一種基于微氣泡驅(qū)動(dòng)的震蕩射流式微混合器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種可用于提高微量流體混合效率的新型主動(dòng)式微混合器，屬于微混合器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微型全分析系統(tǒng)技術(shù)興起于在20世紀(jì)90年代，主要包含微混合器、微閥、微栗、微反應(yīng)器、微換熱器等。相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)，該技術(shù)具有實(shí)驗(yàn)體積小、樣品利用率高、安全性能高、易于小型化和自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，該技術(shù)已在生命科學(xué)、分析化學(xué)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。
[0003]微混合器作為微型全分析系統(tǒng)的重要部件之一，主要用于實(shí)現(xiàn)不同樣品之間的充分混合，為后續(xù)的各種反應(yīng)提供保障條件。宏觀尺寸下，多數(shù)流體流速較大，易處于湍流狀態(tài)，可以通過湍流快速的實(shí)現(xiàn)不同流體之間的完全混合。在微尺度條件下，流體的表面積與體積的比值急劇增大，慣性力的作用迅速減少，表面力與粘性力的影響占主導(dǎo)地位，使微通道內(nèi)部流體的流動(dòng)以層流為主，從而導(dǎo)致各種流體混合以分子擴(kuò)散為主，很難實(shí)現(xiàn)各種流體的快速高效混合。為解決上述問題，各種不同類型的微混合器應(yīng)運(yùn)而生。目前，根據(jù)有無外界能量驅(qū)動(dòng)微混合器可分為被動(dòng)式微混合器、主動(dòng)式微混合器。被動(dòng)式微混合器主要通過改變管道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形狀，增大流體間接觸面積，達(dá)到增強(qiáng)混合的效果。主動(dòng)式混合器一般通過外部能量(壓力擾動(dòng)、聲波擾動(dòng)等)誘發(fā)液體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來達(dá)到混合的效果。
[0004]總體來講，主動(dòng)混合器一般具有工作附件較少，易于操作、混合效率偏低等特點(diǎn)；被動(dòng)式混合器具有混合效率高、混合時(shí)間短、適用范圍窄(不適用于易受高溫、高壓等影響的樣品)、不易集成化等特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明基于微氣泡驅(qū)動(dòng)的震蕩射流式微混合器，該微混合器包括上層蓋板、下層基板；所述上層蓋板、下層基板采用高溫鍵合連接，兩者共同組成微混合器混合裝置。本發(fā)明基于脈沖電壓激勵(lì)加熱器產(chǎn)生可控氣泡，并以氣泡的周期性脹縮產(chǎn)生交替的高低壓力，促使混合液體產(chǎn)生震蕩射流；同時(shí)結(jié)合被動(dòng)式混合器常用的擾流結(jié)構(gòu)(支路結(jié)構(gòu)、鋸齒形結(jié)構(gòu)、擋流結(jié)構(gòu)等)，強(qiáng)化混合，實(shí)現(xiàn)微尺度下多種流體的快速融合。該微混合器具有適用范圍廣、混合效率高、可集成性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于微氣泡驅(qū)動(dòng)的震蕩射流式微混合器，該微混合器包括上層蓋板(24)、下層基板(25);所述上層蓋板(24)、下層基板(25)采用高溫鍵合連接，兩者共同組成微混合器混合裝置(28)。
[0007]所述上層蓋板(24)面向下層基板(25)的一側(cè)沉積有薄膜電阻加熱器(16)，薄膜加熱器(16)與金屬引線(17)相連，薄膜電阻加熱器與上層蓋板之間沉積有絕緣薄膜
(18);上層蓋板(24)上依次加工有入口通道通孔a(19)、入口通道通孔b(20)、入口通道通孔c (21)、信合線鍵合孔(22)、出口通道通孔(23)。
[0008]所述下層基板(25)上加工有微混合器流道結(jié)構(gòu)，該混合器流道采用多通道入口形式，以期實(shí)現(xiàn)多種流體的混合；混合器流道的數(shù)量?jī)?yōu)選為三個(gè)，即入口通道a(l)、入口通道b (2)、入口通道c (3);通過三個(gè)通道的三股流體匯合后，匯合的流體進(jìn)入主混合通道
(4)，主混合通道(4)內(nèi)設(shè)有鋸齒形結(jié)構(gòu)(5);經(jīng)微噴嘴結(jié)構(gòu)(6)后進(jìn)入混合室(7)，混合室
(7)分為上、中、下三部分，混合室(7)的上部左、右兩側(cè)分別設(shè)有微氣泡驅(qū)動(dòng)裝置循環(huán)回路a(ll)、微氣泡驅(qū)動(dòng)裝置循環(huán)回路b (12)，中部設(shè)有條形支路結(jié)構(gòu)(8)，下部設(shè)有圓柱型擋流結(jié)構(gòu)(9);圓柱型擋流結(jié)構(gòu)(9)與出口通道(10)連接，出口通道(10)內(nèi)設(shè)有鋸齒形結(jié)構(gòu)
(5)。
[0009]脈沖電壓激勵(lì)加熱系統(tǒng)a(26)、脈沖電壓激勵(lì)加熱系統(tǒng)b (27)對(duì)稱設(shè)置在上層蓋板(24)兩側(cè)，脈沖電壓激勵(lì)加熱系統(tǒng)a(26)、脈沖電壓激勵(lì)加熱系統(tǒng)b(27)分別與信合線鍵合孔(22)連接，在工作時(shí)需對(duì)脈沖電壓激勵(lì)加熱系統(tǒng)a (26)、脈沖電壓激勵(lì)加熱系統(tǒng)b (27)提供具有一定相位差的周期性的脈沖電壓。
[0010]所述微氣泡驅(qū)動(dòng)裝置循環(huán)回路a(ll)、微氣泡驅(qū)動(dòng)裝置循環(huán)回路b (12)結(jié)構(gòu)相同，僅位置不同；微氣泡驅(qū)動(dòng)裝置循環(huán)回路分別由微通道環(huán)流道(13)、氣泡過濾器(14)、微氣泡冷凝腔(15)構(gòu)成，微通道環(huán)流道(13)為循環(huán)流道，微通道環(huán)流道(13)上設(shè)有微氣泡冷凝腔(15)，微氣泡冷凝腔(15)與混合室(7)的微通道環(huán)流道(13)內(nèi)設(shè)有氣泡過濾器(14)。
[0011]所述下層基板(25)為耐熱玻璃、硅等材料；入口通道a (I)、入口通道b (2)、入口通道c(3)為示意結(jié)構(gòu)，且以三種流體混合為前提；若需增加流體種類的混合數(shù)目，可根據(jù)要求增加入口通道的數(shù)目；混合室(7)上部需保持適當(dāng)?shù)母叨龋话憔嚯x射流入口高度為入口通道寬度的5?10倍即可；混合室(7)中部的支路數(shù)目根據(jù)需要增加，最小寬度不小于20 μ m (方便加工)；
[0012]為保證擋流效果，圓柱形擋流結(jié)構(gòu)(14)的直徑大于出口通道(10)的寬度，且需置于入口通道的中心線上；主混合通道(5)以及出口通道(15)內(nèi)鋸齒形結(jié)構(gòu)(5)的數(shù)目以及大小，根據(jù)需要適當(dāng)增加，理論上數(shù)目越多混合效果越好，但相應(yīng)的流動(dòng)阻力也隨之增大。
[0013]所述薄膜電阻微加熱器(16)的材質(zhì)為鉑，金屬引線(17)的材質(zhì)為金，絕緣薄膜
(18)的材質(zhì)為二氧化鈦。
[0014]所述上層蓋板(24)的材質(zhì)為耐熱玻璃等材料，以保持較高透明度，方便觀察微混合器內(nèi)部的流動(dòng)，并起到密封的作用。
[0015]本發(fā)明的工作過程如下:
[0016]通過入口通道a (I)、入口通道b (2)、入口通道c (3)分別流入一種流體；三股流體首先經(jīng)過主混合通道進(jìn)行第一次混合，混合通道中的鋸齒形結(jié)構(gòu)有助在流體中形成渦結(jié)構(gòu)、混沌對(duì)流，提高混合效果；混合后流體經(jīng)噴嘴結(jié)構(gòu)加速，形成射流。在混合室上部?jī)蓚?cè)設(shè)計(jì)有對(duì)稱的脈沖電壓激勵(lì)加熱系統(tǒng)a(26)、脈沖電壓激勵(lì)加熱系統(tǒng)b (27)，該系統(tǒng)在工作時(shí)需分別接入兩種存在不同相位差的電流，進(jìn)而在混合室上部產(chǎn)生交替的高壓、低壓，導(dǎo)致射流產(chǎn)生震蕩。(具體原理如下:在高電平的脈沖電壓下，膜電阻微加熱器周圍的液體快速升溫至過熱狀態(tài)，氣化核心產(chǎn)生后微氣泡快速膨脹，從而導(dǎo)致循環(huán)回路輸出高壓；在零電平時(shí)，微氣泡被周圍的欠熱液體快速冷凝，微氣泡萎縮，導(dǎo)致循環(huán)回路輸出低壓。)周期性的震蕩射流噴入混合室中部的條狀支路結(jié)構(gòu)，進(jìn)行強(qiáng)化混合。經(jīng)各支路強(qiáng)化混合后的流體，在混合室下部匯流，室內(nèi)設(shè)置有圓柱形擋流結(jié)構(gòu)，以增加各支流在腔體內(nèi)的混合時(shí)間以及混合強(qiáng)度。流體經(jīng)混合室尾部進(jìn)入出口通道，該通道內(nèi)部鋸齒形結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步強(qiáng)化混合。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果。
[0018]1、在該類混合器引入具有相位差脈沖電壓激勵(lì)加熱裝置，產(chǎn)生可控氣泡，并以氣泡周期性脹縮產(chǎn)生交替的高、低壓動(dòng)力源。在這種壓力的作用下，射流產(chǎn)生震蕩，誘發(fā)通道內(nèi)產(chǎn)生混沌對(duì)流，有效促進(jìn)各種流體的混合。該發(fā)明解決了被動(dòng)混合器易存在高溫、高電磁等環(huán)境的缺陷，擴(kuò)大了該類被動(dòng)混合器的適用范圍。
[0019]2、微混合器中，混合室設(shè)計(jì)為水滴形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)促進(jìn)了射流的產(chǎn)生，同時(shí)借助條形支路結(jié)構(gòu)、擋流板結(jié)構(gòu)以及鋸齒形結(jié)構(gòu)有效增加流體分子之間的不平衡碰撞，提高混合效率。
[0020]3、該混合器主要以微氣泡的周期性脹縮產(chǎn)生的脈沖壓力為動(dòng)力源，促使微混合器內(nèi)部產(chǎn)生震蕩射流，同時(shí)結(jié)合被動(dòng)式混合器常用的擾流結(jié)構(gòu)(支路結(jié)構(gòu)、鋸齒形結(jié)構(gòu)、擋流結(jié)構(gòu)等)，強(qiáng)化混合，實(shí)現(xiàn)微尺度下多種流體的快速融合。本類微混合器主要涉及