一种内置周期性阻块和挡板的被动式微混合器制造技术

本发明专利技术公开一种微流体系统中的内置周期性阻块和挡板的被动式微混合器，由上盖板和与上盖板键合在一起且位于上盖板正下方的混合板组成，混合板上设有一个主通道、一个出口通道和三个入口通道，在主通道内部沿主通道中心轴方向上设有多个混合单元，每个混合单元由四个圆柱形阻块和两个三角形挡板构成；在中心轴的前侧，沿中心轴方向上每一个三角形挡板、两个圆柱形阻块依次交错布置；在中心轴的后侧，沿中心轴方向上每两个圆柱形阻块、一个三角形挡板依次交错布置，每个三角形挡板均位于两个圆柱形阻块的对面正中间；三角形挡板具有集流和增大流体径向速度梯度的作用，多个混合单元可以不受雷诺数大小的影响，在所有雷诺数范围内实现完全混合。

【技术实现步骤摘要】
一种内置周期性阻块和挡板的被动式微混合器
本专利技术涉及微机电领域中的微流体系统，尤其涉及微流体系统中的微混合器。
技术介绍
微流体系统通过对微通道、微泵、微阀、微混合器的集成，实现在微尺度下对微量流体的控制、操作和检测，其已成为微机电系统的一个重要分支。在微流体系统中，整个系统的分析效率往往取决于两种或多种流体能否快速、充分混合，因此微流体混合技术是微流体系统的重点。作为微流体系统的重要组成部分，微混合器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、生物芯片、微化工系统中应用越来越广泛。微混合器根据有无额外动力源，可分为被动式和主动式两类。被动式微混合器主要采用具有复杂几何结构（如在微流道中增加挡板、开设沟槽等）的微通道来形成混沌对流，以提高流体的对流强度，从而增加流体混合的接触面积，提高混合效率；主动式微混合器主要通过增加外部扰动（如磁场/电场扰动、热扰动，、超声波扰动等）来促进微流体混合。相比较而言，由于被动式微混合器不需要附加额外动力源，因此更加稳定且易于集成。而在提高被动式微混合器混合效率的方法上，优化通道结构和强化混沌对流是目前被公认的最佳方法之一。在微尺度下，由于雷诺数很低，难以形成湍流，要实现微流体的完全混合（混合效率大于90%）是很困难的。因而现有的被动式微混合器只有在雷诺数大于一定数值后，才能达到完全混合的指标，这在一定程度上限制了所设计的微混合器的使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有的被动式微混合器只有在雷诺数大于一定数值后才能达到完全混合的不足而提出一种内置周期性阻块和挡板结构的被动式微混合器，可以在所研究的所有雷诺数范围内实现微流体的完全混合，结构简单，加工方便，易于集成化和微型化。本专利技术采用的技术方案是：本专利技术由上盖板和与上盖板键合在一起且位于上盖板正下方的混合板组成，混合板上设有一个主通道、一个出口通道和三个入口通道，三个入口通道在混合板的左半部分上，出口通道在混合板的右半部分上，三个入口通道和出口通道之间连接主通道，在主通道内部沿主通道的中心轴的方向上设有多个混合单元，每个混合单元由四个圆柱形阻块和两个三角形挡板构成；在中心轴的前侧，沿中心轴方向上每一个三角形挡板、两个圆柱形阻块依次交错布置；在中心轴的后侧，沿中心轴方向上每两个圆柱形阻块、一个三角形挡板依次交错布置，每个三角形挡板均位于两个圆柱形阻块的对面正中间；圆柱形阻块的截面是圆形，三角形挡板为主通道的外壁向主通道内部凹陷形成的截面是等腰直角三角形的结构，三角形挡板的底边与主通道的外壁相重合，等腰直角三角形顶角为90°且该顶角的顶点在所述中心轴上，等腰直角三角形底边的两个顶点与正对面的圆柱形阻块的圆心之间连接线垂直于所述中心轴。进一步地，所有的圆柱形阻块沿中心轴方向上等距布置，所有的三角形挡板沿中心轴方向上等距布置，每个圆柱形阻块均位于中心轴和主通道外壁之间的正中间。进一步地，圆柱形阻块和三角形挡板的上下高度与主通道的高度相同。本专利技术与现有技术相比后的有益效果是：本专利技术是利用特殊的流道结构形式，使流体在微流道中产生剧烈的混沌对流的原理设计而成的；混沌对流时能使原本平行的流体层发生拉伸、分割、扭曲、折叠等现象，促使流体产生横向流动和旋涡区，可显著强化混合。本专利技术中的三角形挡板具有“集流”和增大流体径向速度梯度的作用，使流体局部速度变化突然增大，并在圆柱形阻块附近产生绕流，形成漩涡区，从而有效提高混沌对流强度，增加流体间的接触面积，达到完全混合。与其他利用混沌对流原理促进混合的被动式微混合器结构相比，本专利技术结构更为简单，便于加工和集成，更重要的是，本专利技术具有多个混合单元，可以不受雷诺数大小的影响，在所研究的所有雷诺数范围内实现微流体的完全混合。附图说明图1为本专利技术的主体结构剖视图；图2为图1中上盖板15的俯视图；图3为图1中A-A方向混合板8的剖视图；图4为图3中混合板8上单个混合单元的放大图；图5为混合单元数分别是5、6、7时本专利技术的混合效率与雷诺数的关系图；图中：1.入口通道；2.入口通道；3.主通道；4.圆柱形阻块；5.三角形挡板；6.中心轴；7.出口通道；8.混合板；9.入口通道；10.十字型通道；11.进口孔；12.进口孔；13出口孔；14进口孔；15上盖板。具体实施方式如图1所示，本专利技术由上盖板15以及与上盖板15键合在一起的混合板8组成，混合板8位于上盖板15的正下方，上盖板15的厚度为H1，100μm≤H1≤200μm。再参见图2，在上盖板15上开有三个进口孔和一个出口孔，这四个孔均是垂直的通孔，上下高度均为H1，等于上盖板15的厚度。分别是在上盖板15左半部分上的第一进口孔11、第二进口孔12、第三进口孔14以及在上盖板15右半部分上的出口孔13。再参见图1和图3，在混合板8上设有一个主通道3、一个出口通道7和三个入口通道，混合板8上的这些所有通道的上下高度均是H2。三个入口通道分别是第一入口通道1、第二入口通道2和第三入口通道9。其中，三个入口通道位于混合板8的左半部分上，出口通道7在混合板8的右半部分上，三个入口通道和出口通道7之间连接主通道3。第一入口通道1、主通道3、出口通道7的中心轴6共线。第二入口通道2和第三入口通道9的中心轴共线，且第二入口通道2和第三入口通道9的中心轴均垂直于第一入口通道1、主通道3、出口通道7的中心轴6。三个入口通道和主通道3相连且相通，在混合板8上形成一个十字型通道10。三个入口通道的通道长度相同，均为L1，200μm≤L1≤400μm；第二入口通道2和第三入口通道9的通道宽度相等，且二者之和恒等于第一入口通道1的通道宽度，第一入口通道1的通道宽度与主通道3和出口通道7的通道宽度相同，均为W，100μm≤W≤200μm。上盖板15上的三个进口孔即第一进口孔11、第二进口孔12、第三进口孔14和一个出口孔13均直接在pyrex7740玻璃上定位打孔，三个进口孔的位置分别对应于混合板8上的三个入口通道即第一入口通道1、第二入口通道2、第三入口通道9和一个出口通道7的位置，三个进口孔分别与对应的三个入口通道相连通，如：第一进口孔11与第一入口通道1相连通，第二进口孔12与第二入口通道2相连通，第三进口孔14与第三入口通道9相连通。出口孔13的位置对应于出口通道7的位置，并且出口孔13与出口通道7连通。三个进口孔的直径与其下方对应的三个入口通道的通道宽度相同，如：第一进口孔11的直径与其下方的第一入口通道1的通道宽度相同，第二进口孔12、第三进口孔14的直径相同且与第二入口通道2、第三入口通道9的通道宽度相同。在主通道3内部沿中心轴6的方向周期性地设有圆柱形阻块4和三角形挡板5，每四个圆柱形阻块4和两个三角形挡板5构成一个混合单元，每个混合单元之间的距离为L4，该距离L4等于主通道3的宽度W，即L4=W。在主通道3中共布置有多个这样的混合单元，本专利技术中混合单元的数量n≥6。圆柱形阻块4和三角形挡板5的上下高度均是H2，100μm≤H2≤200μm，与混合板8上的通道高度相同。第一个混合单元与三入口通道相连，第一个混合单元的第一个圆柱形阻块4与三入口通道之间的轴向最短距离为L2，300μm≤L2≤600μm。最后一个混合单元与出口通道7首端相连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内置周期性阻块和挡板的被动式微混合器，由上盖板（15）和与上盖板（15）键合在一起且位于上盖板（15）正下方的混合板（8）组成，混合板（8）上设有一个主通道（3）、一个出口通道（7）和三个入口通道，三个入口通道在混合板（8）的左半部分上，出口通道（7）在混合板（8）的右半部分上，三个入口通道和出口通道（7）之间连接主通道（3），其特征是：在主通道（3）内部沿主通道（3）的中心轴（6）的方向上设有多个混合单元，每个混合单元由四个圆柱形阻块（4）和两个三角形挡板（5）构成；在中心轴（6）的前侧，沿中心轴（6）方向上每一个三角形挡板（5）、两个圆柱形阻块（4）依次交错布置；在中心轴（6）的后侧，沿中心轴（6）方向上每两个圆柱形阻块（4）、一个三角形挡板（5）依次交错布置，每个三角形挡板（5）均位于两个圆柱形阻块（4）的对面正中间；圆柱形阻块（4）的截面是圆形，三角形挡板（5）为主通道（3）的外壁向主通道（3）内部凹陷形成的截面是等腰直角三角形的结构，三角形挡板（5）的底边与主通道（3）的外壁相重合，等腰直角三角形顶角为90°且该顶角的顶点在所述中心轴（6）上，等腰直角三角形底边的两个顶点与正对面的圆柱形阻块（4）的圆心之间连接线垂直于所述中心轴（6）。...

【技术特征摘要】
1.一种内置周期性阻块和挡板的被动式微混合器，由上盖板（15）和与上盖板（15）键合在一起且位于上盖板（15）正下方的混合板（8）组成，混合板（8）上设有一个主通道（3）、一个出口通道（7）和三个入口通道，三个入口通道在混合板（8）的左半部分上，出口通道（7）在混合板（8）的右半部分上，三个入口通道和出口通道（7）之间连接主通道（3），其特征是：在主通道（3）内部沿主通道（3）的中心轴（6）的方向上设有多个混合单元，每个混合单元由四个圆柱形阻块（4）和两个三角形挡板（5）构成；在中心轴（6）的前侧，沿中心轴（6）方向上每一个三角形挡板（5）、两个圆柱形阻块（4）依次交错布置；在中心轴（6）的后侧，沿中心轴（6）方向上每两个圆柱形阻块（4）、一个三角形挡板（5）依次交错布置，每个三角形挡板（5）均位于两个圆柱形阻块（4）的对面正中间；圆柱形阻块（4）的截面是圆形，三角形挡板（5）为主通道（3）的外壁向主通道（3）内部凹陷形成的截面是等腰直角三角形的结构，三角形挡板（5）的底边与主通道（3）的外壁相重合，等腰直角三角形顶角为90°且该顶角的顶点在所述中心轴（6）上，等腰直角三角形底边的两个顶点与正对面的圆柱形阻块（4）的圆形截面的圆心之间连接线垂直于所述中心轴（6）。2.根据权利要求1所述一种内置周期性阻块和挡板的被...

【专利技术属性】
技术研发人员：何秀华，王岩，邓志丹，颜杰，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32