本發(fā)明專利涉及一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)與電極的主動(dòng)式電滲微混合器。該混合器的混合方式為直流驅(qū)動(dòng)主動(dòng)式。

背景技術(shù)：

微流控芯片又稱微流控芯片實(shí)驗(yàn)室或芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-chip,loc)。在醫(yī)療醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)等領(lǐng)域，微流體的快速與高效混合是使用微流控芯片混合試劑的關(guān)鍵。由于在微尺度下，流體的雷諾數(shù)較小，流體處于層流狀態(tài)，流體之間的混合僅能依靠少量發(fā)生在流體交界面的分子擴(kuò)散效應(yīng)，導(dǎo)致流體混合通道長(zhǎng)、流體混合時(shí)間花費(fèi)多，所以如何提升流體的混合效率就成了亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

根據(jù)輸入能量的不同，微混合器可分為被動(dòng)微混合器和主動(dòng)微混合器。由于不需要外部能源驅(qū)動(dòng)，同時(shí)流體在微通道的流動(dòng)主要表現(xiàn)為層流，所以被動(dòng)微混合器的混合就容易研究和描述。被動(dòng)混合器可進(jìn)一步分為混沌對(duì)流混合器、并聯(lián)復(fù)合微混合器和連續(xù)層壓微混合器、噴射混合器、液滴微混合器。被動(dòng)混合器的混合主要是由分子擴(kuò)散和混沌對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主動(dòng)式微混合器主要依靠外部驅(qū)動(dòng)，通過(guò)選擇不同的驅(qū)動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)各種要求環(huán)境下的試劑混合。主動(dòng)式微混合器可以進(jìn)一步分為超聲波微流體混合器、磁力式微混合器、動(dòng)電式混合器、壓力擾動(dòng)式混合器等。主動(dòng)式微混合器具有體積小，適用環(huán)境廣、混合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，混合效率高等特點(diǎn)，具備廣泛的發(fā)展前景。

在所有主動(dòng)式微流體混合器的驅(qū)動(dòng)方式中，采用電滲效應(yīng)驅(qū)動(dòng)流體混合是最為廣泛使用的方式之一，這種方式可以有效地提升流體的混合效率。為了克服微尺度下的層流混合困難問(wèn)題，我們創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了一種直流電極陣列緊湊分布的非對(duì)稱主動(dòng)式微混合器結(jié)構(gòu)，這種直流電極陣列的交替分布可以有效地引起微混合器內(nèi)渦流的產(chǎn)生，同時(shí)非對(duì)稱的通道結(jié)構(gòu)加速了流體的對(duì)流，二者共同作用下使流體混合通道距離減小，且混合效率大幅提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)式微流體混合器，能夠大量縮短流體混合通道距離，同時(shí)提升混合效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)與電極的主動(dòng)式電滲微混合器，包括進(jìn)口管、出口管、非對(duì)稱混合室和4對(duì)直流電極陣列，其中，電極2和15、電極4和14、電極8和12、電極9和11為一對(duì)，每對(duì)電極施加電壓大小相同，極性相反；進(jìn)口管與出口管之間為混合主通道，通道壁上擴(kuò)展了額外的混合室，混合室3主要由半圓壁面結(jié)構(gòu)和垂直壁面結(jié)構(gòu)組成，中空半圓結(jié)構(gòu)在混合室3的內(nèi)部，與混合室共同組成完整的拓展流體通道，電極4設(shè)置在中空半圓結(jié)構(gòu)的管道壁上，同樣地，混合室13與混合室3形成對(duì)稱錯(cuò)位分布。所述的主動(dòng)式電滲微混合器，其特征在于，進(jìn)口管與出口管的管道寬度為10μm，進(jìn)口管處流體的流速為1×10^-3m/s。布置于管道壁上下兩側(cè)的多個(gè)電極交替排列，并且相鄰電極的距離分別為5μm與2μm，例如電極2與電極4的距離為5μm，電極4與電極8的距離為2μm。

本發(fā)明的收益在于：將主動(dòng)式微混合器的高效性和被動(dòng)式微混合器微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙結(jié)合起來(lái)，進(jìn)而設(shè)計(jì)一種新型的微混合器，在外部直流電場(chǎng)的作用下，這種新型混合器的微通道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生電滲效應(yīng)，流體單元會(huì)在擾動(dòng)的流場(chǎng)內(nèi)發(fā)生相當(dāng)程度的折疊和拉伸，同時(shí)進(jìn)入非對(duì)稱的混合通道結(jié)構(gòu)的流體會(huì)在縮口處產(chǎn)生二次流，從而對(duì)主管道中的流體產(chǎn)生沖擊，進(jìn)一步加強(qiáng)了微尺度下流體的對(duì)流，促使待混合流體發(fā)生高效率的混合。

所設(shè)計(jì)的新型主動(dòng)式微混合器結(jié)構(gòu)為單層結(jié)構(gòu)，通過(guò)一次光刻就可以制造模具，和傳統(tǒng)的多層結(jié)構(gòu)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于大規(guī)模生產(chǎn)配置組裝、成本較低的特點(diǎn)，并且相比于其他微流體混合器具有更優(yōu)化的單層結(jié)構(gòu)，所適用的雷諾數(shù)范圍廣，能夠使流體之間完成較快、效率更高的混合，受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境干擾影響小，具備更加廣闊的應(yīng)用空間。

附圖說(shuō)明

圖1是主動(dòng)式微混合器平面結(jié)構(gòu)圖。

圖2是未外加電場(chǎng)時(shí)的混合器內(nèi)流體濃度圖。

圖3是外加電場(chǎng)后微混合器內(nèi)電勢(shì)分布圖，其中，顏色深、范圍較大的為正電勢(shì)0.5v；顏色深、范圍小的為0v，其余顏色較淺的區(qū)域?yàn)?.25v附近的均勻電勢(shì)。

圖4是外加電場(chǎng)后混合器內(nèi)的流線分布圖。

圖5是外加電場(chǎng)后的混合器內(nèi)流體濃度圖。

圖6是混合效率指標(biāo)曲線圖。

圖7是兩組微混合器的陣列示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明研究設(shè)計(jì)了一種新型的主動(dòng)式微流體混合器，該微混合器采用pdms為材料，經(jīng)過(guò)光刻、顯影等工藝步驟制得su8模具；然后將與固化劑混合過(guò)的pdms材料涂于模具上，經(jīng)過(guò)加熱固化后脫模制得pdms陰模；再將與固化劑混合過(guò)的pdms材料涂于pc片上，再加熱固化后脫模制得pdms平板；pdms陰模與平板鍵合所得微結(jié)構(gòu)即可得到所述主動(dòng)式微流體混合器結(jié)構(gòu)。

使用開(kāi)源有限元軟件建立新型主動(dòng)式微流體混合器模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該混合器混合高效，達(dá)到了預(yù)期的混合效果。

未外加電場(chǎng)時(shí)，主動(dòng)式微混合器內(nèi)的流體濃度分布如圖2所示。從入口處通入兩種流體，流體并行流過(guò)微混合器后由出口流出，可以從圖中看到，兩種流體在混合器內(nèi)有明顯的分層，流體間并未產(chǎn)生對(duì)流，僅僅依靠流體交界面處的少量流體分子發(fā)生擴(kuò)散作用來(lái)進(jìn)行流體混合，混合過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，效率低下。

圖3展示了外加電場(chǎng)后混合器內(nèi)的電勢(shì)分布情況?？梢钥闯?，在上下管道壁設(shè)置的四對(duì)電極影響了通道內(nèi)的電勢(shì)分布，相鄰的電極和相對(duì)的電極之間具備較大的電勢(shì)梯度，這種電勢(shì)梯度證明了產(chǎn)生的電場(chǎng)力可以施加在混合器內(nèi)的流體上，使通道壁面產(chǎn)生電滲速度，進(jìn)而產(chǎn)生電滲流，加速流體的混合。

圖4是外加電場(chǎng)后微混合器內(nèi)的流場(chǎng)分布情況。由微混合器管道壁上設(shè)置的電極陣列對(duì)混合器內(nèi)部施加直流電場(chǎng)，從圖中可以看出，外加電場(chǎng)后的流體流動(dòng)受到了很大的擾動(dòng)，流場(chǎng)分布變得極不規(guī)律。一方面，在相鄰的電極之間產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)的渦流，這些渦流使得流體之間的對(duì)流作用大幅增強(qiáng)，同時(shí)，這些渦流緊湊分布，流體流速在這些渦流之間快速增加，提升了流體混合速度；另一方面，非對(duì)稱分布的混合室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，一部分流體在迪安效應(yīng)和渦流的作用下進(jìn)入混合室內(nèi)，增大了流體的混合區(qū)域，由于混合室存在的垂直縮口結(jié)構(gòu)，使得流體從混合室出口流出時(shí)被加速，經(jīng)過(guò)加速的流體與另一部分在主管道內(nèi)的流體發(fā)生匯合，并對(duì)流體主流產(chǎn)生沖擊形成混沌流，顯著地提升了流體對(duì)流效應(yīng)，增強(qiáng)了流體混合效率；正是選擇多種加強(qiáng)流體對(duì)流的混合方式，使微尺度下獲取更高效的流體混合效果成為可能。

圖5是施加電場(chǎng)后微混合器內(nèi)的流體濃度分布圖。該圖中可以清晰的看出，通過(guò)電極施加的直流電場(chǎng)，在相鄰與相對(duì)的電極間產(chǎn)生了電勢(shì)差，進(jìn)而使流體濃度也發(fā)生變化，在通道內(nèi)形成鋸齒形的濃度分布差異，正是在電場(chǎng)力的作用下，迫使通道內(nèi)的流體發(fā)生鋸齒形的曲折運(yùn)動(dòng)，增加了流體之間的接觸時(shí)間和接觸距離，在有限的通道內(nèi)顯著地延長(zhǎng)了流體的混合通道長(zhǎng)度。

為了更加深入了解新型的微混合器帶來(lái)的流體混合效果，引入混合效率指標(biāo)σ來(lái)表示流體的混合程度?；旌闲手笜?biāo)σ的值介于0與1之間，σ=1時(shí)表示待混合的流體沒(méi)有發(fā)生混合，σ=0時(shí)表示待混合流體達(dá)到了完全混合。如圖6，從結(jié)果曲線中可以看出，混合效率隨著外加電壓的增大而增加，這是因?yàn)楸诿娴碾姖B速度與電壓梯度成正比，電壓越大，電滲速度越大，所帶來(lái)的流體對(duì)流效果越強(qiáng)，混合效率也就越高。在電壓大于1v時(shí)，流體的混合基本獲得了理想的效果。

所設(shè)計(jì)的新型主動(dòng)式微混合器，主要是利用外加直流電場(chǎng)來(lái)引起電滲效應(yīng)擾亂流場(chǎng)，同時(shí)通過(guò)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)混合室結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加強(qiáng)待混合流體的對(duì)流效應(yīng)。經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)該混合器是可行且高效的，能夠適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求和條件，通過(guò)控制施加電壓的大小可以精確控制所需要的預(yù)期混合效果，在微尺度下實(shí)現(xiàn)流體的可控。

本發(fā)明所設(shè)計(jì)的微混合器結(jié)構(gòu)，不局限于管道兩側(cè)的單組設(shè)置混合室，可以使用多組混合室非對(duì)稱排列，如圖7。設(shè)置的非對(duì)稱混合室排列越多，所獲得的流體混合效果越好。