一種橋式結構的分割重組被動式微混合器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種橋式結構的分割重組被動式微混合器，屬于微流控芯片【技術領域】。該微混合器主要包含位于入口和出口之間的數(shù)個混合單元43；混合單元43由下層平面內方波狀通道44以及平面外橋式結構通道45構成，而每一個橋式結構通道45包含兩個中間層通孔45a和上層傾斜通道45b。有益效果：流體到達各混合單元43的分割區(qū)域46時，由于中間層通孔45a和橋式通道45的存在，流體被分割成支流后在混合區(qū)域47重新混合，在此過程中同時產生垂直和水平界面，即構成了T形流體界面，大大增加了兩種流體的接觸面積；流體在彎曲的三維通道內流動，在每一個轉角處均會產生二次流擾動，增強混沌對流效應，進一步增強混合效果。
【專利說明】一種橋式結構的分割重組被動式微混合器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及了一種集成于微流控芯片中適用于微量液體混合的被動式微混合器(Micromixer),屬于微流控芯片技術(MicrofIuidics)領域。

【背景技術】
[0002]近十年來微流控芯片應用研究突飛猛進。微流控芯片又稱芯片實驗室，是在一塊幾平方厘米(甚至更小)的芯片上集成樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元，用以完成常規(guī)化學或生物實驗室的各種功能的一種技術平臺。微流控芯片的功能大都與生化反應相關，充分的混合是實現(xiàn)器件功能的重要先決條件。而微尺度流動的典型特征是(Reynoldsnumber, Re)非常低，如果沒有強烈的外加擾動，流動將保持層流狀態(tài)，混合進程十分緩慢。
[0003]在低雷諾數(shù)情況下下，可以通過引入擾動破壞掉層流狀態(tài)，增加各流層之間的接觸面積，從而獲得較好的混合效果。根據(jù)產生擾動的原理不同，可分為主動式微混合器和被動式微混合器兩類。其中主動式微混合器通過外加物理場，如聲場、電場、磁場及介電電泳等來產生擾動加速混合，其混合效果較好，但是需要添加額外的輔助單元，加工工藝比較復雜，難以實現(xiàn)微型化并集成；被動式混合器不需要額外的輔助單元，僅僅通過通道自身幾何結構的改變來實現(xiàn)流線的反復分隔、拉伸、扭曲和折疊來加速混合過程，其加工工藝簡單，并且能夠很方便地集成到微流控芯片上。
[0004]被動式微混合器(以下簡稱微混合器)主要依賴于流體分子的擴散實現(xiàn)混合。參閱圖1，當兩種不同濃度的流體流入微通道后，由于低雷諾數(shù)決定了流動的層流特性，兩種流體的流線始終保持平行流動狀態(tài)，擴散僅發(fā)生在通道中央兩種流體的交界面上，物質濃度在通道橫截面上的分布可分為三個區(qū)域:區(qū)域II位于通道中央，易于混合；區(qū)域I和III靠近兩側壁面，較難混合，且越靠近兩側壁面越難混合。
[0005]分割與重組(splitting and recombinat1n, SAR)是一種十分有效的混合增強方法，通過設計特殊的三維(3D)通道結構將通道內的流體進行分割、折疊并重新組合，使得不同濃度的流體薄層交替排列，從而大大增加兩種流體間的接觸面積并減小擴散距離，達到增強混合效果的目的。
[0006]參閱圖2，專利TW200940162A提出了一種SAR微混合器，為兩層通道結構，每層設有兩路寬度相等的分支通道。當兩種不同流體(由黑色和白色區(qū)分)流經混合單元22，流體依次經過由1、I1、II1、IV和V等5個橫截面所分割的四個區(qū)段，在這四個區(qū)段內流體的流動情況，通過圖2中子圖1、I1、II1、IV和V所示的對應橫截面上流體的分布狀態(tài)來反映。該混合器通過截斷下層的右側分支通道并截斷上層的左側分支通道，迫使流體在截斷處流入另一層中的分支通道，實現(xiàn)流體的重疊拉伸。經過兩個混合單元后，橫截面上的流體分布如圖2中子圖VI所示。對比子圖1、乂和譏可以看出，每經過一個混合單元，流體的接觸面積得到極大的提升。經過多個混合單元反復地對流體進行分割與重組，達到增加流體的接觸面積以增強混合的目的。
[0007]參閱圖3，文獻[I] (H.Chen et al.，Appl.Phys.Lett.，2004，84 (12)，2193-2195)提出了一種扭轉拓撲結構的SAR微混合器。該設計通過兩路寬度相等但扭轉方向相反的分支通道，將流體進行分割、旋轉并重組，實現(xiàn)流體的重疊拉伸；在一個混合單元32內完成兩次分割與重組過程；在單元入口處取橫截面I，橫截面上的流體分布如圖3中對應的子圖1所示；經過一次分割重組后取橫截面II，橫截面上的流體分布如圖3中對應的子圖1I所示；在單元出口處取橫截面III，橫截面上的流體分布如圖3中對應的子圖1II所示。對比子圖1和III可以看出，經過一個混合單元后，流體的接觸面積得到極大的提升。經過多個混合單元連續(xù)的分割與重組操作，達到增加流體的接觸面積以增強混合的目的。該混合器有效工作雷諾數(shù)范圍為0.l〈Re〈2。
[0008]上述的微混合器均能夠取得較好的體混合效率，然而，從圖2中子圖1到V再到VI的演變，以及圖3中子圖1到III的演變可以看出，被混合單元分割重組后的流體薄層在整個通道橫截面內始終彼此完全平行，由于靠近通道壁面處較大粘性阻力的存在，靠近通道側壁處的部分流體始終被擠壓而不能得到有效地混合。文獻[2] (R.A.Vijayendranet al., Langmuir, 2003, 19, 1824-1828)指出，在表面基生物傳感器(Surface-BasedB1sensor)應用中，由于傳感器的性能取決于溶質分子與固化在通道表面的互補受體間的結合速率，因此，在這類傳感器中，靠近通道側壁處流體的混合均勻性比整個通道的體混合均勻性更加重要?，F(xiàn)有技術中的微混合器均不能滿足這個需求。
[0009]此外，當前文獻所報道的諸多微混合器，其有效工作雷諾數(shù)范圍十分有限，如C型、L型為10〈Re〈100，F(xiàn)型、X型為Re〈10。對于要求Re在0〈Re〈100范圍內變化的應用場合，僅用一種當前報道的3D微混合器不能滿足應用需求。


【發(fā)明內容】

[0010]為克服現(xiàn)有3D微混合器不能有效地混合靠近通道側壁處的部分流體，以及其有效工作雷諾數(shù)范圍十分有限等缺點，本發(fā)明提出一種橋式結構的SAR微混合器。該混合器在0.01<Re<200范圍內均能適用，能夠充分混合靠近通道側壁處的部分流體，并且在2mm長的混合通道便可獲得大于90%的混合效率。
[0011]參閱圖4(a)，本發(fā)明提出的微混合器40包含兩個流體入口 41a和41b、一個流體出口 42、以及位于入口和出口之間的數(shù)個混合單元43 ;其特征在于:混合單元43由下層平面內方波狀通道44以及平面外橋式結構通道45構成，而每一個橋式結構通道45包含一組共兩個中間層通孔45a和上層傾斜通道45b ;橋式通道45的兩豎直通道與下層方波狀通道44分別構成分割區(qū)域46和重組區(qū)域47 ;在第一個單元入口處取橫截面I，橫截面上的流體分布如圖4(a)中對應的子圖1所示，經過一個混合單元后取橫截面II，橫截面上的流體分布如圖4(a)中對應的子圖1I所示，經過兩個混合單元后取橫截面III，橫截面上的流體分布如圖4(a)中對應的子圖1II所示；參閱圖4(b)，中間層通孔45a外側壁分別與下層方波狀通道44外側壁對齊，且各組的兩個中間層通孔45a長度方向上的中心分別與下層方波狀通道44相鄰的波峰和波谷中心對齊；中間層通孔45a的長度L2與下層方波狀通道44的波谷長度L1滿足關系0.5*Ι^α2〈1.5*Li，中間層通孔45a的寬度W2與下層方波狀通道44的寬度Wl 滿足關系 1/30^2*1/3。
[0012]本發(fā)明的有益效果:參閱圖4(c)，不同濃度的流體一 48和流體二 49分別由流體入口 41a和41b流入混合器，在流體進入第一個混合單元43之前取橫截面I，考察通道內流體分布狀況如圖4(c)中的子圖1所示，即兩種流體分別分布在下層平面內方波狀通道44的兩側，流體間僅在通道的中部形成一個豎直的分界面；當流體到達分割區(qū)域46時，由于中間層通孔45a的存在，橋式結構通道兩端的壓力降將驅使位于該中間層通孔45a —側的流體一 48部分流入橋式通道45，從而將流體一 48分割成兩路支流48a與48b ;其中支流48a與未被分割的流體二 49經底層方波狀通道流向重組區(qū)域47，流體48a與49之間的豎直界面繼續(xù)保留,但是由于流體48已部分分流，流體48a變薄，豎直界面會向流體48a側偏移；另外一路支流48b經橋式結構通道45流向重組區(qū)域47并與未被分割的流體二 49重組，由于兩路流體流動方向相互垂直，流體48b與49相互碰撞擠壓并最終形成一個新的水平界面；在第一個單元43出口處取橫截面II，考察通道內流體分布狀況如圖4 (c)中的子圖1I所示，即兩種流體間同時存在豎直方面和水平方向的界面，構成一個T形的流體界面，這一方面大大增加了兩種流體的接觸面積，另一方面由于靠近側壁處豎直界面的存在，有利于靠近通道側壁處的部分流體的充分混合；與此同時，流體在彎曲的三維通道內流動，在每一個轉角處均會產生二次流擾動，增強混沛對流(chaotic advect1n)效應,進一步增強混合效果。本發(fā)明提出的微混合器由多個混合單元組成，可根據(jù)實際應用中對混合效率的需求，選用不同數(shù)目的混合單元。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是微混合器通道內混合示意圖
[0014]圖2是現(xiàn)有技術中微混合器之一結構及流動模式示意圖
[0015]20-微混合器，21a-流體入口一，21b-流體入口二，22-混合單元，23-流體出口
[0016]圖3是現(xiàn)有技術中微混合器之二結構及流動模式示意圖
[0017]30-微混合器，31a-流體入口一，31b-流體入口二，32-混合單元，33-流體出口，34-分割區(qū)域，35-重組區(qū)域
[0018]圖4(a)是實施例中橋式結構微混合器結構及流動模式示意圖
[0019]41a-流體入口一，41b-流體入口二，42-流體出口，43-混合單元，44-下層方波狀通道，45-橋式結構通道，45a-中間層通孔，45b-上層傾斜通道，46-分割區(qū)域，47-重組區(qū)域，48-流體一,48a-流體一分支一,48b-流體一分支二, 49-流體二
[0020]圖4 (b)是實施例中橋式結構微混合器俯視圖
[0021]44-下層方波狀通道，45a-中間層通孔，45b_上層傾斜通道
[0022]圖4 (C)是實施例中橋式結構微混合器混合單元及流動模式示意圖
[0023]41a-流體入口一，41b_流體入口二，43-混合單元，44-下層方波狀通道，45-橋式結構通道，45a-中間層通孔，45b-上層傾斜通道，46-分割區(qū)域，47-重組區(qū)域，48-流體一，48a-流體一分支一,48b-流體一分支二, 49-流體二
[0024]圖5是最佳實施例中橋式微混合器不意圖。
[0025]51-下層通道結構體，52-中間層通道結構體，53-上層通道結構體
[0026]圖6(a)?(η)是實施例中橋式微混合器制備流程圖。
[0027]61-下層光刻掩膜,62-中間層光刻掩膜,63-上層光刻掩膜,64-轉移層圖7是實施例中橋式微混合器實驗結果圖。
圖8是實施例一中觀察到的出口橫截面上熒光強度示意圖。 圖9是實施例一中的微混合器的混合效率示意圖。
[0028]最佳實施例
[0029]參閱圖5，將“橋式”結構微混合器分解為三層簡單的平面通道結構:下層通道結構體51、中間層通道結構體52和上層通道結構體53，各層采用成熟的PDMS軟光刻方法制得，然后通過鍵合工藝形成復雜三維結構。其特征在于:選用混合單元數(shù)目為4 ;所述下層結構體51厚約3mm，其上的方波狀通道44深50 μ m, L1=W1=10 μ m ;所述中間層結構體52厚50 μ m,其上的8個通孔45a尺寸為L2=100 μ m, W2=50 μ m ;所述上層結構體53厚約3mm，其上的4個傾斜通道45b深50 μ m。
[0030]所述“橋式”微混合器制備方法包括如下步驟:
[0031]第一步，制版，參閱圖6(a)。用繪圖軟件繪制三層通道掩膜結構，用25000dpi的高分辨率打印機將圖形打印到菲林片上制成光刻掩膜版61、62和63。
[0032]第二步，光刻，參閱圖6 (b)。在厚500 μ m的普通硅片上旋涂厚50 μ m的SU-8負光刻膠，用掩膜版61光刻，顯影得下層結構體模具；
[0033]第三步，澆鑄，參閱圖6(c)。將PDMS單體和固化劑按10:1質量比混合并置于真空箱內反復多次抽真空，將除氣后的混合液體澆鑄到模具上，然后置于烘箱中于60°C烘烤I小時。
[0034]第四步，脫模。參閱圖6(d)，待冷卻后，從模具上揭下PDMS結構，即得下層結構體51。
[0035]第五步，制作轉移層。參閱圖6 (e)，準備一塊厚2mm的PDMS板，將PDMS板置于密封真空容器內，用氣態(tài)1H，1H, 2H, 2H-全氟辛基三氯硅烷(PFOCTS)處理PDMS板下表面I小時，使其下表面覆上一層PFOCTS薄膜，得轉移層64。
[0036]第六步，光刻。參閱圖6 (f)，在厚500 μ m的普通硅片上旋涂厚50 μ m的SU-8負光刻膠，用掩膜版62光刻，顯影得中間層結構體模具。
[0037]第七步，澆鑄。參閱圖6(g)，將PDMS單體和固化劑按10:1質量比混合并置于真空箱內反復多次抽真空，將除氣后的混合體澆鑄到模具上，將轉移層64置于模具上，其上放置一重物擠壓，以保證所得中間層結構厚度為50 μ m，然后整體置于烘箱中于60°C烘烤I小時。
[0038]第八步，脫模。參閱圖6(h)，待冷卻后，從模具上揭下PDMS結構，由于PDMS與PFOCTS間的作用力大于PDMS與硅基底間的作用力，此時揭下部分包括轉移層64和中間結構體52。
[0039]第九步，鍵合。參閱圖6 (i)，對下層結構體51的上表面和中間層結構體52的下表面同時進行30秒的氧等離子體清潔處理，待處理完成后將處理過的表面浸入無水乙醇中保護，隨后立即于光學顯微鏡下對準鍵合，然后整體置于烘箱中于60°C烘烤30分鐘，使兩層PDMS間形成完全共價鍵結合。
[0040]第十步，去轉移層。參閱圖6 (j)，待冷卻后，剝離轉移層64，由于PDMS與PFOCTS間的作用力小于PDMS與PDMS間的作用力，可以很方便的剝離轉移層，得到鍵合后的下層結構層51和中間層結構體52的整體。
[0041]第^^一步，光刻。參閱圖6(k)，在厚500μπι的普通硅片上旋涂厚50μπι的SU-8負光刻膠，用掩膜版63光刻，顯影得上層結構體模具。
[0042]第十二步，澆鑄。參閱圖6(1)，將PDMS單體和固化劑按10:1質量比混合并置于真空箱內反復多次抽真空，將除氣后的混合液體澆鑄到模具上，然后置于烘箱中于60°C烘烤I小時。
[0043]第十三步，脫模。參閱圖6 (m)，待冷卻后，從模具上揭下PDMS結構，即得下層結構體53。
[0044]第十四步，鍵合。參閱圖6 (η)，對中間層結構體52的上表面和上層結構體53的下表面同時進行30秒的氧等離子體清潔處理，待處理完成后將處理過的表面浸入無水乙醇中保護，隨后立即于光學顯微鏡下對準鍵合，然后整體置于烘箱中于60°C烘烤30分鐘，使兩層PDMS間形成完全共價鍵結合。
[0045]通過數(shù)值仿真和試驗方法對實施例中的微混合器性能進行表征。數(shù)值仿真中，將水作為仿真流體，兩種流體的物質濃度分別設置為I和0，仿真結果參閱圖7 ;在第一個混合單元入口處取橫截面I，可以看到濃度不同的兩種流體分別分布在通道的兩側，豎直界面在通道中央部位，；經過一個混合單元后取橫截面II，可以看到已有部分通道左側的高濃度流體被搬運到通道右側，設計概念中如圖4(c)子圖1I所示的T形的流體界面得到證實，區(qū)別在于界面在一定程度上被拉升和扭曲，這可以解釋為流體層間粘性阻力作用以及二次流擾動結果；經過多個混合單元的連續(xù)作用，在出口出整個通道橫截面V上，流體濃度分布呈均勻混合狀態(tài)，尤其是靠近通道兩側壁處的流體也得到了充分的混合。
[0046]通過實驗對制作的微混合器進行驗證，兩種流體分別為濃度為0.lmg/ml的FITC乙醇溶液和去離子水(DI water)，流體流速由微量注射泵精確控制以確?；旌蠈嶒炘诖_定的Re條件下進行；在倒置熒光顯微鏡下觀察混合結果，觀察到的出口橫截面上熒光強度參閱圖8，其中引入了文獻[I]的實驗結果進行對比，可以看出，現(xiàn)有技術文獻[I]中的微混合器在靠近通道兩側壁的區(qū)域內熒光強度為0，即流體沒有得到混合，而本發(fā)明的微混合器在整個通道橫截面上濃度較為均勻，尤其是靠近通道兩側壁的區(qū)域內流體得到了充分的混口 ο
[0047]結合數(shù)值仿真和實驗數(shù)據(jù)，計算了本發(fā)明提出的微混合器的混合效率，結果參閱圖9?？梢钥闯觯景l(fā)明提出的微混合器在整個雷諾數(shù)范圍0.01〈Re〈200范圍內均能夠獲得大于90%的混合效率。
[0048]實施例二
[0049]其特征在于:選用混合單元數(shù)目為3 ;所述下層結構體(51)厚約3mm，其上的方波狀通道(44)深50 μ m，L1==W1=10ym;所述中間層結構體(52)厚50 μ m，其上的8個通孔(45a)尺寸為L2=80ym，W2=40 μ m ;所述上層結構體(53)厚約3mm，其上的4個傾斜通道(45b)深 50 μ m。
[0050]實施例三
[0051]其特征在于:選用混合單元數(shù)目為6 ;所述下層結構體(51)厚約3mm，其上的方波狀通道(44)深50 μ m，^==200 μ m, W1=10 μ m ;所述中間層結構體(52)厚20 μ m，其上的8個通孔(45a)尺寸為L2=200 μ m, W2=60 μ m ;所述上層結構體(53)厚約3mm，其上的4個傾斜通道(45b)深30 μ m。
【權利要求】
1.一種橋式結構的分割重組被動式微混合器，包含兩個流體入口 41a和41b、一個流體出口 42、以及位于入口和出口之間的數(shù)個混合單元43 ;其特征在于:所述混合單元43由下層平面內方波狀通道44以及平面外橋式結構通道45構成，每一個橋式結構通道45包含一組共兩個中間層通孔45a和上層傾斜通道45b ;橋式通道45的兩豎直通道即兩個中間層通孔45a與下層方波狀通道44分別構成分割區(qū)域46和重組區(qū)域47 ;中間層通孔45a外側壁分別與下層方波狀通道44外側壁對齊，且各組的兩個中間層通孔45a長度方向上的中心分別與下層方波狀通道44相鄰的波峰和波谷中心對齊；中間層通孔45a的長度L2與下層方波狀通道44的波谷長度L1滿足關系0.5*Ι^α2〈1.5*L1;中間層通孔45a的寬度W2與下層方波狀通道44的寬度Wl滿足關系1^30^2*1/3。
【文檔編號】B01F13/00GK104138728SQ201410153596
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權日:2014年4月17日
【發(fā)明者】常洪龍, 李小平 申請人:西北工業(yè)大學