专利名称：一种压电驱动微混合器及其制作方法和控制方法
技术领域：
本发明属于微流体混合技术领域，具体涉及一种压电驱动微混合器及其制作方法和控制方法。
背景技术：
微混合器作为微流控系统的重要部件，用于实现不同反应物在微尺度条件下的充分混合，在微量分析化学、微化工系统、生命科学等领域应用越来越广泛，显示着良好的应用前景。 微尺度下实现微流体的快速有效混合是困难的，因为微流控系统的特征尺寸属于微米级，雷诺数较小(Re = O. I 100)，流体保持层流状态，混合完全依赖于分子扩散作用，需要很长的距离与时间才能混合均匀。特别在处理包含大分子的试剂时，实现完全混合将变得更难。许多研究人员通过改变流道结构或施加外部干扰等措施来打乱流场，增大流体中的湍流比例，提高微混合效率。目前根据是否需要外部能量诱发混合，微混合器通常被分为主动微混合器和被动微混合器两种。被动微混合器通常采用具有复杂几何结构的通道来形成混沌流，增强微流体间的分子扩散和对流，从而增加其有效接触面积，提高流体的混合效率。缺点加工难度大，混合效率低，混合可控性差；主动微混合器需要外部能量诱发进行混合,包括微搅拌、压力扰动、声波扰动、电流体动力及磁流体动力驱动等。虽然主动微混合方式具有混合效率高、混合时间短、混合可控性高等优点，但在众多的基于不同混合机理的主动混合器中，仍存在如工作电压高、对混合液体有介电性或可极化要求、工作中发热、结构及制作工艺复杂、不易集成化等诸多问题。经对现有技术的文献检索发现美国专利号为US007942568B1，专利名基于声表面波的主动微混合器(ACTIVE MICROMIXER USING SURFACE ACOUSTIC WAVE STREAMIGN),该专利公开了一种利用声表面波的主动式微混合器，作用声波为瑞利波，通过对位于压电基板上的交叉指型换能器施加射频激励而发生，在压电基板上传播从而导致微流道内流体声流产生。该微混合器可以混合静止液体或低Re数的层流流体。但仍存在以下缺点整体结构复杂，除了声表面波发生装置外，仍需要注射泵驱动；体积较大，不易于集成及微小型化；制作成本较高；存在工作噪声等。美国专利号为US20060219307A1，专利名微混合装置和混合方法(MICROMIXER APPARATUS AND METHOD THEREFOR)，公开一种用于微流体系统的主动微混合器。该微混合器结合往复泵和流体器件可以完成至少两种流体的混合。当往复泵处于前进冲程时，微混合器利用两组脉冲流的影响进行混合。而当往复泵处于向后冲程时，微混合器利用涡流进行混合，同时两组流体也可以通过类薄片结构利用质量扩散进行混合。但存在以下缺点对输出背压敏感；微泵无截止性；混合初期，需灌泵等调试操作；混合容量及混合模式有限；混合可控度不高等。因此，微尺度下的流体混合尚有大量问题需要解决。
发明内容
本发明的目的在于克服目前主动微混合器存在的不足，提出一种压电驱动微混合器及其制作方法和控制方法，以提高微尺度下流体的混合效果和速率，充分发挥主动式微混合器混合高效、过程可控等优势，同时具有结构和制作方法简单、成本低、体积小、易于集成化等优点。本发明所述的压电驱动微混合器，包括PDMS基板、玻璃底板、单晶片压电振子和单向阀片，其特征在于由一整体PDMS基板将微流体驱动单元(即压电泵)和微混合单元(即混合流道)集成于一体，单晶片压电振子及单向阀片同PDMS基板封装构成压电泵，玻璃底板同PDMS基板封装构成混合流道；压电振子采用不同电压、频率、不同波形及相位交错式驱动电信号予以激励，实现微流体在微混合流道内高频脉动错 位式混合。本发明所述压电驱动微混合器，由至少两组以上压电泵布置于微混合器输入端，可实现至少两种以上流体的充分混合。本发明所述混合器基板，采用PDMS材料，结构设计及制作时，混合器基板一面设有试剂进口缓冲腔，缓冲腔长度略长于压电泵出口管长度，为PDMS模铸时留有脱模空间。本发明所述压电泵，可采用单腔体单压电振子、单腔体双压电振子、至少两个压电振子形成的多腔体串并联等结构。本发明所述压电泵，采用变刚度阀片设计及布置，辅以抛物面腔体结构，大幅度提高压电泵输出压力及流量。其特征在于入口阀刚度最低，中间阀刚度最高，出口阀刚度居中。本发明所述单向阀片，采用悬臂梁式结构，阀片形似倒“8”字，便于装配时对中定位，同时降低腔体容积变化过程中的死角容积。本发明所述单向阀片，其变刚度设计是通过改变阀片厚度或悬臂长度来实现。本发明所述微混合流道，其特征尺寸为IOOiim 1mm，可采用除硅微加工工艺外的传统CNC加工结合微模铸工艺制作完成，降低制作成本。本发明所述压电驱动微混合器制作方法，其特征在于包括以下步骤a.选用PMMA，使用精密雕刻机采用CNC技术制作微混合器基板的阳模模具。b.采用微模铸工艺，将液态PDMS浇注于阳模模具构造的腔体内，真空脱气30分钟后恢复常压，再加热至100°C固化60分钟，常温冷却10分钟，脱模可得微混合器基板。c.选用硬质薄膜，采用激光切割工艺制作单向阀片。d.压电振子电极引线处理。e.压电振子同液体接触面绝缘贴膜处理。f.将压电振子、单向阀片同PDMS微混合器基板封装，制作成压电泵。g.将玻璃底板同PDMS微混合器基板封装，制作成微混合流道。本发明所述压电驱动微混合器控制方法，其特征在于包括以下操作模式a.其他控制条件一定情况下，分别改变各组压电泵工作电压可实现变容积量微流体混合。b.压电泵流量一定情况下，同时改变各组压电泵工作频率可提供具有不同混合效果的主动混合模式。c.其他控制条件一定情况下，微混合器各组压电泵采用相位交错式电信号予以激励，实现微流体高频脉动错位式混合。d.压电驱动微混合器电信号波形可选用正弦波或矩形波。e.将压电泵输出流量、脉动混合频率、驱动电信号相位差，三控制参数合理匹配，可实现微流体在微流道内高效湍流式混合。本发明所述压电驱动微混合器工作原理为压电振子在交变电信号的作用下产生弯曲振动，引起腔体容积和压力的变化，在单向阀片的配合作用下实现流体的单向泵送。两种或两种以上的混合溶液经压电泵泵送到混合流道内，通过实施微混合器的多种控制模式(如改变电压、频率、波形及相位)，从而实现包括同相混合、异相混合、低频脉动混合、高频脉动混合、等比例混合、不等比例等多种混合模式。因采用变刚度单向阀片设计和布置，辅以抛物面腔体结构，本发明所述压电泵具有高频、高性能的工作特点，从而保证了本发明所述压电驱动微混合器具有以下优点①在具备极速混合能力的基础上，混合效果和混合时间可控范围大。本发明所述混合模式可实现每秒上千次的微尺度下湍流混合，混合效率高，混合时间进入纳秒级。除此之外，通过调节混合频率，可实现混合效果和混合时间的大范围可控混合。②混合流道特征尺寸高度兼容。因压电泵所具有的高频、高性能的输出特性，对微混合器特征尺寸要求可以更宽，在特征尺寸大于100微米的微流道内，仍可实现高效湍流式混合。③微混合器主体材料选用PDMS和玻璃，制作工艺采用传统CNC加工结合微模铸工艺，结构及制作工艺简单，成本低，可适用于一次性使用场合。④采用高频脉动混合模式，混合时间和混合距离短,加之PDMS基板将微流体驱动单元和微混合单元集成于一体，本发明所述压电驱动微混合器整机体积小，易于集成化。
图I为本发明倒“8”字型悬臂梁式复合阀结构示意2为本发明第一实施方式的微混合器结构示意3为本发明第一实施方式的微混合器工作原理4为本发明第一实施方式的微混合器立体分解5为本发明第二实施方式的微混合器结构示意6为本发明第二实施方式的微混合器工作原理7为本发明第二实施方式的微混合器立体分解8为本发明信号波形输入相位控制示意图
具体实施例方式实施例I单腔体单振子压电泵驱动下的微混合器参照图1，悬臂梁结构单向阀3和中间出入孔2复合于同一基板I上，构成倒“8”字型单向阀片，两个相同结构阀片正反叠装后即可实现控制两个不同方向出流的单向阀功能。悬臂梁式单向阀片的变刚度设计采用改变整体阀片的厚度或阀的悬臂长度来实现，以提高单向阀的高频响应特性和出流效率。其中，入口阀刚度低于出口阀刚度。参照图2，PDMS基板9将压电泵6和7和微混合流道8集成于一体，其中，包括两入口 4、5和混合出口 10，基板9同玻璃底板11封装后形成混合流道8。参照图3，实施例I中每组压电泵及微混合器工作原理是压电振子13在一个完整交变脉冲信号(正弦或矩形波信号)作用下，实现向上和向下一次往复弯曲振动。压电振子13同基板17构成腔体14，当压电振子向上振动时，腔体14容积增大，压力降低，当入口 12和腔体14内的压差增大到一定程度时，入口单向阀15被打开，此时，出口阀16关闭，压电泵处于吸水状态；而当压电振子13向下弯曲振动时，腔体14内容积减小，压力增大，入口阀15关闭，当出口腔24和腔体14内的压差增大到一定程度时，出口单向阀16被打开，此时压电泵处于排水状态。其中，通过对两组压电泵输入电信号波形的相位差进行控制，可实现两种溶液在混合流道21内进行错相位式脉动混合，混合后溶液经出口缓冲腔19从混合出口 18输出。为不干涉出口阀片16正常开启及出流顺畅，出口阀片下留有空腔24，出口管23的长度要略短于试剂进口缓冲腔22的长度，以保证采用微模铸技术制作PDMS基板17。位于PDMS基板下面的方管道21与玻璃底板20封装后形成微混合流道。参照图4，实施例I的微混合器立体分解图分别从两个方向表示了各零部件的装配关系。PDMS基板34将泵腔、入口 26和27、出口 36、微混合流道35集于一体，入口单向阀 片29和32中悬臂梁阀刚度要略低于出口单向阀片28和33，两组阀片正反叠装后实现入口及出口单向阀的功能，压电振子30和31同PDMS基板34装配从而构成完整的单腔体单振子压电泵。将玻璃底板25同PDMS基板34制作有微混合流道35的一面进行封装，最终形成具有完整功能的压电驱动微混合器。实施例2双腔体双振子串联压电泵驱动下的微混合器参照图5，PDMS基板42将两组压电泵39和40和微混合流道41集成于一体，其中，包括两入口 37、38和混合出口 43，基板42同玻璃底板44封装后形成混合流道41。其中，每组压电泵均采用双腔体双振子串联结构。参照图6，实施例2中每组压电泵及微混合器工作原理是压电振子58同PDMS基板50构成入口腔体61，压电振子46同PDMS基板50构成串联腔体47，两腔体通过中间管59串联在一起。单向阀片60单独装配于PDMS基板上构成入口悬臂梁式单向阀，中间阀片48和出口阀片49正反叠装后构成中间单向阀及出口单向阀。两压电振子58和46采用电路串联连接方式。工作时，当压电振子58向PDMS基板50外侧弯曲振动时,压电振子46向PDMS基板50内侧弯曲振动，此时入口腔61腔内压力降低，入口阀60被打开，流体从入口45处被吸入腔体，而串联腔体47腔内压力增加，中间阀48关闭，出口阀49被打开，流体经出口腔57被泵出；当压电振子58向PDMS基板50内侧弯曲振动时，压电振子46向PDMS基板50外侧弯曲振动，此时入口腔61腔内压力增加，串联腔体47腔内压力降低，入口阀60关闭，出口阀49关闭，流体经中间管59并在压力作用下将中间阀48打开进入串联腔体47内。综合上面两种工作状态，每组压电泵在一个完整交变脉冲信号(正弦或矩形波信号)作用下，分别完成一次吸水和排水过程。通过对两组压电泵输入电信号波形的相位差进行控制，可实现两种混合溶液在混合流道54内进行错相位式脉动混合，混合后溶液经出口缓冲腔52从混合出口 51输出。设计中要保证出口管56的长度略短于试剂进口缓冲腔55的长度，以实现PDMS基板50的制作。位于PDMS基板50下面的方管道54与玻璃底板53封装后形成微混合流道。参照图7，实施例2的微混合器立体分解图分别从两个方向表示了各零部件的装配关系。PDMS基板72将泵腔、入口 64和65、出口 77、微混合流道76集于一体，入口单向阀片63和74、中间单向阀片67和70、出口单向阀片66和71采用变刚度悬臂梁阀设计，A 口阀刚度最低，中间阀刚度最高，出口阀刚度居中。入口单向阀片63和74装配时同泵体底面贴合实现单向阀功能，中间单向阀片67和70同出口单向阀片66和71分别正反叠装后实现中间单向阀及出口单向阀的功能，压电振子62、75、68、69同PDMS基板72装配从而构成完整的两组双腔体双压电振子串联压电泵。将玻璃底板73同PDMS基板72制作有微混合流道76的一面进行封装，最终形成具有完整功能的压电驱动微混合器。本实施例中压电驱动微混合器的控制，按以下方法实施(I)其他控制条件一定情况下，分别改变各组压电泵工作电压可实现变容积量微流体混合。(2)压电泵流量一定情况下，同时改变各组压电泵工作频率提供具有不同混合效果的主动混合模式。·(3)参照图8，在其他控制条件一定情况下，微混合器压电泵采用相位交错式电信号予以激励，可实现两种混合溶液进行同相(相位角a = 0° )脉动微混合(通常为层流混合，混合效率低)、异相(相位角a = 180° )脉动微混合(可实现混沌对流混合，甚至湍流混合，混合效率高)、任意相位角a下错位式脉动混合。(4)压电驱动微混合器电信号波形可选用正弦波或矩形波。(5)将压电泵输出流量、脉动混合频率、驱动电信号相位差，三控制参数合理匹配，可实现微流体在微流道内高效湍流式混合。本实施例中压电驱动微混合器制作方法，包括以下步骤(I)选用PMMA，使用精密雕刻机采用CNC技术制作微混合器基板的阳模模具。(2)采用微模铸工艺，将液态PDMS浇注于阳模模具构造的腔体内，真空脱气30分钟后恢复常压，再加热至100°c固化60分钟，常温冷却10分钟，脱模可得微混合器基板。(3)选用硬质薄膜，采用激光切割工艺制作单向阀片。(4)压电振子电极引线处理。(5)压电振子同液体接触面绝缘贴膜处理。(6)将压电振子、单向阀片同PDMS微混合器基板封装，制作成压电泵。(7)将玻璃底板同PDMS微混合器基板封装，制作成微混合流道。实施例中压电驱动微混合器，根据不同混合效果和速率要求，可实现IOHz 1600Hz范围内脉动混合。具体特征在于单腔体单振子压电泵驱动下微混合器的工作频率(I段10Hz 400Hz ； II段1200Hz 1600Hz)、双腔体双振子串联压电泵驱动下微混合器的工作频率(50Hz 1600Hz)。
权利要求
1.一种压电驱动微混合器，其特征在于由一整体PDMS基板将微流体驱动单元(即压电泵)和微混合单元(即混合流道)集成于一体，单晶片压电振子及单向阀片同PDMS基板封装构成压电泵，玻璃底板同PDMS基板封装构成混合流道；压电振子采用不同电压、频率、不同波形及相位交错式驱动电信号予以激励，实现微流体在微混合流道内高频脉动错位式混合。
2.根据权利要求I所述的压电驱动微混合器，其特征在于混合器基板是PDMS材料。
3.根据权利要求I所述的压电驱动微混合器，其特征在于混合器基板有试剂进口缓冲腔，进口缓冲腔长度长于压电泵出口管长度。
4.根据权利要求I所述的压电驱动微混合器，其特征在于两组或两组以上压电泵平行布置于微混合器输入端。
5.根据权利要求4所述的压电驱动微混合器，其特征在于压电泵可采用单腔体单压电振子、单腔体双压电振子、至少两个压电振子形成的多腔体串并联等结构。
6.根据权利要求5所述的压电驱动微混合器，其特征在于采用悬臂梁式单向阀，阀片结构形似倒“8”字。
7.根据权利要求6所述的压电驱动微混合器，其特征在于单向阀采用变刚度布置，入口阀刚度最低，中间阀刚度最高，出口阀刚度居中。
8.一种制作权利要求I所述的压电驱动微混合器的方法，其特征在于包括以下步骤 a.选用PMMA，使用精密雕刻机采用CNC技术制作微混合器基板的阳模模具。
b.采用微模铸工艺，将液态PDMS浇注于阳模模具构造的腔体内，真空脱气30分钟后恢复常压，再加热至100°C固化60分钟，常温冷却10分钟，脱模可得微混合器基板。
c.选用硬质薄膜，采用激光切割工艺制作单向阀片。
d.压电振子电极引线处理。
e.压电振子同液体接触面绝缘贴膜处理。
f.将压电振子、单向阀片同PDMS微混合器基板封装，制作成压电泵。
g.将玻璃片同PDMS微混合器基板封装，制作成微混合流道。
9.一种控制权利要求I所述的压电驱动微混合器的方法，其特征在于包括以下操作模式 a.其他控制条件一定情况下，分别改变各组压电泵工作电压可实现变容积量微流体混口 o b.压电泵流量一定情况下，同时改变各组压电泵工作频率可提供具有不同混合效果的主动混合模式。
c.其他控制条件一定情况下，微混合器各组压电泵采用相位交错式电信号予以激励，实现微流体高频脉动错位式混合。
d.压电驱动微混合器电信号波形可选用正弦波或矩形波。
e.将压电泵输出流量、脉动混合频率、驱动电信号相位差，三控制参数合理匹配，可实现微流体在微流道内高效湍流式混合。
全文摘要
本发明公开了属于微混合器技术领域的一种压电驱动微混合器及其制作方法和控制方法。所述微混合器，由一整体PDMS基板将微流体驱动单元(即压电泵)和微混合单元(即混合流道)集成于一体，单晶片压电振子及单向阀片同PDMS基板封装构成压电泵，玻璃底板同PDMS基板封装构成混合流道；压电振子采用不同电压、频率、不同波形及相位交错式驱动电信号予以激励，实现微流体在微混合流道内高频脉动错位式混合。有效克服了微尺度下微流体依靠层流扩散进行混合，混合效率低，时间长等缺点，实现高效湍流混合。本发明优势在于制作方法简单、成本低、混合效率高、时间短、体积小、易于集成，可广泛应用于分析化学、微化工系统、环境监测、生命科学等领域。
文档编号B01F15/02GK102671572SQ20121017515
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者刘国君, 刘建芳, 李思明, 杨志刚, 王浩 申请人:吉林大学