一種對稱扇形圓環(huán)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)中液體微混合領(lǐng)域，具體是基于分離重組和附壁效應(yīng)的被動式微混合器，實現(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)的一個重要分支，可將傳統(tǒng)生化監(jiān)測過程的分離、加樣、混合、反應(yīng)、監(jiān)測等功能在芯片上得以實現(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、藥物篩選和臨床測試等領(lǐng)域。對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，流動通常處于層流狀態(tài)，流體間難以充分混合，因此實現(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式和主動式微混合兩種。主動式是通過外部對混合器施加影響促進(jìn)混合，而被動式是在流體內(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)混沌對流等。相比前者而言，被動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，使得混合時間相比宏觀情況大大延長且混合效果差，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對稱扇形圓環(huán)擋板的十字型微混合器，其結(jié)構(gòu)簡單，加工便易，可實現(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，縮短混合時間。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:本發(fā)明包括蓋板和基體，蓋板和基體之間具有一個十字型流道以及多個依次連接的混合單元，每個混合單元由依次連接的一個收縮流道、狹窄直流道、圓弧流道以及位于靠近圓弧流道出口處的一個扇形圓環(huán)擋板共同組成；十字型流道出口連接且連通第一個收縮流道入口，最后一個圓弧流道連接且連通流道出口 ；扇形圓環(huán)擋板的兩端邊緣與圓弧流道的內(nèi)壁之間具有間隙且兩者的凹面相面對，扇形圓環(huán)擋板中心軸與圓弧流道中心軸共線，且扇形圓環(huán)擋板關(guān)于中心軸對稱；圓弧流道的圓心位于中心軸與扇形圓環(huán)擋板的凹面交點處，扇形圓環(huán)擋板的圓心位于位于所在的圓弧流道入口中心點處。
[0007]所述十字型流道上布置一個主流道入口和兩個副流道入口，主流道和副流道相互垂直，十字型流道出口布置在主流道上。
[0008]十字型流道的主流道寬度Dl等于副流道寬度D2的兩倍，主流道進(jìn)口側(cè)的長度LI為主流道寬度Dl的2.5倍，副流道進(jìn)口側(cè)的長度L3等于主流道進(jìn)口側(cè)的長度LI，副流道與收縮流道入口之間的最短距離L2=2X (Dl);收縮流道入口的寬度等于主流道寬度D1，收縮角度60° <α〈90° ;狹窄直流道寬度為03=(01)/4、長度為1^4，30(^111〈1^4〈40(^111，圓弧流道的半徑r3= (Dl)/2，扇形圓環(huán)擋板的內(nèi)環(huán)半徑rl= (Dl)/2、外環(huán)半徑r2= rl+20 μπι，扇形圓環(huán)擋板的圓心角為β/2，60° <β〈90。ο
[0009]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后具有下列優(yōu)點:
1、本發(fā)明能使流體在通過收縮流道和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)。射流沖擊扇形圓環(huán)擋板，由于扇形圓環(huán)擋板的特殊結(jié)構(gòu)，流體沿扇形圓環(huán)擋板流動，與來流形成對流，增加流體間的擾動。
[0010]2、當(dāng)流體流過本發(fā)明中的扇形圓環(huán)擋板時，會在扇形圓環(huán)擋板的凸面形成附壁流動，出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，增加流體的混合度。通過簡單的流道結(jié)構(gòu)實現(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。
[0011]3、本發(fā)明工作時，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。
[0012]4、本發(fā)明能有效提高不同液體之間的混合強(qiáng)度，實現(xiàn)微尺度下流體的快速混合，可以在流道長度較短的條件下得到較高的混合效果。
[0013]5、本發(fā)明中通過提高混合工質(zhì)對流強(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。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明主體結(jié)構(gòu)的剖視圖；
圖2為圖1的A-A剖視圖；
圖3為圖2中十字型進(jìn)口流道的幾何結(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為圖4中混合單元的中流體流動原理示意圖；
圖6為實施例中微混合器內(nèi)流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖。
[0015]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.圓弧流道；7.扇形圓環(huán)擋板；8.流道出口 ；9.基體；10.十字型流道。
【具體實施方式】
[0016]參見圖1、2所示，本發(fā)明包括上方的蓋板3和下方的微混合器的基體9，蓋板3和基體9密合在一起，在蓋板3和基體9之間有一個十字型流道10、多個收縮流道4、多個狹窄直流道5以及多個圓弧流道6，最后一個圓弧流道6連接且連通流道出口 8。十字型流道
10、收縮流道4、狹窄直流道5以及圓弧流道6的中心軸均共線，位于微混合器的中心軸上。
[0017]在十字型流道10上布置一個主流道入口 I和兩個副流道入口 2，十字型流道10的主流道和副流道相互垂直，相交成十字型。十字型流道10出口布置在其主流道上。十字型流道10出口連接且連通第一個收縮流道4入口，第一個收縮流道4出口連接且連通第一個狹窄直流道5入口，第一個狹窄直流道5出口連接且連通第一個圓弧流道6入口，第一個圓弧流道6出口連接且連通第二個收縮流道4入口，第二個收縮流道4出口連接且連通第二個狹窄直流道5入口，第二個狹窄直流道5出口連接且連通第二個圓弧流道6入口，第二個圓弧流道6出口連接且連通第三個收縮流道4入口，第三個收縮流道4出口連接且連通第三個狹窄直流道5入口，以此類推地，直至最后一個狹窄直流道5出口連接且連通最后一個圓弧流道6入口，最后一個圓弧流道6出口連接且連通流道出口 8。
[0018]在每個圓弧流道6內(nèi)部，靠近其出口處都置放一個扇形圓環(huán)擋板7，扇形圓環(huán)擋板7的兩端邊緣與圓弧流道6的流道內(nèi)壁之間具有一定的間隙，可供流體在兩者之間流過。扇形圓環(huán)擋板7的凹面正對著圓弧流道6入口，與圓弧流道6的凹面相對，扇形圓環(huán)擋板7的凹面即是其內(nèi)環(huán)面，圓弧流道6的凹面即是其內(nèi)表面。扇形圓環(huán)擋板7的中心軸與圓弧流道6的中心軸共線，且扇形圓環(huán)擋板7關(guān)于中心軸對稱。扇形圓環(huán)擋板7的圓心o2位于其所在的圓弧流道6入口中心點處。圓弧流道6的圓心ol位于微混合器的中心軸上，也位于其余流道中心軸上，是中心軸與扇形圓環(huán)擋板7的凹面的交點處。。
[0019]從第一個收縮流道4開始，由依次連接的一個收縮流道4、狹窄直流道5、圓弧流道6以及位于圓弧流道6出口處的扇形圓環(huán)擋板7共同組成一個混合單元，多個混合單元串接于十字型流道10出口和最后一個圓弧流道6入口之間。多個混合單元沿十字型流道10的主流道的軸向等距布置，所有流道的橫截面都為矩形，每個混合單元均關(guān)于中心軸對稱分布，混合單元的個數(shù)η彡3個。
[0020]參見圖3，十字型流道10的主流道的寬度為D