非对称分离重组扇形空腔结构微混合器制造技术

本实用新型专利技术公开了是一种非对称分离重组扇形空腔结构微混合器，其应用涉及生物芯片和微全分析系统中液体微混合等多个技术领域。该被微混合器的非对称分离重组扇形空腔结构通过提高混合工质对流强度以形成大量流体片层，从而增大混合工质的接触面积利于混合。本实用新型专利技术的主要技术方案是在T型微混合器上等距布置圆环形非对称分离重组通道和扇形空腔结构，借助微混合通道几何形状变化来加大扰动，即在二维度平面内增加扰流度，大大提高了加工简便的单一平面式被动微混合器的混合效果。与其他类似的T型结构微混合器相比，由于各种混合机理发生在不同维度平面内，该微混合器的混合效果有明显提高。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及生物芯片和微全分析系统中液体微混合的
，这种基于平面内非对称分离重组微混合原理的被动式微混合器结构能有效提高不同液体之间的混合强度，实现微尺度下流体的快速混合。
技术介绍
伴随着大量流体系统微型化趋势的发展，微流控系统特别是微泵、微阀和微混合器的研究得到了重视。基于塑料基底的微细加工技术快速发展为微流控microfIuidics在生物芯片及微全分析系统关于生物分析、化学合成和临床测试等应用中具有越来越重要的作用。由于在两股或多股流体进行化学反应时，必须解决它们之间的有效混合，因而微混合器是微流控中的重要组成部分，实现微尺度下流体的快速混合也变得至关重要。根据有无外界动力源的情况，用于微流动系统中的微混合器可分为主动式微混合器和被动式微混合器。而后者区别于前者最大的特点是混合器不需要额外提供动力，通过借助各种不同形状和结构的微通道来控制混合过程。混沌对流和优化通道结构是加强被动式微混合器中流体扩散和混合的最佳选择。许多具有较好混合效果的被动式微混合器都借助混沌对流增加了流体间的拉伸与折叠，大大增加流体间的接触面积加强混合。平面内分离重组微混合是较为常见被动式微混合结构，它通过提高混合工质对流强度以形成大量流体片层，从而增大混合工质的接触面积利于混合。微混合器借助此方法可以在有限的通道长度内会的较高的混合效果。
技术实现思路
本技术的目的是从快速高效原则出发，提出了一种结构简单，加工便易的单一平面式液体微混合器，用于实现在生物芯片或微全分析系统中不同液体之间的快速均勻混合，强化混合效果，加速混合时间。本技术在T型微混合器上等距布置圆环形非对称分离重组通道和扇形空腔结构，借助微混合通道几何形状变化来加大扰动，即在二维度平面内增加扰流度，大大提高了加工简便的单一平面式被动微混合器的混合效果。本技术采用如下技术方案非对称分离重组扇形空腔结构微混合器，在T型微混合器的主通道3上分离出半圆环形主次通道4和副次通道5，主次通道4的宽度小于副次通道5的宽度，主次通道4和副次通道5构成圆环形非对称分离重组通道，并在主次通道4上排布扇形空腔结构6，每一个圆环形非对称分离重组通道采用相对方向交叉排布的方式沿主通道的轴向等距布置。主次通道4与副次通道5的宽度值之和恒等于主通道3宽度。主次通道4和副次通道5所在圆环结构的圆心位置固定在主通道3的中心线上。主次通道4与扇形空腔结构6之间满足关系w3/wl = 3 1，其中w3表示扇形空腔结构6的宽度，wl表示主次通道4的宽度。本技术的工作原理是两种不同组分流体从不同通道入口流进微混合器，在 T型通道内汇合并完成极少程度扩散后共同流入主通道。此时的扩散仅限于分子扩散，程度很弱。随后，主通道分离成不同通道宽度的两个次通道，经过半圆周长路程后再次汇合。而在主次通道上该微混合器布置了扇形空腔结构。当流体流经次通道时，主次通道内的质量流速远大于副次通道的质量流速。因此，主次通道内流经流体的惯性力也大于副次通道内流体的惯性力。惯性力的不同导致流体在流经不同宽度次通道后在汇合处形成了不平衡碰撞。每次流体在汇合处发生碰撞后，副次通道内的流体则在主次通道流体惯性力的带动下改变流动方向，与主次通道内大部分流体一同流入下一单元的主次通道。流体经过N个相同循环单元后从微混合器通道出口流出，完成混合过程。本技术具有下列优点与效果1非对称分离重组扇形空腔结构微混合器弯曲通道内Dean涡系运动，交叉通道区分离重组现象和扇形空腔突扩与突缩结构等多种混合机理产生的叠加效应最大程度上提高了液体工质的混合强度；2扇形空腔的突扩结构的存在使混合工质流体在扇形空腔结构的入口处形成了扩展涡系，对微通道内层流流动产生了较大扰动，加大了不同工质流体之间的接触面积，进而增强其混合效果；3变截面突缩结构提高了扇形空腔内流体的质量流速，加剧了流体进入下一循环单元前的不平衡碰撞，从而进一步加大扰动；4与其他类似的T型结构微混合器相比，由于各种混合机理发生在不同维度平面内，该微混合器的混合效果有明显提高，这也是其区别于其他T型结构微混合器的创新之处。附图说明图1为本技术中提到的非对称分离重组扇形空腔微混合器结构平面示意图。图2为微混合器结构的三维示意图。图3为微混合器的玻璃底板示意图。图4为微混合器的上玻璃盖板示意图。图中1、通道入口，2、通道入口，3、主通道，4、主次通道，5、副次通道，6、扇形空腔结构，7、通道出口，8、分离重组结构循环单元中心节距。具体实施方式实施例以下结合附图及非对称分离重组扇形空腔微混合器在纳米流体制备中的应用对本技术作进一步的描述在纳米流体的一步法制备中，为了控制反应生成的纳米颗粒粒径大小，需要对通入T型微通道内的两种不同反应物进行充分混合。因而用于混合的微混合器是微流控系统中重要组成部分，实现微尺度下流体的快速混合同样至关重要。该微混合器由玻璃材质加工而成，先在玻璃底板上用化学湿法刻蚀的方法加工出具有非对称分离重组扇形空腔结构的微混合器通道，然后与在相对通道出入口位置上打孔的耐热玻璃进行高温键合，封闭玻璃底板的微混合器通道。在玻璃上盖板预留的三个孔布置接口，连接特氟隆塑料导管后完成实验件封装准备。如图1所示，本实施例中的微混合器通道深度为200 μ m，由4个相同的非对称分离重组扇形空腔结构6组成，采用相对方向交叉排布的布置方式。该微混合器的主通道3 的宽度为0. 3mm，为保证流体流经不同宽度通道时质量流量的恒定，主次通道4与副次通道 5的宽度值之和恒等于主通道3的宽度。非对称分离通道的主次通道4与扇形空腔结构6 之间满足关系W3ZV1 = 3 1，其中W3表示扇形空腔结构6的宽度，Wl表示主次通道4的宽度。玻璃上盖板对应出入口的位置三个孔洞直径为600 μ m。用于制备纳米流体两种不同组分不同浓度的反应物流体在微注射泵的压力驱动下从图中所示的通道入口 1和通道入口 2流入T型微通道，并在进入主通道前会合与主通道中心线位置处，且完成了程度很弱的分子扩散，形成明显的分界面后共同流入主通道3。 随后，主通道3由于不对称分离通道结构被分割流入不同通道宽度的两个次通道，经过半圆周长路程后再次汇合，流体流经主次通道4的过程中会流过布置在其上的扇形空腔结构 6。同时，由于次通道的不对称布置，主次通道4内的质量流速远大于副次通道5的质量流速。即主次通道4内流经流体的惯性力也大于副次通道5内流体的惯性力。惯性力的不同导致流体在流经不同宽度次通道后在汇合处形成了不平衡碰撞。每次流体在汇合处发生碰撞后，副次通道5内的流体则在主次通道流体惯性力的带动下改变流动方向，与主次通道4 内大部分流体一同流入下一单元的主次通道4。流体经过N个相同循环单元后从微混合器通道出口 8流出，完成混合过程。微混合器的混合效能评定标准由混合强度M值来判断，该值介于0与1之间，其中混合强度为0表示组分间完全无混合发生，混合强度为1表示组分间混合进行的非常彻底，实际中混合强度越大表示混合进行的越充分。通过模拟试验表明， 在一定入口 Re数条件下，非对称分离重组扇形空腔微混合器的混合强度值可达到75%左右，完全满足纳米流体制备中的化学反应需求。本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．非对称分离重组扇形空腔结构微混合器，其特征在于：在Ｔ型微混合器的主通道（３）上分离出半圆环形主次通道（４）和副次通道（５），主次通道（４）的宽度小于副次通道（５）的宽度，主次通道（４）和副次通道（５）构成圆环形非对称分离重组通道，并在主次通道（４）上排布扇形空腔结构（６），每一个圆环形非对称分离重组通道采用相对方向交叉排布的方式沿主通道的轴向等距布置。

【技术特征摘要】
1.非对称分离重组扇形空腔结构微混合器，其特征在于在T型微混合器的主通道(3) 上分离出半圆环形主次通道(4)和副次通道(5)，主次通道(4)的宽度小于副次通道(5)的宽度，主次通道(4)和副次通道( 构成圆环形非对称分离重组通道，并在主次通道(4)上排布扇形空腔结构(6)，每一个圆环形非对称分离重组通道采用相对方向交叉排布的方式沿主通道的轴向等距布置。2.根据权利要求1所述的非对称分离重组扇形空腔结构微混合器，其特征在于主...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏国栋，李健，吴宏杰，周明正，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：11