通道對(duì)微流體的分流，在很大程度上增加了流體間的接觸面積，增大了流體分子的擴(kuò)散速率，加快了混合的進(jìn)行；分流、聚合時(shí)的對(duì)流作用，對(duì)混合的進(jìn)行起到了積極的作用。仿葉脈通道結(jié)構(gòu)被動(dòng)式微混合器的結(jié)構(gòu)尺寸及入口速度等條件對(duì)混合強(qiáng)度的大小均有不同程度的影響。

以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入本實(shí)用新型要求保護(hù)的范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。