一种不对称扇形腔微混合器的制作方法

本实用新型涉及一种新型不对称扇形腔微混合器。该不对称扇形腔微混合器的混合方式为被动式。

背景技术：

微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，因此又被称为芯片实验室；微混合器是微流控芯片的重要组成部分之一，性能优良的微混合器具有快速高效混合、易于控制和易于集成的特点，且成本较低，结构简单，混合良好。

微混合器根据是否外加驱动装置可分为主动式微混合器和被动式微混合器，主动式微混合器主要是通过外加不同的场来驱使试验中的流体混合，虽然这种混合器的混合效果较好，但是由于结构复杂，成本较高，在各个领域中实现这种技术的普遍性并不高；被动式微混合器主要通过设计调整微混合器中的混合通道的外形几何特征或者材料性质来改变微流体混合的过程，达到加强流体的对流扩散作用，实现高效率的微流体混合。

在微米量级的尺度下，流体的对流作用带来的混合效应并不强烈，在这种情况下，微流体的混合主要依靠分子间的扩散作用，所以在一定的实验要求之下，流体的混合变得较为困难；性能优良的微混合器通过简单的结构能够提升流体之间混合的效率，达到预期的混合效果。

现在对不同微流体的混合的主要方法是在微混合器内增加一定数量的挡板，挡板会对通道内的流体流动产生阻扰作用，使得流体混合的对流扩散作用增强，同时也使得流体的流动损失增大；本实用新型的创新点在于改进了流道内的结构，不需要挡板结构，使得混合时间短、混合流道短、流体混合充分、混合效率提高。

被动式微混合器相比于传统宏观下的混合器具有很多优点；微混合器的体积小，极大的降低了对实验资源的损耗，同时以较少的待混合实验试剂获得较高程度的试剂混合效果，并且响应速度快，混合效率高，因此有着广泛的应用前景。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种结构简单、使用方便的不对称扇形腔微混合器，用于进一步缩短混合通道长度，减少混合时间，提升混合的效率。

本实用新型的技术方案是：一种不对称扇形腔微混合器，包括第一进口管（1）、第二进口管（2）、连接通道（3）、微混合单元（4）、出口管（11）；所述微混合单元（4）由微混合单元入口（5）、微混合单元出口（6）、第一渐缩弯管（7）、第二渐缩弯管（8）、第三渐缩弯管（9）、扇形腔（10）组成。

所述的不对称扇形腔微混合器特征在于：两种待混合微流体分别从第一进口管（1）和第二进口管（2）流入连接通道（3），再流经微混合单元（4），由出口管（11）排出；所述第一进口管（1）、第二进口管（2）的管径为30微米，所述连接通道（3）、出口管（11）的管径为50微米，所述第一进口管（1）、第二进口管（2）中心线夹角为90度，所述连接通道（3）长度为100微米。

本实用新型的收益在于：两种待混合微流体在通道内流动过程中第一渐缩弯管、第二渐缩弯管、第三渐缩弯管及扇形腔形成“收缩-扩张”通道结构，共同对微流体的流动产生干扰，打破原微流体流动的层流状态；由于混合管道壁面的约束作用，混合流体在混合管道内流动经过“收缩-扩张”通道结构时加强了微混合器内的两种微流体的非均匀性，使对流作用更加强烈，从而增强混合器的混合效果。

本实用新型使用商用有限元软件COMSOL Multiphysics 作为模拟仿真软件，该软件是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，用数学方法求解真实世界的物理现象。

本实用新型所设计的结构为单层结构，通过一次光刻就可以制造模具，和传统的多层结构相比具有结构简单、便于大规模生产配置组装、成本较低的特点；并且本实用新型的优势在于，相比于其他微混合器具有更优化的单层结构，能够使流体之间完成更快、效率更高的混合，所适用的雷诺数范围广，能满足大部分实验的需求。

附图说明

图1为不对称扇形腔微混合器结构示意图。

图2为不对称扇形腔微混合器的微混合单元结构主视图。

图中：O₁：扇形腔（10）外圆弧圆心，第一渐缩弯管（7）、第二渐缩弯管（8）、第三渐缩弯管（9）外圆弧圆心；O₂：扇形腔（10）内圆弧圆心，第一渐缩弯管（7）、第二渐缩弯管（8）、第三渐缩弯管（9）内圆弧圆心； a：扇形腔（10）外圆弧半径；b：扇形腔（10）内圆弧半径；c：第一渐缩弯管（7）、第二渐缩弯管（8）、第三渐缩弯管（9）内圆弧半径；d：第一渐缩弯管（7）、第二渐缩弯管（8）、第三渐缩弯管（9）外圆弧半径；e：以上所述内圆弧与外圆弧圆心距。

图3为混合流体过程的测流流线仿真图。

具体实施方式

一种不对称扇形腔微混合器，采用PDMS为材料，经过光刻、显影等工艺步骤制得SU8模具；然后将与固化剂混合过的PDMS材料涂于模具上，经过加热固化后脱模制得PDMS阴模；再将与固化剂混合过的PDMS材料涂于PC片上，再加热固化后脱模制得PDMS平板；PDMS阴模与平板键合所得微结构即为所述微流体混合器结构。

一种新型不对称扇形腔微混合器，混合方式为被动式，包括第一进口管（1）、第二进口管（2）、连接通道（3）、微混合单元（4）、出口管（11），所述微混合单元（4）由微混合单元入口（5）、微混合单元出口（6）、第一渐缩弯管（7）、第二渐缩弯管（8）、第三渐缩弯管（9）、扇形腔（10）组成，相邻两个微混合单元（4）之间以及混合单元与第一进口管（1）、第二进口管（2）、出口管（11）之间通过连接通道（3）连接。

所述的不对称扇形腔微混合器特点在于：所述的第一渐缩弯管（7）由两段圆弧组成，外圆弧半径与内圆弧半径之比为5:3，两圆弧圆心距与外圆弧半径之比为10:1；所述的第二渐缩弯管（8）、第三渐缩弯管（9）均由两段圆弧组成，两段渐缩弯管的外圆弧与所述第一渐缩弯管（7）的外圆弧为同一圆的不同段圆弧，两段渐缩弯管的内圆弧与所述第一渐缩弯管（7）的内圆弧为同一圆的不同段圆弧；所述的扇形腔（10）由两段圆弧组成，所述的扇形腔（10）的外圆弧与所述第一渐缩弯管（7）的外圆弧同心，半径差值的绝对值为所述第一渐缩弯管（7）外圆弧半径的1/10；所述的扇形腔（10）的内圆弧与所述第一渐缩弯管（7）的内圆弧同心，半径差值的绝对值为所述第一渐缩弯管（7）外圆弧半径的1/10；所述的第一渐缩弯管（7）所对应扇形圆心角为20度，所述的第二渐缩弯管（8）所对应扇形圆心角为180度，所述的第三渐缩弯管（9）所对应扇形圆心角为25度。

所述第一渐缩弯管（7）与第二渐缩弯管（8）以及第三渐缩弯管（9）的内外圆弧为两个整圆的不同圆弧段，其延伸线相交处应为光滑过渡，且各圆弧段延伸后相交为两个整圆。

由微混合单元入口（5）流入微混合单元（4）的微流体被分成两股支流，两股支流的体积比理论值为1:1；其中第一支流流经第一渐缩弯管（7）、扇形腔（10）、第二渐缩弯管（8），第二支流流经第二渐缩弯管（8）；第一支流经历“收缩-扩张-收缩”过程，第二支流一直处于“不断收缩”状态；两股支流在微混合单元出口（6）处混合流出。

所述不对称扇形腔微混合器易于集成，根据具体实验混合精度的要求，可串联多个所述微混合单元（4），相邻两个微混合单元之间通过连接通道（3）连接，直到达到实验要求的混合精度为止。