微型工艺技术中的表面特征的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是国际申请号为PCT/US2006/011198,国际申请日为2006年3月23日的 PCT国际申请进入中国国家阶段后的申请，申请号为200680017580. 9,发明名称为"微型工 艺技术中的表面特征"的发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请
[0003] 本申请是2005年3月23日提交的美国专利申请顺序号第11/089, 440号的部分 继续申请。另外，根据35U.S.C.第119(e)条，本申请要求以下美国临时申请的优先权： 2005年7月8日提交的第60/697, 900号，2005年10月13日提交的第60/727, 126号，以 及2005年10月27日提交的第60/731，596号。
技术领域
[0004] 本发明涉及微通道设备，其包括具有用来改善流动的内表面特征（feature)的微 通道；本发明还涉及使用所述微通道结构的方法，以及具有这些特征的设备的制造方法。
【背景技术】
[0005] 近年来，在工业和学术方面对微型设备表现出了极大的兴趣。人们之所以产生这 些兴趣是因为微技术包括以下的优点：尺寸减小、生产能力提高、能按大小排列具有任意所 需能力的系统（即〃增加 （number up) 〃通道的数目）、提高传热和提高传质。Gavrilidis 等已提供了涉及微型反应器（微通道设备部分）的一些成果的评论，参见《微型工艺反应器 的技术和应用(Technology And Applications Of Microengineered Reactors)》Trans. IchemE，第80卷，A部分，第3-30页（2002年I月）。
[0006] 表面特征已被用于微通道内进行混合。现有技术在微流体应用中使用表面特征来 增强极低雷诺数下两股流体流的混合。通常雷诺数的数值小于1〇〇,更常约为0.1-10。良 好的混合器定义为：离开所述微混合器的物料在横截面上的物质组成差异很小。另外，现 有技术提出：在低雷诺数下使用表面特征是特别有效的，但是随着雷诺数增大超过10或 100,混合效率会降低。
[0007] Svasek在1996首先讨论了基于使用具有凹槽或凹入角（recessed angle)的壁的 现有技术微混合器，其中将一系列有角度的凹槽（每个特征具有一种固定角度的斜凹槽） 置于一壁中，用来将碘蓝淀粉溶液与照相定影液混合。描述了与平坦的通道相比，混合获得 提高，目标是通过使得流体在主通道中弯曲而进行混合，使得主流动通道中的两种液体的 扩散距离减小，扩散可完成最终的混合。凹槽深度与通道间隙之比为〇. 25。
[0008] Johnson, Ross和Locascio在2001年12月在网上又描述了使用具有凹槽的表面， 他们描述了使用使用四种斜凹槽（每个特征具有一种固定的斜凹槽）来增强微混合器主通 道中的混合。作者描述了对于所有评价的情况，在较低流速或较低雷诺数下都改进了混合。 他们还描述了在四个重复的同样凹槽的区之后对斜凹槽增加不同的角度。尽管性能获得提 高，但是随着雷诺数的增大，混合性能会降低。凹部或凹槽的深度与通道间隙之比为2. 74。
[0009] 在2002年1月，Strook等在Science中描述了两种凹槽通道微混合器的使用，该 具有固定的斜角凹槽和第二图案的微混合器被称为交错人字形混合器（SHM)，其中所述有 角度的特征连续六个特征后就发生变化。该工作的中心是改进通过所述微通道的两种低雷 诺数（小于100)物流的液体的混合。作者描述了混合长度随着皮克里特准数的对数值线 性增大。所述皮克里特准数定义为速度X通道间隙+扩散系数。在较高的速度下，所需 的混合长度增大，表示不利于混合。对于SHM，凹槽深度与通道间隙之比的最大值为0.6。
[0010] 同样在2002年，Strook等在Analytical Chemistry中描述了一系列类似的具有 固定角度的斜角，用来混合雷诺数为的流体混合物，所述凹槽深度与通道间隙之比的最大 值为1. 175。该作者描述了流动为螺旋形，这与旋转流体物流的螺距有关。作者声称交错的 人字形混合器将会通过在低雷诺数下产生拉格朗日混乱而加速微流体器件中的混合。
[0011] Johnson和Locascio在2002年6月描述了 一种微混合器，其具有四种连续的倾斜 凹槽，以增强总体流动通道中的混合。作者声称当凹部或凹槽深度增大到高达50微米时， 通道中的液体传递获得提高，而超过该深度时，则不提高。更深的深度被称为死区区域，流 体或分子可能会被俘获在该区域内而不是混合。雷诺数小于1。作者还声称具有凹部或凹 槽的通道的轴向分散高于平坦的或无凹部的壁的轴向分散。凹槽深度与通道间隙之比为 0.32-2. 74。作者提到当比值超过1.6时，不会有进一步的改进。在所有的情况下，图表显 示混合流体几乎没有进入凹槽的内壁。
[0012] Strook 和 Whitesides 在 2003 年在 Accounts of Chemical Research 中讨论了使 用交错的人字形混合器，通过以规律的间隔或周期改变凹槽的取向，使主通道中的流体拉 伸和弯曲。对于雷诺数小于1的情况，使用的凹槽深度与通道间隙之比为0.44。作者声称 混合长度与流速的对数值成正比，这是因为交错的人字形混合器（SHM)促进了主流动通道 中的混乱的平流。在未混合的通道中，混合长度与流速成正比。作者还声称SHM减小了微 通道中的泊萧叶流动的分散。
[0013] 在 2003 年，Aubin 等在 Chemical Engineering Technology 中描述了斜向混合 器，该斜向混合器会产生极少的对流混合，这是因为围绕通道的边缘产生了强的螺旋流，但 是并没有包括通道的中央流。与之相反，SHM产生了极好的通道内混合。在此研究中，凹槽 深度与通道间隙之比小于0.6。雷诺数为2。作者声称，发现在通道凹槽中流体变形（表示 流体伸展或运动）的程度最低，但是这可能不是用来对混合性能进行量化的良好的度量。
[0014] Wang等在2003年7月，在J. Micromech. Microeng中公开了大量对带具有图案的 凹槽的微通道的研究。凹槽深度与通道间隙之比为0.1-0. 86。所用的雷诺数为0.25-5。 该图案由一系列同样的斜角凹槽组成，每个凹槽具有固定的角度。作者声称凹槽的高宽比 (aspect ratio)是混合最重要的变量，该高宽比为0. 86时要优于高宽比为0. 1的情况。在 主通道中的流动图案似乎是单一的涡流。从图中可以看出，当雷诺数增大时，剪切速率或定 义的螺旋性的幅度更低。循环中的平均剪切或螺旋性似乎与雷诺数无关。作者声称对于该 种几何结构不存在混乱的平流。作者声称微通道中具有图案的凹槽产生了死体积，但是较 深的特征也可改进混合和缩短混合的通道长度。据称这些混合器可以在较低的流速（Re〈5) 下工作，这减小了压降。
[0015] Bennett和Wiggins在2003年，在网上公开了 SHM的各种几何结构的对比。具体 来说，除去了短支段（short leg)，将凹槽的深度减半和加倍。雷诺数小于0.1。发现除去 短支段时，使用深度加倍的凹槽比原来的SHM改进混合；凹槽的深度减半则混合略逊于原 来的SHM。作者声称混合器的效果是由于沟道混合造成的，一些流体在凹槽或沟道中，在通 道内往复运动，为流体增加了额外的剪切，从而增强了混合。由于提出了这种机理，作者认 为可以除去SHM的短支段而几乎没有影响-从而产生仅有一个角度的特征。作者还声称有 凹槽的通道的压降小于简单的无凹槽的通道，这是因为凹槽的开口有效地发挥作用，削弱 无滑动边界条件。最后，作者讨论了混合长度随着Pe的对数值增大的函数关系。也即混合 长度随着速度或扩散距离的增大而增大或随着质量扩散系数的减小而增大。
[0016] Kim等在2004年4月公开了嵌入障碍的混乱微混合器的使用，所述障碍置于主流 动通道内，该主流动通道内还具有一系列有角度的凹槽的阵列，每个特征包括一个角度。作 者声称特征可以在通道的顶部和底部形成