一种二维被动式微混合器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种二维被动式微混合器，包括依次连通的进液口、入口通道、混合通道和出口通道，进液口有两个，对称布置于入口通道进液端的两侧，两进液口与入口通道之间形成T型结构。所述混合通道由若干依次连通的葫芦型混合单元组成，第一个葫芦型混合单元的大腔室段端部与所述入口通道的出口端连通，最后一个葫芦型混合单元的小腔室段端部与所述出口通道的入口端连通，葫芦型混合单元与入口通道之间的接口尺寸、相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸均小于葫芦型混合单元的小腔室段的相应尺寸。本实用无任何垂直方向的复杂三维结构，即可在提高混合效率的同时可避免造成入口和出口之间的压力降，且混合效率随着雷诺数的增大有明显提高。

A Two-Dimensional Passive Micromixer

The utility model discloses a two-dimensional passive micro-mixer, which comprises a sequentially connected inlet, an inlet, a mixing channel and an outlet channel. There are two inlet ports, which are symmetrically arranged on both sides of the inlet end of the inlet channel, and a T-shaped structure is formed between the two inlet ports and the inlet channel. The mixing passage is composed of several successively connected cucurbit mixing units. The end of the large chamber section of the first cucurbit mixing unit is connected with the outlet end of the entrance passage. The end of the small chamber section of the last cucurbit mixing unit is connected with the entrance end of the exit passage. The interface size between the cucurbit mixing unit and the entrance passage and the adjacent cucurbit mixing unit are connected. The size of the interface between them is smaller than the corresponding size of the small chamber segment of the cucurbit type mixing unit. Without any vertical complex three-dimensional structure, the mixing efficiency can be improved while avoiding the pressure drop between the inlet and outlet, and the mixing efficiency increases significantly with the increase of Reynolds number.

【技术实现步骤摘要】
一种二维被动式微混合器
本技术属于尾流控芯片领域，特别涉及一种二维被动式微混合器。
技术介绍
从20世纪90年代初A.Manz等人提出微型全分析系统的概念，到2003年Forbes杂志将微流控技术评为影响人类未来15件最重要的专利技术之一，微流控技术已经成为一个研究热点并得到了快速的发展。微流控技术是把化学、生物、医学分析过程中样品的制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米级的芯片上并自动完成分析全过程的一项技术。随着该技术的发展，分析化学和生命科学等领域的研究系统开始逐渐变得小型化、集成化。微流控芯片是微流控技术实现的主要平台，以微流控技术为基础，在玻璃、PDMS等材料上刻蚀微米或纳米级尺寸的通道，并研究其特性，在微尺寸通道上进行样品的制备、反应、分离、检测等，研究其物理及化学特性。目前存在的微流控芯片的加工方法主要有五种，分别为：热压法、注塑法、模塑法、激光切蚀法和LIGA。微流控芯片具有分析能力强、分析速度快、设备紧凑、成本低、能有效避免试剂污染和试剂消耗量小等优点而倍受青睐。微混合器作为微流控芯片的重要组成部分受到广泛的关注。微混合器目前主要分为两种：主动式微混合器和被动式微混合器。主动式混合器主要通过一个外部施加的刺激来促进液体混合，目前存在的刺激有：电场、磁场、声波以及光诱导等。主动式微混合器的优点在于能够利用外加能量源刺激流体，打破混合通道中流体的层流状态，增强湍流，提高混合效率。但主动式微混合器的制作过程和清洗过程较复杂，且其外部施加的刺激对反应体系造成破坏作用，一些生化反应中甚至会对精细的生物细胞产生破坏作用，成为其应用的制约因素。被动式混合器主要是通过微通道中几何图形的变化，引入不同的微结构诱导复杂的流体运动，以实现适当的混合。被动式微混合器不需要复杂的控制单元或者是外加的刺激输入，不会干预生化反应，在生物分析和化学反应中有着广泛的应用。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。但由于微尺度环境下流体的雷诺数数很低，微通道内的微流体以层流形式的流动形态存在，不利于两股流体介质快速且高效混合，因此混合强度较低。所以，对高效被动式微混合器的研究就成为目前微流控领域的研究热点之一。T型混合通道最初是由KockmannN等人(KockmannN,FollC,WoiasP,Flowregimesandmasstransfercharacteristicsinstaticmicromixers,inMicrofluidics,Biomems,andMedicalMicrosystems,H.BeckerP.Woias,Editors.2003.p.319-329.)于2003年提出来的，通过数值模拟发现，流体在T/Y型微混合通道中的流动状态可分为三种模式：层流、涡流以及吞没流。为了改善层流状态下的混合效率，WangWT等人(WangWT,ZhaoSF,ShaoT,etal.Numericalstudyofmixingbehaviorwithchemicalreactionsinmicro-channelsbyalatticeBoltzmannmethod[J].ChemicalEngineeringScience,2012,84:148-154.)利用晶格玻尔兹曼方法(LBM)通过增加入口的个数以及调整流量及每个入口的宽度来实现快速混合。经模拟显示，随着入口数量的增加和入口流体流速的加快，混合效果有明显提高。FengX等人(FengX,RenY,JiangH.Aneffectivesplitting-and-recombinationmicromixerwithself-rotatedcontactsurfaceforwideReynoldsnumberrangeapplications[J].Biomicrofluidics,2013,7(5).)在直线型通道的基础上设计了XH型和XO型3D结构的混合通道，流体经过周期性的分裂、挤压、旋转以及重组，引发混沌对流。模拟结果显示，当Re为0.3时，直线型通道的混合效率为27.5％，XH和XO型的混合效率分别为91.8％和89.4％；Re为60时，直线型通道的混合效率下降至10％，XH和XO型的混合效率分别为87.7％和72.9％。总体来说，XH和XO型混合通道相比起直线型通道有很大的提高，但设计较为复杂。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种设计简单、可提高混合效率、降低微流体入口和出口之间压力降的二维被动式微混合器。本技术提供的这种二维被动式微混合器，包括依次连通的进液口、入口通道、混合通道和出口通道，进液口有两个，对称布置于入口通道进液端的两侧，两进液口与入口通道之间形成T型结构。所述混合通道由若干依次连通的葫芦型混合单元组成，第一个葫芦型混合单元的大腔室段端部与所述入口通道的出口端连通，最后一个葫芦型混合单元的小腔室段端部与所述出口通道的入口端连通，葫芦型混合单元与入口通道之间的接口尺寸、相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸均小于葫芦型混合单元的小腔室段的相应尺寸。所述葫芦型混合单元的大腔室段和小腔室段的横截面均为圆形。作为优选，所述葫芦型混合单元小腔室段的半径和大腔室段的半径分别为145um-242um和235um-242um，大腔室段和小腔室段具体选值时尽量使两者的比值基本符合黄金分割比，以保证在提升混合效率的同时减小压力降。作为优选，所述葫芦型混合单元的腰身尺寸在50um-200um之间。作为优选，相邻的葫芦型混合单元之间的接口尺寸为50um-200um。作为优选，入口通道与第一个葫芦型混合单元大腔室端之间的接口尺寸与相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸相同。为了保证微流体的混合效果，所述葫芦型混合单元至少设置20个。本技术入口通道和出口通道之间的混合通道由若干葫芦型混合单元依次连通形成，且葫芦型混合单元与入口通道之间的接口尺寸、相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸及葫芦型混合单元的腰身尺寸均小于葫芦型混合单元的小腔室段的尺寸。当微流体从入口通道进入葫芦型混合单元时，葫芦型混合单元的侧壁增大了微流体的接触面积，可促进混合效率。当微流体从入口通道进入葫芦型混合单元时流通面积增大，可降低流通压力，从而使压力降变小，微流体从大腔室段流经腰身时流通面积变小受到挤压，又可增强混合效果，当微流体从腰身进入小腔室段时，流通面积增大又可降低流通压力，使压力降减小。如此反复。综上所述，本技术的混合通道由多个葫芦型混合单元依次连通形成，无任何垂直方向的复杂三维结构，不仅具有加工简易，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的优势；还能在提高混合效率的同时可避免造成入口和出口之间的压力降，且混合效率随着雷诺数的增大有明显提高。附图说明图1为本技术一个实施例的结构示意图。图2为本实施例与T型微混合器在雷诺数为1-100范围内的混合效率对比图。图3为本实施例与T型微混合器在雷诺数为1-100范围内的压力降对比图。图4为本实施例在不同腰身尺寸的混合效率对比图。图5为本实施例在不同腰身尺寸的压力降对比图。图6为本实施例的葫芦型混合单元应用在方波型和S型被动式微混合通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维被动式微混合器，包括依次连通的进液口、入口通道、混合通道和出口通道，进液口有两个，对称布置于入口通道进液端的两侧，两进液口与入口通道之间形成T型结构，其特征在于：所述混合通道由若干依次连通的葫芦型混合单元组成，第一个葫芦型混合单元的大腔室段端部与所述入口通道的出口端连通，最后一个葫芦型混合单元的小腔室段端部与所述出口通道的入口端连通，葫芦型混合单元与入口通道之间的接口尺寸、相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸均小于葫芦型混合单元的小腔室段的相应尺寸。

【技术特征摘要】
1.一种二维被动式微混合器，包括依次连通的进液口、入口通道、混合通道和出口通道，进液口有两个，对称布置于入口通道进液端的两侧，两进液口与入口通道之间形成T型结构，其特征在于：所述混合通道由若干依次连通的葫芦型混合单元组成，第一个葫芦型混合单元的大腔室段端部与所述入口通道的出口端连通，最后一个葫芦型混合单元的小腔室段端部与所述出口通道的入口端连通，葫芦型混合单元与入口通道之间的接口尺寸、相邻葫芦型混合单元之间的接口尺寸均小于葫芦型混合单元的小腔室段的相应尺寸。2.如权利要求1所述的二维被动式微混合器，其特征在于：所述葫芦型混合单元的大腔室段和小腔室段的横截面均为圆形。3.如权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘正春，洪薇沁，石环环，龙孟秋，徐慧，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：新型
国别省市：湖南,43