专利名称：一种基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微全分析系统和生物芯片中微流体混合的技术领域，特指一种能够快速高效混合微流体的基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器。
背景技术：
微混合器作为微流控系统的重要组成部分，凭借其高效快速的混合性能，被越来越多的应用于生物分析、化学合成和临床测试等领域。在两股或多股流体进行化学反应时， 必须解决它们之间的有效混合，因而微混合器是微流控中的重要组成部分，由于微流控芯片通道结构在微米量级，通道中的流体通常处于层流状态，因此实现微尺度下流体的快速混合也变得至关重要。在不同雷诺数条件下，通道中的流体通过分子扩散和对流混合的途径实现混合。尽管前者的混合效率极高，但过小的流速导致其需要很长的混合时间。所以在微尺度下实现流体的快速且高速混合仍然是个挑战。按照混合过程的原理，微混合器一般分为弱化层流型和强化层流型两种。而弱化层流型又分为被动式和主动式微混合两种。主动式是通过外部对混合器施加影响促进混合，而被动式是在流体内部采取强化措施，即借助改变或布置不同形状和结构的微通道来控制混合过程。相比前者而言，被动式微混合器不需要添加额外的设备，易于加工，使用更为方便。而在加强被动式微混合器中流体扩散和混合的方法上，优化通道结构和强化混沌对流是目前被公认的最佳选择。基于成涡结构强化混合的被动式微混合器可以在布置成涡结构的弯曲通道内形成了扩展涡、分离涡和狄恩涡，实现了涡系的叠加和强化，加大了流体间的扰动，从而增加了流体的接触面积强化混合。并且该微混合器可以在只通过两个循环单元的流动内达成很高的混合效果。
发明内容本发明的目的是提供一种基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器，其具有结构简单、加工便易、快速且高效混合等特点，用于实现在生物芯片或微全分析系统中不同液体之间的快速均勻混合，缩短混合时间，提高混合效率。本发明采用如下技术方案基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器，由十字形通道、直通道和C形弯曲通道组成。即由直通道连接十字形通道、第一个C形弯曲通道和第二个C形弯曲通道，通道出口布置在与第二个C形弯曲通道连接的直通道出口位置，在C形弯曲通道内布置成涡结构。十字形通道与相连的C形弯曲通道相对的一端臂开有第二通道入口 2，与上述端臂相垂直的端臂上分别开有第一通道入口 1和第三通道入口 3。第一通道入口 1和第三通道入口 3所对应的通道的宽度相等，且二者之和恒等于第二通道入口 2所连通的通道宽度。第二通道入口 2所连通的通道的宽度与直通道、C形弯曲通道的宽度相同。[0009]所述的成涡结构包括缝隙单元4和挡板结构5。缝隙单元4布置在直通道与C形弯曲通道的连接处，缝隙单元4的宽度小于通道的宽度，且缝隙单元4沿流体流动方向上的中心线与直通道在此方向上的中心线相重合。挡板5布置在C形弯曲通道内，且其中心线的延长线经过C形弯曲通道的圆心。布置在C形弯曲通道内挡板5距离C形弯曲通道内外壁面距离相等，即挡板5沿流动方向上的中心线与C形弯曲通道在此方向上的中心线相切。且两个距离之和等于缝隙单元4垂直于流动方向上的径向宽度。每一个结构完整的C形弯曲通道内有且只布置一组成涡结构，即一个缝隙单元4 和一个挡板5。两种不同组分的流体分别从三个通道入口等速流入微混合器，第一通道入口 1和第三通道入口 3注入同组分的流体，以保证不同组分流体等量注入通道。该微混合器由两个相同结构的C形弯曲通道组成，它们之间由直通道进行连接，同时这两个相同结构的C形弯曲通道通过直通道分别与十字形通道和出口通道相连接，完成混合后流体从通道出口 7 流出。本实用新型的工作原理是两种不同组分流体(组分A和组分B)分别从三个不同通道入口流进微混合器。其中，组分A从通道入口 1和通道入口 3流入，组分B流体从通道入口 2流入，且组分A流体从组分B两侧垂直对向流入。当流经十字形通道区域时，增大了这两种不同组分流体的接触面积，完成初步混合。由于分子扩散混合程度很弱，主通道内的流体间形成明显的分界面，即三股流体一同流入缝隙单元4。当三股流体一同经过缝隙单元4后，缝隙单元对流体的挤压作用使其流速迅速加快，在缝隙单元4后形成了扩展涡， 加大了流体间的扰动；随后，当经过挡板5时，流体又被分离为两股流体，且在挡板5后侧形成分离涡；而流体流经C形弯曲通道时，均会在垂直于流体流动方向的截面内产生二次流， 形成狄恩涡。流体经过两个相同循环单元后从该微混合器的通道出口 7流出，完成混合过程。该微混合器借助简单的通道结构，利用障碍物对通道内的流场产生影响形成涡旋，在不同维度上实现了涡系的叠加和强化，从而增加了流体的接触面积，使得混合效果获得显著提尚。本实用新型具有下列优点与效果基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器在弯曲通道内形成了扩展涡，增加不同组分流体间的接触面积；在挡板后侧形成分离涡，增强流体间的扰动；在弯曲通道垂直于流体流动方向的截面上出现二次流现象，形成狄恩涡。通过简单的通道结构实现了涡系的叠加和强化，从而增加了流体的接触面积，使得混合效果获得显著提高；变截面的成涡结构加大弯曲通道微流体的质量流速，加剧了不同组分微流体的相互碰撞与扰动，从而进一步强化混合；与如图3所示的无成涡结构的平面被动式微混合器相比，由于成涡结构产生的几类漩涡分别发生在不同维度平面内，该微混合器明显提高了通道内微流体的混合强度。这也是其区别于简单“直通道-C形弯曲通道-直通道”结构微混合器的创新之处。
图1为本实用新型中提到的基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器平面结构示意图；图2为该平面被动式微混合器的三维结构示意图；图3为无成涡结构的简单平面被动式微混合器平面结构示意图；图中1、第一通道入口，2、第二通道入口，3、第三通道入口，4、缝隙单元，5、挡板， 6、C形弯曲通道，7、通道出口。
具体实施方式
以下结合附图及基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器在纳米流体制备中的应用对本发明作进一步的描述在纳米流体单步法制备中，通过调整不同组分流体的质量流量来控制反应生成的纳米颗粒粒径大小。所以可以借助此结构的微混合器实现微尺度下流体快速且高效的混合。该微混合器由聚二甲基硅氧烷有机硅(polydimethylsiloxane，简称PDMS)加工而成， 先通过注塑法在单晶硅片上实现通道结构图形转移和PDMS的固化，然后将PDMS从硅片上剥离。根据相对通道出入口位置在PDMS上打孔，并与耐热玻璃通过氧等离子处理方法进行不可逆键合，使该微混合器通道的完全封闭。最后在PDMS上预留的三个孔位置处安装接口，连接特氟隆塑料导管后完成实验件封装准备。如图1和图2所示，基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器，由十字形通道、直通道和C形弯曲通道组成。其中，三个通道入口 1，2，3分别布置在十字形通道上，由直通道连接十字形通道，第一个C形弯曲通道和第二个C形弯曲通道，通道出口布置在与第二个C形弯曲通道连接的直通道出口位置，在C形弯曲通道内布置缝隙单元4和挡板结构 5。缝隙单元4布置在直通道与C形弯曲通道的连接处，且缝隙单元4沿流体流动方向上的中心线与直通道在此方向上的中心线相重合。挡板5布置在C形弯曲通道内，且其中心线的延长线经过C形弯曲通道的圆心，即挡板5沿流动方向上的中心线与C形弯曲通道在此方向上的中心线相切。十字形通道与相连的C形弯曲通道相对的一端臂开有第二通道入口 2，与上述端臂相垂直的端臂上分别开有第一通道入口 1和第三通道入口 3。微混合器第二通道入口 2宽度为200 μ m,第一通道入口 1和第三通道入口 3宽度为第二通道入口 2宽度的一半。十字形结构到弯曲通道的轴向长度为1370 μ m,弯曲通道的曲率半径为250 μ m,挡板的厚度B为60 μ m，其径向宽度为150 μ m。两个C形弯曲通道间的直通道长度为570 μ m， 且第二个C形弯曲通道末端到通道出口 7的直通道长度为1500 μ m。PDMS上对应出入口的位置三个孔洞直径为3mm。用于制备纳米流体的两种不同组分流体AgNO3溶液和溶有聚乙烯吡咯烷酮的 NaBH4溶液，在三台微注射泵的压力驱动下分别从三个通道入口等速流入微混合器，第一通道入口 1和第三通道入口 3注入均注入AgNO3溶液，且两个通道入口的宽度之和等于第二通道入口 2的通道宽度，以保证不同组分流体等量注入通道便于比较。溶有聚乙烯吡咯烷酮的NaBH4溶液从通道入口 2注入。此时AgNO3溶液从NaBH4溶液两侧垂直对向流入。首先， 三股流体在十字形通道内汇合后形成明显的分界面，随着相互接触借助分子扩散作用进行少量混合，由于分子扩散混合程度很弱，主通道内的流体间形成明显的分界面，即三股流体等速向前流动；经过十字形通道后，流体一同流入连接十字形通道和第一个C形弯曲通道6 的直通道。当流体经过一个缝隙单元4后，三股流体被挤压和加速，在挡板结构5前方出现了射流现象，且在在缝隙单元4后侧形成了扩展涡，加大了流体间的扰动；接着，经过挡板结构5后通道内的流体又被重新分离成两股，并在挡板结构5后侧形成分离涡，之后进入第二个C形弯曲通道后从该微混合器的通道出口 7流出，完成混合过程。流体流经两个结构相同的C形弯曲通道时，均会在垂直于流体流动方向的截面内产生二次流，形成狄恩涡。该微混合器借助简单的通道结构，利用障碍物对通道内的流场产生影响形成涡旋，在不同维度上实现了涡系的叠加和强化，从而增加了流体的接触面积，使得混合效果获得显著提高， 进一步加快反应速度和加速反应过程。
权利要求1.基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器，由十字形通道、直通道和C形弯曲通道组成；其特征在于由直通道连接十字形通道、第一个C形弯曲通道和第二个C形弯曲通道，通道出口布置在与第二个C形弯曲通道连接的直通道出口位置，在C形弯曲通道内布置成涡结构；十字形通道与相连的C形弯曲通道相对的一端臂开有第二通道入口 O)，与上述端臂相垂直的端臂上分别开有第一通道入口(1)和第三通道入口(3)。
2.根据权利要求1所述的基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器，其特征在于第一通道入口(1)和第三通道入口 C3)所对应的通道的宽度相等，且二者之和恒等于第二通道入口( 所连通的通道宽度；第二通道入口( 所连通的通道的宽度与直通道、C形弯曲通道的宽度相同。
3.根据权利要求1所述的基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器，其特征在于所述的成涡结构包括缝隙单元(4)和挡板结构(5)；缝隙单元(4)布置在直通道与C形弯曲通道的连接处，缝隙单元(4)的宽度小于通道的宽度，且缝隙单元(4)沿流体流动方向上的中心线与直通道在此方向上的中心线相重合；挡板( 布置在C形弯曲通道内，且其中心线的延长线经过C形弯曲通道的圆心。
4.根据权利要求3所述的基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器，其特征在于布置在C形弯曲通道内挡板(5)距离C形弯曲通道内外壁面距离相等，即挡板(5)沿流动方向上的中心线与C形弯曲通道在此方向上的中心线相切；且两个距离之和等于缝隙单元(4)垂直于流动方向上的径向宽度。
5.根据权利要求1所述的基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器，其特征在于每一个结构完整的C形弯曲通道内有且只布置一组成涡结构。
专利摘要一种基于成涡结构强化混合的平面被动式微混合器，其应用涉及微全分析系统和微流控芯片中微流体混合及其相关领域。该微混合器由直通道连接十字形通道、第一个C形通道和第二个C形通道，通道出口布置在与第二个C形通道连接的直通道出口位置，在C形通道内布置成涡结构；十字形通道与相连的C形通道相对的一端臂开有第二通道入口(2)，与上述端臂相垂直的端臂上分别开有第一通道入口(2)和第三通道入口(3)。与无成涡结构的平面被动式微混合器相比，由于成涡结构产生的几类漩涡分别发生在不同维度平面内，该微混合器明显提高了通道内微流体的混合强度。
文档编号B01L3/00GK202199279SQ201120249288
公开日2012年4月25日 申请日期2011年7月14日 优先权日2011年7月14日
发明者周明正, 夏国栋, 李健, 田欣平 申请人:北京工业大学