一種對(duì)稱橢圓弧擋板的十字微混合器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物芯片和微全分析系統(tǒng)中液體微混合的技術(shù)領(lǐng)域，具體是基于分離重組和附壁效應(yīng)的被動(dòng)式微混合器，實(shí)現(xiàn)微尺度下不同液體的快速混合。
【背景技術(shù)】
[0002]微流體系統(tǒng)是微電子機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，微流控系統(tǒng)是微流體系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，可將傳統(tǒng)生化監(jiān)測(cè)過程的分離、加樣、混合、反應(yīng)、監(jiān)測(cè)等功能在芯片上得以實(shí)現(xiàn)。微混合器作為微流控系統(tǒng)的重要組成部分，憑借其高效快速的混合性能，被越來越多的應(yīng)用于生物分析、化學(xué)合成、藥物篩選和臨床測(cè)試等領(lǐng)域。對(duì)于兩股或多股流體的化學(xué)反應(yīng)，必須解決它們之間的有效混合問題，因而微混合器是微流控中的重要組成部分。由于微流控芯片流道的尺寸在微米量級(jí)，流動(dòng)通常處于層流狀態(tài)，流體間難以充分混合，因此實(shí)現(xiàn)微尺度下流體的快速混合非常重要。
[0003]按照混合過程的原理，微混合器一般分為弱化層流型和強(qiáng)化層流型兩種。而弱化層流型又分為被動(dòng)式和主動(dòng)式微混合兩種。主動(dòng)式是通過外部對(duì)混合器施加影響促進(jìn)混合，而被動(dòng)式是在流體內(nèi)部采取強(qiáng)化措施，即借助改變或布置不同形狀和結(jié)構(gòu)的微流道來控制混合過程，如開槽流道、流體分層流(在流道中加障礙物)、蛇形流道、誘發(fā)混沌對(duì)流等。相比前者而言，被動(dòng)式微混合器不需要添加額外的設(shè)備，易于加工，使用更為方便。而在加強(qiáng)被動(dòng)式微混合器中流體擴(kuò)散和混合的方法上，優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化混沌對(duì)流是目前被公認(rèn)的最佳選擇。
[0004]目前，微流體混合器中的微流道的尺寸在幾十到幾百微米的范圍內(nèi)，微流道中液體的雷諾數(shù)很小以至于沒有渦流產(chǎn)生，液體間的混合以分子擴(kuò)散為主，使得混合時(shí)間相比宏觀情況大大延長(zhǎng)且混合效果差，因此必須采取特殊的方式來增加液體間的接觸面積或者增強(qiáng)對(duì)流以提高混合效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能提高混合效率的對(duì)稱橢圓弧擋板的十字型微混合器，其加工便易，可實(shí)現(xiàn)在生物芯片或微全分析系統(tǒng)中不同液體之間的快速均勻混合，強(qiáng)化混合效果，縮短混合時(shí)間。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:包括一個(gè)流道出口以及密合在一起的蓋板和基體，蓋板和基體之間設(shè)置一個(gè)十字形流道、一個(gè)收縮流道和多個(gè)混合單元，一個(gè)混合單元由依次連接的一個(gè)狹窄直流道、一個(gè)橢圓流道和布置在該橢圓流道內(nèi)的一個(gè)橢圓弧擋板組成；收縮流道、狹窄直流道以及橢圓流道的長(zhǎng)軸共一個(gè)中心軸，每個(gè)混合單元均關(guān)于中心軸對(duì)稱分布；多個(gè)混合單元依次串接于收縮流道和流道出口之間，其中的最后一個(gè)混合單元的橢圓流道出口寬度與流道出口的寬度相同，其余混合單元的橢圓流道出口寬度均與狹窄直流道出口寬度相同；十字型流道出口連接且連通收縮流道入口，收縮流道出口連接且連通第一個(gè)混合單元的狹窄直流道入口 ；橢圓弧擋板的凹面正對(duì)著橢圓流道入口，橢圓弧擋板的凸面與橢圓流道的橢圓短軸相切，橢圓弧擋板的弧角外邊緣與橢圓流道內(nèi)壁之間具有間隙。
[0007]十字形流道上布置一個(gè)主流道入口和兩個(gè)副流道入口，主流道與副流道呈十字形垂直相交，十字形流道出口布置在主流道上，主流道中心位于中心軸上。
[0008]十字型流道的主流道寬度Dl等于副流道的寬度D2的兩倍，200 μ m<Dl<400 μ m，主流道的長(zhǎng)度LI為Dl的2.5倍，副流道的長(zhǎng)度L3等于LI，副流道的與收縮流道之間最短的距離L2=2 X (Dl);橢圓弧流道的短軸半徑Rl= (Dl)/2，長(zhǎng)軸半徑為R2，(Dl)/2<R2 ( Dl ;狹窄直流道的寬度D3= (Dl)/4，兩個(gè)橢圓流道中心點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)4，300 ym〈L4〈400 μπι;，橢圓弧擋板的厚度D4=(Dl/8)，橢圓弧擋板的橢圓弧的包角為β，60° <β<90°。
[0009]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后具有下列優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明能使流體在通過狹窄直流道后形成射流，使流體流速增加，增加流體的雷諾數(shù)。射流沖擊橢圓弧擋板，由于橢圓弧擋板的特殊結(jié)構(gòu)，流體沿橢圓弧擋板流動(dòng)，與來流形成對(duì)流，增加流體間的擾動(dòng)。當(dāng)流體流過橢圓弧擋板時(shí)，會(huì)在橢圓弧擋板的凸面形成附壁流動(dòng)，出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，有效提高不同液體之間的混合強(qiáng)度。流體經(jīng)過聚合、分離、成渦，依次循環(huán)進(jìn)行，可以更加有效的接觸混合；通過簡(jiǎn)單的流道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了渦系的疊加和強(qiáng)化，從而增加了流體的接觸面積，使得混合效果獲得顯著提高。
[0010]2、本發(fā)明在主流道上等距布置對(duì)稱分離重組流道，借助微混合流道幾何形狀變化和流體流動(dòng)特性來加大擾動(dòng)，即在二維度平面內(nèi)增加擾流度，大大提高了平面式被動(dòng)微混合器的混合效果，實(shí)現(xiàn)微尺度下流體的快速混合。
[0011]3、本發(fā)明通過提高混合工質(zhì)對(duì)流強(qiáng)度，使流體在流道內(nèi)形成旋渦，從而增大混合工質(zhì)的接觸面積以達(dá)到提高混合效果的目的，可以在流道長(zhǎng)度較短的條件下得到較高的混合效果。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖2為圖1中A-A剖視圖；
圖3為圖2中十字型進(jìn)口流道的結(jié)構(gòu)放大示意圖；
圖4為圖2中混合單元的幾何結(jié)構(gòu)放大示意圖；
圖5為本發(fā)明中流體流動(dòng)原理示意圖。
[0013]圖中:1、主流道入口 ；2、副流道入口 ；3、蓋板；4、收縮流道；5、狹窄直流道；6、橢圓流道；7、橢圓弧擋板；8、流道出口 ；9、基體；10、十字型進(jìn)口流道。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如圖1、2所示，本發(fā)明的主要結(jié)構(gòu)分上下部分，上側(cè)為該微混合器的蓋板3，下側(cè)為基體9，蓋板3和基體9上下密合在一起。在蓋板3和基體9之間設(shè)置微混合器的流道。該流道由一個(gè)十字形流道10、一個(gè)收縮流道4、多個(gè)狹窄直流道5、多個(gè)橢圓流道6組成。十字形流道10上布置三個(gè)流道入口，分別是一個(gè)主流道入口 I和兩個(gè)副流道入口 2，主流道與副流道呈十字形垂直相交。十字型流道10出口布置在其主流道上，主流道中心位于中心軸上，十字形流道10出口連接且連通收縮流道4入口。
[0015]收縮流道4出口連接且連通第一個(gè)狹窄直流道5入口，第一個(gè)狹窄直流道5出口連接且連通第一個(gè)橢圓流道6入口，第一個(gè)橢圓流道6出口連接且連通第二個(gè)狹窄直流道5入口，第二個(gè)狹窄直流道5出口又連接且連通第二個(gè)橢圓流道6入口，第二橢圓流道6出口連接第三個(gè)狹窄直流道5入口，以此類推地串接，直至最后一個(gè)橢圓流道6的入口側(cè)的半部分連接于流道出口 8。
[0016]在每個(gè)橢圓流道6內(nèi)部均布置一個(gè)橢圓弧擋板7，橢圓弧擋板7的凹面正對(duì)著橢圓流道6入口，凸面正對(duì)橢圓流道6出口。橢圓弧擋板7的凸面與橢圓流道6的橢圓短軸相切，該切點(diǎn)位于中心軸上，與橢圓弧擋板7凸面的中心點(diǎn)重合。橢圓弧擋板7的弧角外邊緣與橢圓流道6的內(nèi)壁之間具有一定的間隙，可供流體在兩者之間流過。
[0017]由依次連接的一個(gè)狹窄直流道5、一個(gè)橢圓流道6和該橢圓流道6內(nèi)的一個(gè)橢圓弧擋板7組成一個(gè)混合單元。橢圓流道6的外輪廓線與狹窄直流道5相交。多個(gè)混合單元依次串接于收縮流道4和流道出口 8之間，其中，最后一個(gè)混合單元的橢圓流道6出口寬度與流道出口 8的寬度相同，其余混合單元的橢圓流道6出口寬度均與狹窄直流道5的出口寬度相同。
[0018]十字型流道10主流道、收縮流道4、狹窄直流道5以及橢圓流道6的長(zhǎng)軸均共一個(gè)中心軸，該中心軸也是微混合器的中心軸。多個(gè)混合單元沿中心軸的軸向等距布置，所有流道的橫截面都為矩形，每個(gè)混合單元均關(guān)于中心軸對(duì)稱分布?；旌蠁卧膫€(gè)數(shù)η多3個(gè)。
[0019]橢圓流道6的中心ol位于該微混合器的中心軸上，橢圓流道6的橢圓長(zhǎng)軸位于中心軸上，短軸與長(zhǎng)軸垂直相交于橢圓弧流道6的中心01。橢圓弧擋板7的中心ο2位于狹窄流道5出口的正中間點(diǎn)處，也是所在的橢圓流道6入口正中間點(diǎn)處，橢圓弧擋板7關(guān)于中心軸對(duì)稱。