一种负流阻振荡器及构建方法与流程

本发明属于微流控器件，特别是一种负流阻振荡器及构建方法。

背景技术：

微流控是一项涉及到精密机械、流体力学、生物医学、化学等多个领域的交叉性科学技术，在生化分析、医疗诊断、药物筛选等方面存在广泛应用，并具有效率高、所需试样/试剂少、仪器设备便于小型化设计等优点，因而在近年获得了较快发展。

流体振荡器广泛应用于流体的控制和测量、流体混合、传热增强、预防污染以及清洁通道、增强化学反应等。传统的宏观流体振荡器技术已经发展的比较成熟了，比如：gopalans.,russellg.,etal.2009.highefficiencymultiplethroatfluidicoscillator.unitedstatespatent.no.:2009/0236449，美国专利：2009/0236449a1；stoufferr.d.,santamarinaa.2006.fluidicoscillatorandmethod，美国专利：7134609b1；raghus.2001.feedback-freefluidicoscillatorandmethod，美国专利:6253782b1等等，这些设计通常都依赖于流体惯性，且只在高流量的情况下工作。在低雷诺数情况下，特别是微流体领域下，相关的设计选择还十分受限。

在之前，我们发明了一种振荡器(xiah.m.,wangz.p.,fanw.,wangz.f.,amicrofluidicdeviceforalteringafluidflowandamicrofluidicsystemincludingthemicrofluidicdevice,internationalpublicationno.:wo2012/036627a1)，主要包括一个主腔室以及一个弹性膜。但是这种振荡器的结构相对复杂且制作成本高；与此同时，由于该振荡器的弹性膜的边缘是不固定的，这也可能影响整个振荡器的性能的一致性以及稳定性。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于负微分流阻原理(negativedifferentialflowresistance)的流体振荡器(简称负流阻振荡器)，以及构建这种负流阻振荡器的方法，以解决层流流动下，流体粘性力占主导、微观流体振荡器选择受限的问题。此外还进一步优化了现有技术的振荡器结构复杂成本高、稳定性不够的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种负流阻振荡器的构建方法，包括产生偏压的恒定流阻，在偏压作用下发生变形的弹性结构，流动阻力随泵压而改变的压变流阻。

一种负流阻振荡器，包括入口、出口、腔室，所述入口位于腔室的上端，所述出口位于腔室的下端；所述腔室中间设有弹性结构，并将腔室分隔成上腔室和下腔室；所述上腔室和下腔室之间设有产生恒定流阻的微流道，微流道将上腔室和下腔室连通。

一种负流阻振荡器，包括入口、出口、腔室，所述入口位于腔室的上端，所述出口位于腔室的下端；弹性板的一端与腔室固定，另一端与腔室之间设有间隙作为微流道；弹性板形成一端固定的悬臂板的结构。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明中的弹性结构边缘是完全夹紧或者固定的状态，鲁棒性好。

(2)微通道、微孔的设计可以取代凹槽或者弹性结构上的开口，更容易对器件性能进行表征。

(3)弹性结构与腔室可一体化加工或单独加工。

(4)本发明的负流阻振荡器可以通过弹性结构的形变量计算出水容(fluidcapacitance)，根据流道的长度和横截面积计算出流阻(flowresistance)，根据流体的密度等参数计算流体感应系数(fluidinductance)等参数。

(5)本发明的振荡器装置结构简单，操作控制更加方便。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例1中单个微流道的负流阻振荡器的结构示意图。

图2是本发明实施例1中多个微流道的负流阻振荡器的结构示意图。

图3是本发明实施例1中弹性结构与底板材料相同的负流阻振荡器的多层结构示意图。

图4是本发明实施例1中弹性结构与底板材料相同的负流阻振荡器的三层结构示意图。

图5是本发明负流阻振荡器实施例2的结构示意图。

图6是本发明负流阻振荡器实施例3的主视结构示意图。

图7是本发明负流阻振荡器实施例3的俯视结构示意图。

图8是本发明负流阻振荡器中弹性结构与腔室为整体加工的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种负流阻振荡器的构建方法，包括产生偏压的恒定流阻，在偏压作用下发生变形的弹性结构，流动阻力随泵压而改变的压变流阻；首先设置一个腔室，入口位于腔室上端，出口位于腔室下端，通过弹性结构将腔室分为上、下两个腔室；在上、下腔室之间设置微流道以对流体产生恒定流阻；流体从入口流入腔室，在恒定流阻作用下上腔室和下腔室之间会产生一个偏压；在偏压的作用下，弹性结构向下弯曲，弹性结构与下腔室下端表面构成了一个压变流阻；且压变流阻的大小随腔体入口外部的泵压的变化而变化。

根据上述构建方法的一种负流阻振荡器，包括入口1、出口2、腔室，其特征在于，所述入口1位于腔室的上端，所述出口2位于腔室的下端；所述腔室中间设有弹性结构4，并将腔室分隔成上腔室31和下腔室32；所述上腔室31和下腔室32之间设有产生恒定流阻的微流道5，微流道5将上腔室31和下腔室32连通。

进一步的，所述弹性结构4为弹性膜或硅橡胶、铜等弹性金属或者其他任何柔性材料制成的弹性板。

所述弹性结构4可单独加工后固定在上腔室31和下腔室32之间，也可以与腔室整体加工。

所述入口1和出口2的流向可以相同，相互垂直，或相反设置。

实施例1.

结合图1-2，一种负流阻振荡器，包括入口1、出口2、腔室，所述入口1位于腔室的上端，所述出口2位于腔室的下端；所述腔室中间设有弹性结构4，并将腔室分隔成上腔室31和下腔室32；所述上腔室31和下腔室32之间设有产生恒定流阻的微流道5，微流道5将上腔室31和下腔室32连通；所述微流道5设置在腔室3的外部，数量至少为1个。

在一些实施方式中，所述微流道5的尺寸同时远小于入口1和出口2的尺寸，以产生恒定流阻，进一步地使得上下腔室之间产生偏压，弹性结构4开始弯曲。

在另外一些实施方式中，微流道5采用s形或z形的迂回形流道结构，以在上下腔室之间产生偏压，使得弹性结构4在偏压下产生弯曲；或者在微流道5中设置多个阻碍液体流道的格栅以产生恒定流阻，以在上下腔室之间产生偏压。

结合图1，所述入口1的流向平行于弹性结构4的平面设置，出口2的流向垂直于入口1的流向；结合图2，所述入口1的流向垂直于弹性结构4的平面设置，出口2的流向平行于入口1的流向，且流向相同；结合图3，所述入口1的流向平行于弹性结构4的平面设置，出口2的流向平行于入口1的流向，且流向相反；结合图4，所述入口1的流向平行于弹性结构4的平面设置，出口2的流向平行于入口1的流向，且流向相同。

结合图4，所述弹性板4与腔室一体化加工，以减少加工工序，降低成本。

实施例2.

结合图5、一种负流阻振荡器，包括入口1、出口2、腔室，所述入口1位于腔室的上端，所述出口2位于腔室的下端；所述腔室中间设有弹性结构4，并将腔室分隔成上腔室31和下腔室32；所述上腔室31和下腔室32之间设有产生恒定流阻的微流道5，微流道5将上腔室31和下腔室32连通；所述微流道5设置在腔室3的内部，并设置在弹性结构4上，弹性结构4上设有通孔作为微流道5，通孔的尺寸远小于入口1和出口2的尺寸，以产生恒定流阻，在上下腔室之间产生偏压，使得弹性部件4开始弯曲。

实施例3.

结合图6-7，一种负流阻振荡器，包括入口1、出口2、腔室，所述入口1位于腔室的上端，所述出口2位于腔室的下端；所述腔室中间设有弹性板6，并将腔室分隔成上腔室31和下腔室32；弹性板6的一端与腔室3固定，另一端与腔室之间设有间隙作为微流道5，以产生恒定流阻；弹性板6形成一端固定的悬臂板的结构。

工作时，所述弹性结构4与腔室3发挥的作用类似于水容，当流体从入口1流入腔室3时，由于恒定流阻的存在，在上腔室31和下腔室32之间会产生一个偏压，在偏压的作用下，弹性结构4向下弯曲，反向地增加了流动阻力，在这种情况下，弹性结构4与下腔室32下端表面也构成了一个压变流阻，且压变流阻的大小随入口1外部泵压的变化而变化。随着泵压的增加，弹性结构4的挠度与流体的流动阻力也跟着增加。当弹性结构4弯曲一定程度时，弹性结构4与下腔室32底部会形成一个狭窄的间隙，当流体流过间隙时，流体速度变快，而由于伯努利效应，流体的一部分静压转变为动压，此时会在弹性结构4上产生一个压降，使得弹性结构4进一步向下弯曲。当达到一个临界的压力值时，阻力的微弱变化也会产生较大的影响：进一步增加外部泵压会导致流量的减少，也就是说：微分流阻变为负值，弹性结构4发生自激振荡，稳定流动变为振荡流动。整个流体振荡器类似于一个具有非线性电阻的电子rlc振荡器。

结合图8，一种负流阻振荡器的加工过程，底板可通过微铣削、热压、注塑、冲孔、激光烧蚀等方式逐层加工最终形成振荡器，接着通过使用粘合剂粘合，热粘合或通过机械夹持的方式使得多个底板结合起来。其中：底板材料可以是高分子聚合物(比如pmma，pc，coc等)，玻璃，金属等。弹性结构4可以是硅橡胶、弹性金属膜或者其他柔性材料。结合图3，一种负流阻振荡器的多层结构示意图，包括入口1、出口2、腔室，其中入口1加工于第一层底板，上腔室31与部分微流道5加工于第二层底板，下腔室32与部分微流道加工于第三层底板，且弹性结构4与第三层底板一体化加工，出口2加工于第四层底板，微流道5将上腔室31、下腔室32连通；所述入口1的流向平行于弹性结构4的平面设置，出口2的流向平行于入口1的流向，且流向相反。结合图4，一种负流阻振荡器的三层结构示意图，包括入口1、出口2、腔室，其中入口1加工于第一层底板，上腔室31与部分微流道5加工于第二层底板，下腔室32、部分微流道、出口2加工于第三层底板，且弹性结构4与第三层底板一体化加工，第二层、第三层的微流道5将上腔室31、下腔室32连通；入口1的流向平行于弹性结构4的平面设置，出口2的流向平行于入口1的流向，且流向相同。

本发明的负流阻振荡器可以通过弹性结构4的形变量计算出水容(fluidcapacitance)，根据流道的长度和横截面积计算出流阻(flowresistance)，根据流体的密度等参数计算流体感应系数(fluidinductance)等参数；本发明中的弹性结构4边缘是完全夹紧或者固定的状态，鲁棒性好；整个结构简单，操作控制更加方便。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。