一種軸對稱對數(shù)螺旋線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，可使得傳統(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(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，被廣泛應(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。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(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。 相比主動式微混合器而言，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 體流動的雷諾數(shù)很小以至于沒有渦流產(chǎn)生，液體間的混合主要依靠分子擴(kuò)散運(yùn)動，混合時(shí) 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)明的目的是為了克服現(xiàn)有微混合器中存在的不足而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、能提 高混合效率的軸對稱對數(shù)螺旋線的十字型微混合器，可實(shí)現(xiàn)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：本發(fā)明包括密合在一起的蓋板和基體，蓋板和基體之 間設(shè)有依次相連接的一個(gè)十字型流道、一個(gè)收縮流道和若干個(gè)混合單元，每個(gè)混合單元均 由相連接的一個(gè)狹窄直流道、一個(gè)對數(shù)螺旋線流道以及放置在對數(shù)螺旋線流道中的一個(gè)對 數(shù)螺旋線擋板構(gòu)成；若干個(gè)混合單元串接后連接于收縮流道和流道出口之間；十字型流道 出口連接收縮流道入口，收縮流道出口連接第一個(gè)混合單元中的狹窄直流道入口，最后一 個(gè)對數(shù)螺旋線流道出口連接流道出口且該出口寬度與流道出口的寬度相同，其余對數(shù)螺旋 線流道出口均與狹窄直流道寬度相同；收縮流道和混合單元的中心均在一個(gè)中心軸上，對 數(shù)螺旋線流道和對數(shù)螺旋線擋板都關(guān)于中心軸對稱；對數(shù)螺旋線擋板的凹面正對著所在的 對數(shù)螺旋線流道入口。
[0007] 對數(shù)螺旋線流道的輪廓線由兩個(gè)關(guān)于中心軸對稱分布的對數(shù)螺旋線構(gòu)成，對數(shù)螺 旋線方程為
其對數(shù)螺旋線起點(diǎn)位于對數(shù)螺旋線擋板凹面一端的頂 點(diǎn)處，包角α為135°，e為自然對數(shù)函數(shù)的底數(shù)，其值為2. 71828，
為20ym，k為 0· 001，Θ 1 為 220。~（220。+α ); 對數(shù)螺旋線擋板的輪廓線為兩個(gè)關(guān)于中心軸對稱分布的兩個(gè)對數(shù)螺旋線構(gòu)成，其對數(shù) 螺旋線方程為_
，其起點(diǎn)為所在的對數(shù)螺旋線流道入口中心點(diǎn)，包角 β 為 30°，
為 15 μπι，k 為 0· 001，Θ 2 為 270。~（270° +β )。
[0008] 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)。射流沖擊對數(shù)螺旋線擋板，由于對數(shù)螺旋線擋板的特殊結(jié)構(gòu)，流體沿對數(shù)螺旋線擋板流 動，與來流形成對流，增加流體間的擾動。
[0009] 2、當(dāng)流體流過對數(shù)螺旋線擋板時(shí)，會在對數(shù)螺旋線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(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，使得混合效果顯著提高。
[0010] 3、本發(fā)明在十字型微混合器的主流道上等距布置對稱分離重組流道，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。借助微混合流道幾何形狀變化和 流體流動特性來加大擾動，即在二維度平面內(nèi)增加擾流度，大大提高了平面式被動微混合 器的混合效果。
【附圖說明】
[0011] 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為本發(fā)明流體流動原理示意圖； 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、對數(shù)螺 旋線流道；7、對數(shù)螺旋線擋板；8、流道出口；9、基體；10、十字型流道。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)分上下兩部分，上部分為該微混合器的蓋板3， 下部分為微混合器的混合流道基體9。蓋板3和基體9密合在一起，在蓋板3和基體9之間 設(shè)有一個(gè)十字型流道10、一個(gè)流道出口 8、一個(gè)收縮流道4、若干個(gè)狹窄直流道5、若干個(gè)對 數(shù)螺旋線流道6和若干個(gè)對數(shù)螺旋線擋板7。其中，十字型流道10上布置一個(gè)主流道入口 1和兩個(gè)副流道入口 2,兩個(gè)副流道的中心共線，主流道和兩個(gè)副流道相互垂直組成十字型 流道。
[0013] 十字型流道10的主流道出口平滑連接收縮流道4進(jìn)口，收縮流道4出口連接第一 個(gè)狹窄直流道5進(jìn)口，第一個(gè)狹窄直流道5出口連接第一個(gè)對數(shù)螺旋線流道6入口，第一個(gè) 對數(shù)螺旋線流道6出口連接第二個(gè)狹窄直流道5入口，第二個(gè)狹窄直流道5出口連接第二 個(gè)對數(shù)螺旋線流道6入口，如此連續(xù)地，直至最后一個(gè)狹窄直流道5出口連接最后一個(gè)對數(shù) 螺旋線流道6入口。最后一個(gè)對數(shù)螺旋線流道6的進(jìn)口至出口寬度逐漸增大，最后一個(gè)對 數(shù)螺旋線流道6出口與流道出口 8的寬度相同，除此之外，其余對數(shù)螺旋線流道6出口均與 狹窄直流道5的寬度相同。收縮流道4從進(jìn)口至出口寬度逐漸減小，收縮流道4出口寬度 等于狹窄直流道5的寬度。
[0014] 在每個(gè)對數(shù)螺旋線流道6中放置一個(gè)對數(shù)螺旋線擋板7,對數(shù)螺旋線擋板7的凹面 正對著所在的對數(shù)螺旋線流道6入口，對數(shù)螺旋線擋板7的凸面正對著所在的對數(shù)螺旋線 流道6出口。對數(shù)螺旋線擋板7的兩端邊緣與對數(shù)螺旋線流道6的內(nèi)壁之間具有間隙，該 間隙供流體通過。由一個(gè)狹窄直流道5、一個(gè)對數(shù)螺旋線流道6、一個(gè)對數(shù)螺旋線擋板7構(gòu) 成一個(gè)混合單元，狹窄直流道5和對數(shù)螺旋線流道6相連接。若干個(gè)混合單元相串接后連 接于收縮流道4和流道出口8之間。相串接的若干個(gè)混合單元沿中心軸方向等距布置。對 數(shù)螺旋線擋板7的凹面正對著對數(shù)螺旋線流道6入口，對數(shù)螺旋線擋板7的凸面正對著對 數(shù)螺旋線流道6出口。
[0015] 十字型流道10主流道、收縮流道4、狹窄直流道5、對數(shù)螺旋線流道6以及對數(shù)螺 旋線擋板7的中心均在一個(gè)中心軸上。對數(shù)螺旋線流道6和對數(shù)螺旋線擋板7都關(guān)于中心 軸對稱，該中心軸也是本發(fā)明十字型微混合器的中心軸。多個(gè)混合單元沿中心軸的軸向等 距布置，混合單元的個(gè)數(shù)η彡3。
[0016] 如圖3所示，十字型流道10的主流道的進(jìn)口寬度為01，20(^111〈01〈40(^111，01恒 等于副流道進(jìn)口寬度D2的兩倍。主流道進(jìn)口的長度Ll為Dl的2. 5倍，Ll=2. 5 X (Dl)，副 流道進(jìn)口的長度L3等于Ll，副流道與收縮流道4之間的最短距離L2=2 X (Dl)。
[0017] 如圖4所示，狹窄直流道5的軸向長度為L4, L4= (Dl)/2,狹窄直流道5的寬度 D3=(Dl)/4〇
[0018] 收縮流道4入口寬度為Dl，對數(shù)螺旋線流道6的最大寬度為Dl，最后一個(gè)對數(shù)螺 旋線流道6出口寬度為最大寬度Dl，與流道出口 8寬度相同也為Dl。收縮流道4的輪廓線 尺寸與對數(shù)螺旋線流道6外輪廓線尺寸保持相同。對數(shù)螺旋線流道6的輪廓線由兩個(gè)關(guān)于 中心軸對稱分布的對數(shù)螺旋線構(gòu)成，其輪廓線的對數(shù)螺旋線方程為：
，所確定的包角α