一種分合式被動(dòng)微混合器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微流控系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種分合式被動(dòng)微混合器。
技術(shù)背景
[0002]微流控系統(tǒng)是芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a_chip)的主要研究方向之一,是集米樣、稀釋、混合、反應(yīng)、檢測(cè)、分離等于一體的系統(tǒng),它能將復(fù)雜的生物化學(xué)分析過(guò)程微型化和集成化,從而可降低樣品液和檢測(cè)液的消耗量,也可降低能源消耗。同時(shí),它還提高分析速度和分析精度,在生物工程、化學(xué)工程、醫(yī)藥檢測(cè)、微電子工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]在分析檢測(cè)過(guò)程中,樣品液要與檢測(cè)液充分混合,其混合效率將直接影響到分析速度。然而,由于微流控系統(tǒng)的尺度小,比表面積大,當(dāng)粘性力占主導(dǎo)地位時(shí),雷諾數(shù)一般很小,有時(shí)甚至大大小于1,這時(shí)流動(dòng)處于層流狀態(tài),流體間的混合主要依靠流體組分間的擴(kuò)散。因此,混合速度緩慢,混合效率低下。
[0004]目前,微混合器主要有主動(dòng)和被動(dòng)兩種。被動(dòng)式微混合器主要依靠微通道幾何形狀來(lái)促使流體混合,是一種不需要利用外部力量進(jìn)行混合的方法,其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便,沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件且易集成等,但缺點(diǎn)是混合效率低、流體變形大、流動(dòng)阻力大和易堵塞等。
[0005]為了提高被動(dòng)式微混合器的混合效率,通常是利用如旋流、次流、環(huán)流、分層等方式增加流體間的接觸面積。目前,常用的方法是在微通道內(nèi)設(shè)置各種形式的擾流擋板,使流體產(chǎn)生混沌對(duì)流,但采用這種形式,會(huì)使流動(dòng)損失增大。因此,選擇一種能產(chǎn)生混沌對(duì)流,流動(dòng)損失又不大的微通道形式,是很有意義。
[0006]中國(guó)專利CN103877905公開(kāi)了以下技術(shù)內(nèi)容:包括上下鍵合在一起的上蓋板和混合板,上蓋板的右部開(kāi)有位于中心位置的出口管,上蓋板的左部開(kāi)有關(guān)于出口管前后對(duì)稱的第一、第二種流體入口管,混合板上從左至右依次設(shè)有進(jìn)口主通道、η個(gè)混合單元、出口主通道;η個(gè)混合單元是η個(gè)基本混合單元從左至右通過(guò)圓弧過(guò)渡連接得到,單個(gè)基本混合單元的水平軸截面的外輪廓是由四對(duì)數(shù)螺旋線和兩個(gè)直線組合而成,第一、第二對(duì)數(shù)螺旋線的起始點(diǎn)之間通過(guò)直線一相連,第三、第四對(duì)數(shù)螺旋線的起始點(diǎn)之間通過(guò)直線二相連。
[0007]雖然上述技術(shù)以僅有幾條對(duì)數(shù)螺旋線組成,能量損失少,但是其流體變形大,易堵塞,壓力降大,沒(méi)有分層效果。同時(shí),由于沒(méi)有混沌理論的支撐,加工對(duì)數(shù)螺旋線的難度很大。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種利用面包師對(duì)流循環(huán)設(shè)計(jì),能達(dá)到流動(dòng)損失小、混合效率高的分合式被動(dòng)微混合器。為此,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種分合式被動(dòng)微混合器,包括上下鍵合在一起的上基片和下基片,下基片上設(shè)有進(jìn)口、出口和槽道,所述槽道包括一個(gè)主槽道和多個(gè)獨(dú)立的輔槽道,主槽道設(shè)于下基片的前端部并開(kāi)有進(jìn)口,上基片和下基片上均設(shè)有多個(gè)獨(dú)立的輔槽道,且輔槽道沿流體流動(dòng)方向依次排設(shè),下基片末端的輔槽道上開(kāi)有出口,當(dāng)上基片和下基片鍵合時(shí),上、下基片中的槽道相連接形成通路。
[0009]流體以層流的形式導(dǎo)入設(shè)于下基片的進(jìn)口從而進(jìn)入主槽道,由于上、下基片均設(shè)有輔槽道且相互相連,流入的流體在上、下基片中進(jìn)行多次分合,最終從下基片末端的出口導(dǎo)出,實(shí)現(xiàn)流體快速均勻混合。
[0010]在采用上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上,本發(fā)明還可采用以下進(jìn)一步的技術(shù)方案:
所述輔槽道排設(shè)為F型。F型輔槽道的設(shè)置不僅是基于面包師對(duì)流循環(huán)的設(shè)計(jì),而且上、下基片在鍵合后,輔槽道形成了周期性重復(fù)的結(jié)構(gòu)。
[0011]所述一個(gè)設(shè)于上基片的輔槽道和與該輔槽道相連的一個(gè)設(shè)于下基片的輔槽道構(gòu)成一個(gè)擴(kuò)散混合單元,流體在一個(gè)擴(kuò)散混合單元完成二次分合。
[0012]所述擴(kuò)散混合單元有二次分合,均為上下分開(kāi),左右合并。流體合并一次發(fā)生在上基片內(nèi),另一次合并則發(fā)生在下基片內(nèi)。這樣能使需要混合的流體分層、拉伸、合并,從而增大流體間的接觸面積,加劇流體間的擴(kuò)散混合。流體分層數(shù)為K*2n,K為混合流體種數(shù),η為分合次數(shù)。
[0013]所述主槽道上的進(jìn)口至少有兩個(gè)。主槽道的進(jìn)口個(gè)數(shù)可根據(jù)混合流體的要求不同進(jìn)行不同的設(shè)置。
[0014]所述擴(kuò)散混合單元至少為三個(gè),如果少于三個(gè)擴(kuò)散混合單元,則流體混合效果較不理想。
[0015]面包師(Baker)對(duì)流循環(huán)是根據(jù)面包師變換(Baker Transforma -t1n)設(shè)計(jì)的,與確定性混純范例的伯努利變換(Bernoulli Trans- format1ns)同形的度量守恒(Measure-preserving)變換,是最好的混合變換。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:根據(jù)混沌混合理論,采用面包師對(duì)流循環(huán),具有確定性混沌,是最好的混合變換。運(yùn)用面包師對(duì)流循環(huán),可以讓流體多次分合引起分層、拉伸、折疊、變形,最大程度的增大了流體間的接觸面積,以提高流體混合效率。同時(shí),分合式擴(kuò)散混合單元制作簡(jiǎn)單、成本低、流體阻力小,由于不需要外力,也不需要運(yùn)動(dòng)元件,從而避免了槽道的磨損和堵塞,大大減少了壓力損失。
[0017]【附圖說(shuō)明】:
圖1為本發(fā)明一種分合式被動(dòng)微混合器的主視圖。
[0018]圖2為本發(fā)明一種分合式被動(dòng)微混合器的俯視圖。
[0019]圖3為本發(fā)明一種分合式被動(dòng)微混合器的上基片構(gòu)造示意圖。
[0020]圖4為本發(fā)明一種分合式被動(dòng)微混合器的下基片構(gòu)造示意圖。
[0021]圖5為本發(fā)明一種分合式被動(dòng)微混合器與其他形式的微混合器的混合效果比較曲線圖。
[0022]其中,進(jìn)口 1、2,出口 3,下基片4,上基片5,主槽道6,輔槽道7,擴(kuò)散混合單元8。
【具體實(shí)施方式】
[0023]結(jié)合附圖,對(duì)本發(fā)明提供的一種分合式被動(dòng)微混合器作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024]參照?qǐng)D1~圖4,一種分合式被動(dòng)微混合器,包括上下鍵合在一起的上基片5和下基片4,下基片4上設(shè)有進(jìn)口 1、2,還設(shè)有出口 3和槽道。在下基片4上設(shè)有至少二個(gè)進(jìn)口 1、2,分別導(dǎo)入需要混合的流體,而混合充分后的流體通過(guò)出口 3導(dǎo)出。
[0025]槽道包括主槽道6和輔槽道7,輔槽道7為F型,主槽道6設(shè)于下基片4的端部并開(kāi)有進(jìn)口 1、2,下基片4末端的輔槽道7上開(kāi)有出口 3。
[0026]其中,上基片5上設(shè)有輔槽道7,下基片4上設(shè)有主槽道6和輔槽道7,當(dāng)上基片4和下基片5鍵合時(shí),上、下基片中的槽道相接形成通路。
[0027]—個(gè)設(shè)于上基片5的輔槽道7和與該輔槽道相連的一個(gè)設(shè)于下基片4的輔槽道7構(gòu)成一個(gè)擴(kuò)散混合單元8,一個(gè)混合器中,至少有三個(gè)擴(kuò)散混合單元8。
[0028]首先,流體通過(guò)進(jìn)口 1、2以層流的形式導(dǎo)入在下基片4內(nèi),隨后進(jìn)入第一個(gè)分合式擴(kuò)散混合單元,進(jìn)入所述分合式擴(kuò)散混合單元后就被上下分開(kāi),一部分流體(Al)向上進(jìn)入上基片5,另一部分流體(BI)繼續(xù)在下基片4內(nèi)向右流動(dòng),隨后也轉(zhuǎn)彎向上進(jìn)入上基片5,并向內(nèi)流動(dòng),與在上基片5內(nèi)先向內(nèi)后轉(zhuǎn)彎向右流動(dòng)的另一部分流體(Al)在上基片5內(nèi)水平相遇,流體合并后在上基片5內(nèi)向右,隨后再次上下分開(kāi),其中一部分流體(A2)繼續(xù)向右流動(dòng),另一部分流體(B2)則向下流入下基片4后向外流動(dòng)后,繼而向右與先在上基片5內(nèi)向右流動(dòng)后拐彎向下流入下基片4后向外流動(dòng)的流體(A2)在水平面內(nèi)相遇,完成一個(gè)分合式擴(kuò)散混合單元的二次分合。通過(guò)若干個(gè)分合式擴(kuò)散混合單元8后,流體混合均勻,從下基片4上的出口 3導(dǎo)出,實(shí)現(xiàn)流體快速均勻混合。
[0029]每個(gè)分合式擴(kuò)散混合單元8內(nèi)流體均經(jīng)過(guò)二次分合,流體每次都是經(jīng)過(guò)上下分開(kāi)和水平合并。其中流體先在上基片5內(nèi)發(fā)生一次合并,后在下基片4內(nèi)發(fā)生第二次合并,這樣能使需要混合的流體經(jīng)過(guò)分層、拉伸、合并,從而最大程度增大流體間的接觸面積,加劇流體間的擴(kuò)散混合。
[0030]其中,主槽道6和輔槽道7的寬度均為0~1000微米,深度均為0~500微米,寬度和深度一般為微米級(jí)即可,而長(zhǎng)度則一般為1~50毫米。
[0031 ] 實(shí)施例一,假設(shè)在進(jìn)口 I和進(jìn)口 2的流體分別注入檢測(cè)液和樣品液,其密度和粘度分別為1000 kg/m3和0.001 kg/m.s, 1500 kg/m3和0.002 kg/m.s,兩者之間的擴(kuò)散系數(shù)為10 9 m2/s。用Fluent軟件進(jìn)行模擬,得到O次、I次、2次后組分體積分?jǐn)?shù)的等值線圖,清晰可見(jiàn)流體在沒(méi)有分合前為左右2層,I次分合后有4層,2次分合后8層,由此可見(jiàn),其符合面包師對(duì)流循環(huán)的性質(zhì)。在一般經(jīng)歷3個(gè)分合式擴(kuò)散混合單元后,其體積分?jǐn)?shù)已是基本均勻了。
流體的擴(kuò)散混合效果,一般可以用出口截面內(nèi)樣品液或檢測(cè)液的體積分?jǐn)?shù)分布來(lái)衡量,體積分?jǐn)?shù)均勻程度可以用標(biāo)準(zhǔn)差σ。圖5所示是混合均勻程度與雷諾數(shù)之間的關(guān)系,同時(shí)比較了 T型微混合器、蛇形微混合器和分合式微混合器在同樣條件下的混合效果,分合式微混合器由于其產(chǎn)生了混沌對(duì)流,不斷通過(guò)分層、拉伸、折疊流體,大幅度提高了混合效率,特別是在小雷諾數(shù)情況下。
[0032]雖然本發(fā)明已通過(guò)參考優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行了圖示和描述,但是,本專業(yè)普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解,在權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi),可作形式和細(xì)節(jié)上的各種各樣變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種分合式被動(dòng)微混合器,包括上下鍵合在一起的上基片和下基片,下基片上設(shè)有進(jìn)口、出口和槽道,其特征在于所述槽道包括一個(gè)主槽道和多個(gè)獨(dú)立的輔槽道,主槽道設(shè)于下基片的前端部并開(kāi)有進(jìn)口,上基片和下基片上均設(shè)有多個(gè)獨(dú)立的輔槽道,且輔槽道沿流體流動(dòng)方向依次排設(shè),下基片末端的輔槽道上開(kāi)有出口,當(dāng)上基片和下基片鍵合時(shí),上、下基片中的槽道相連接形成通路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分合式被動(dòng)微混合器,其特征在于所述輔槽道排設(shè)為F型。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種分合式被動(dòng)微混合器,其特征在于所述一個(gè)設(shè)于上基片的輔槽道和與該輔槽道相連通的一個(gè)設(shè)于下基片的輔槽道構(gòu)成一個(gè)擴(kuò)散混合單元,流體在一個(gè)擴(kuò)散混合單元完成二次分合。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分合式被動(dòng)微混合器,其特征在于所述主槽道上的進(jìn)口至少有兩個(gè)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種分合式被動(dòng)微混合器,其特征在于所述擴(kuò)散混合單元至少為三個(gè)。
【專利摘要】本發(fā)明屬于微流控系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種分合式被動(dòng)微混合器。一種分合式被動(dòng)微混合器,包括上下鍵合在一起的上基片和下基片,下基片上設(shè)有進(jìn)口、出口和槽道,所述槽道包括一個(gè)主槽道和多個(gè)獨(dú)立的輔槽道,主槽道設(shè)于下基片的前端部并開(kāi)有進(jìn)口,上基片和下基片上均設(shè)有多個(gè)獨(dú)立的輔槽道,且輔槽道沿流體流動(dòng)方向依次排設(shè),下基片末端的輔槽道上開(kāi)有出口,當(dāng)上基片和下基片鍵合時(shí),上、下基片中的槽道相連接形成通路。本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種利用面包師對(duì)流循環(huán)設(shè)計(jì),能達(dá)到流動(dòng)損失小、混合效率高的分合式被動(dòng)微混合器,可以讓流體多次分合引起分層、拉伸、折疊、變形,最大程度的增大了流體間的接觸面積,以提高流體混合效率。
【IPC分類】B01F13/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105126687
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510590002
【發(fā)明人】王瑞金, 劉湘琪, 朱澤飛
【申請(qǐng)人】杭州電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年9月16日