一种方波被动式微混合器制造技术

本发明专利技术公开了一种方波被动式微混合器，包括至少两个进液口、与所述进液口连通的入口通道、出口通道、用于连通所述入口通道和出口通道的至少一个混合单元；所述混合单元包括多个竖直设置的垂直通道，相邻两个垂直通道之间通过水平通道连通，使得混合单元内部整体连通；当所述混合单元数量为两个或两个以上时，第一个混合单元的入口与所述入口通道连通，第一个混合单元的出口为第二个混合单元的入口，以此类推，最后一个混合单元的出口与所述出口通道连通。本发明专利技术利用优化的方波通道与通道上半椭圆形的沟槽设计，结合两者的优势，在混合器结构引导介质在混合单元中产生混沌对流，显著地提高了低雷诺数液体的混合效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微流控芯片领域，特别是涉及一种具有椭圆形沟槽的方波被动式微混合器。
技术介绍
微流体分析设备由于其具有设备紧凑，分析速度快，成本低等优点，已经成为对现有大型分析设备在分析检测领域的良好补充。密闭的微通道和腔体能够有效地隔离人与试剂的接触，保障人身安全以及避免了试剂的污染；反应速度加快，分析能力提高，强于宏观的人工操作；试剂消耗量为微升级别，甚至更低；能够以低成本大量生产，推广使用。其中微尺度下的微量液体混合在微全分析系统（μ-TAS）或芯片实验室中已经成为重要的微流体操作，微混合器也成为了微全分析系统中重要的前处理单元。采用微型器件实现液体的快速混合，有利于在芯片实现样本的快速处理和高通量分析。相较于宏观混合器，微混合器具有显著的优势，能够将试剂量的消耗降低到微米甚至更低的级别，混合速度和效率极大的提高，微型的体积易于集成在微全分析系统中。目前文献报道的微混合器设计分为主动微混合器和被动微混合器。主动微混合器主要依赖外界动力（如超声，磁，机械搅拌等）实现对微通道内流体的扰动以达到混合效果，设计相对较为复杂，制作难度大。被动微混合器主要遵循拉伸和折叠流体通道以增大流体之间的接触面积，以促进扩散；通过优化微通道的设计，例如挡板或障碍，实现液体的分流或者增加通道中液体的混沌对流，以促进混合效率。由于被动微混合器无需任何外界动力，加工难度小，易于集成，所以二维平面微混合器目前仍是当前研究的热点。由于在微观尺度下，流体雷诺数低，液体之间的混合主要依赖扩散，微混合器的实现手段大多是尽可能地将混合通道设计的复杂，拉伸和折叠流体，以增加液体之间的接触面积，促进扩散。然而，过于复杂的结构会增加加工工艺难度，以及增加通道中死体积的产生，影响芯片的制作成本以及使用寿命。所以，在微混合器通道的设计时，需要在尽可能的提高对流体的扰动的同时避免复杂的通道设计。早在1989年，Jones等人就提出在扭曲的管道中层流流体能够产生混沌对流（ScottWJones,O.M.T.,HassanAref,Chaoticadvectionbylaminarflowinatwistedpipe.J.FluidMech,1989.209），这种混沌对流能够促进液体的混合。基于此理念，最简单的微混合器模型就是锯齿型、S型和方波型混合通道。Hossain等人（ShakhawatHossain,M.A.A.,Kwang-YongKim,Evaluationofthemixingperformanceofthreepassivemicromixers.ChemicalEngineeringJournal,2009.150）对比了这三种微混合器的性能，结果显示方波混合器较其他两种混合器在混合效率上略有优势。Chen等人（Chen,X.Y.,etal.,Numericalandexperimentalinvestigationonmicromixerswithserpentinemicrochannels.InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2016.98:p.131-140）采用数值模拟的方法也对几种蛇形通道的微混合器进行对比，也得出方波具有优势的结论。Ansari等人（Ansari,M.A.,etal.,Non-alignedbilayersquare-wavebendmicrochannelformixing.JournalofMechanicalScienceandTechnology,2013.27(12):p.3851-3859）采用复杂的三维非对齐的双层方波混合器改进了原始的方波混合器设计，混合效率有所提升，但设计复杂。上述文献都表明，方波的混合效率随着雷诺数的增加而增加，然而，在低雷诺数下的混合效率低，而大多数基于微流控芯片的生物化学流体都是低雷诺数流体，限制了方波混合器在低雷诺数下混合领域的应用。因此，有必要研制一种新型的方波混合器，提高其在低雷诺数时的混合效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种方波被动式微混合器。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种方波被动式微混合器，包括至少一个进液口、与所述进液口连通的入口通道、出口通道、用于连通所述入口通道和出口通道的至少一个混合单元；所述混合单元包括多个竖直设置的垂直通道，相邻两个垂直通道之间通过水平通道连通，使得混合单元内部整体连通；当所述混合单元数量为两个或两个以上时，第一个混合单元的入口与所述入口通道连通，第一个混合单元的出口为第二个混合单元的入口，以此类推，最后一个混合单元的出口与所述出口通道连通。优选地，所述垂直通道和水平通道上均设有用于增加液体接触面积以及形成涡流促进液体混合的凸起。所述垂直通道左右两侧、水平通道上下两侧均设有所述凸起，且所述垂直通道左右两侧的凸起交错布置，所述水平通道上下两侧的凸起交错布置，增加液体接触面积，促进液体混合。所述凸起横截面为半椭圆形，进一步增加液体接触面积，促进混合。所述椭圆凸起的长轴与短轴比例为1.25~1.85，进一步提高整体混合效率。所述水平通道宽度与垂直通道宽度比为1~2.5，在提升了混合效率的同时，减小压力。所述混合单元通道刻蚀的深度为50~200微米之间，保证混合单元的刻蚀工艺简单。进液口数量为两个，分别设置在所述入口通道的两侧，且均与所述入口通道连通。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术在较宽雷诺数范围内增加了液体混合效率，尤其是能够克服传统方波混合器在低雷诺数下（Re=0.5~100）混合效率低的问题；无需加入任何外部装置，采用平面微混合器通道设计，无任何垂直方向上的复杂三维结构设计，加工简易，成本低廉，易于集成，适合于规模化生产应用，易于其在微流控分析系统中的集成；采用优化的方波结构，横纵通道之比在1.5~2.5范围内，在提高混合效率情况下，未造成入口与出口之间高压力降；椭圆形的沟槽设计，基于仿生学的原理（Wang,H.Y.,etal.,Spindle-shapedmicrofluidicchamberwithuniformperfusionflows[J].MicrofluidicsandNanofluidics.2013,15:p.839-845），其流线型通道能够在提高混和效率的同时，有效地避免液体残留，易清洗，实现微混合器的重复使用；避免了采用挡板等增加压力降的设计，相较于无沟槽设计的方波混合器，压力降随着雷诺数的增大有所降低，采用简单的半椭圆沟槽设计增强了混合的效果。附图说明图1为本专利技术微流体混合器的平面示意图；图2为本专利技术微流体混合器的三维结构示意图；图3（a）～图3（e）为方波混合单元在不同水平通道宽度/垂直通道宽度（w1/w2）比值下的混合性能；图3（f）为为方波混合单元在不同水平通道宽度/垂直通道宽度（w1/w2）比值下的混合性能对比；图4（a）为不同微通道沟槽微通道的流线图；图4（b）为非对称椭圆形沟槽微通道在不同雷诺数下的流线图；图5（a）为本专利技术微流体混合器混合性能与混合单元周期数的关系的质量分数云图；图5（b）为本专利技术微流体混合器混合性能与混合单元周期数的关系数值图；图6（本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方波被动式微混合器，其特征在于，包括至少两个进液口（5）、与所述进液口连通的入口通道（1）、出口通道（2）、用于连通所述入口通道和出口通道的至少一个混合单元；所述混合单元包括多个竖直设置的垂直通道（4），相邻两个垂直通道（4）之间通过水平通道（3）连通，使得混合单元内部整体连通；所述垂直通道（4）和水平通道（3）连接处形成用于快速改变液体流向、产生混沌对流、促进液体混合的直角部分；当所述混合单元数量为两个或两个以上时，第一个混合单元的入口与所述入口通道连通，第一个混合单元的出口为第二个混合单元的入口，以此类推，最后一个混合单元的出口与所述出口通道（2）连通。

【技术特征摘要】
1.一种方波被动式微混合器，其特征在于，包括至少两个进液口（5）、与所述进液口连通的入口通道（1）、出口通道（2）、用于连通所述入口通道和出口通道的至少一个混合单元；所述混合单元包括多个竖直设置的垂直通道（4），相邻两个垂直通道（4）之间通过水平通道（3）连通，使得混合单元内部整体连通；所述垂直通道（4）和水平通道（3）连接处形成用于快速改变液体流向、产生混沌对流、促进液体混合的直角部分；当所述混合单元数量为两个或两个以上时，第一个混合单元的入口与所述入口通道连通，第一个混合单元的出口为第二个混合单元的入口，以此类推，最后一个混合单元的出口与所述出口通道（2）连通。2.根据权利要求1所述的方波被动式微混合器，其特征在于，所述垂直通道（4）和水平通道（3）上均设有用于增加液体接触面积以及形成涡流促进液体混合的凸起（6）。3.根据权利要求2所述的方波被动式微混合器，其特征在于，所述垂直通道（4）左右两侧、水平通道（3）上下...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘正春，石环环，董波，聂凯旋，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43