本實(shí)用新型涉及一種新型交流電場(chǎng)促進(jìn)型微混合器。該混合器的混合方式為主動(dòng)式。

背景技術(shù)：

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)分析、DNA檢測(cè)等領(lǐng)域中進(jìn)行試驗(yàn)反應(yīng)前都會(huì)用到微流體混合器，來實(shí)現(xiàn)不同要求下多種試劑的充分混合。微流體混合器質(zhì)量較輕，成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，混合良好，而目前的微流體混合器混合效率低，混合均勻度不高，會(huì)對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生不良的影響。

流體混合就是將兩種或兩種以上的流體摻入一起，并通過一定的混合方式最終獲得一種質(zhì)地均勻的混合物。物理混合是對(duì)流作用和擴(kuò)散作用方式共同作用的過程，對(duì)流作用使得不同的流體分子依靠冷熱效應(yīng)發(fā)生相對(duì)位移，使流體相互變形、分割；擴(kuò)散作用使高濃度分子向低濃度處轉(zhuǎn)移，直到流體內(nèi)各組份分布相對(duì)均勻。

對(duì)精度要求高的實(shí)驗(yàn)中各種生化試驗(yàn)反應(yīng)需要快速且高效的混合，來保證實(shí)驗(yàn)中的各試樣同時(shí)發(fā)生反應(yīng)，但是，在微米量級(jí)的尺度下，流體的對(duì)流作用帶來的效應(yīng)并不強(qiáng)烈，在這種情況下，微流體的混合主要依靠分子間的擴(kuò)散作用，所以在一定的實(shí)驗(yàn)要求之下，流體的混合變得較為困難。低成本的微流體混合器通過簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)改進(jìn)能夠提升流體之間混合的效率，達(dá)到預(yù)期的混合效果。

在流體的實(shí)驗(yàn)過程中，通常需要對(duì)兩種或多種的流體進(jìn)行充分混合。目前這種混合方式采用兩種流體從各自管道流入，經(jīng)過交匯后便直接排出，使得混合效率低下。

主動(dòng)式微混合器利用外場(chǎng)促進(jìn)流體之間的混合，混合效率相對(duì)被動(dòng)式混合器較高。其中，交流電場(chǎng)微混合器利用交變電場(chǎng)產(chǎn)生電滲流，驅(qū)動(dòng)流體產(chǎn)生混合。電滲效應(yīng)是指在電場(chǎng)的作用下，微通道內(nèi)的液體沿著通道內(nèi)壁做整體定向平移的移動(dòng)的現(xiàn)象。交流電滲給生物和化學(xué)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)流體驅(qū)動(dòng)和流體混合帶來了新的可能，目前受到了越來越多的關(guān)注。

本實(shí)用新型以流體力學(xué)為基礎(chǔ)，提出并研究了一種新型的具有混合功能的交流混合器，對(duì)通道內(nèi)四個(gè)電極附近電場(chǎng)和流線及微混合器的混合效率進(jìn)行分析與討論，為微流控芯片的試劑混合提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單混合高效的方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的主動(dòng)式微流體混合器，用于進(jìn)一步縮短混合時(shí)間，提升混合的效率。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：一種交流電場(chǎng)主動(dòng)式微流體混合器，包括進(jìn)口管、出口管、“S”型混合管道，其中混合管道包含兩對(duì)電極，分別為第一電極、第二電極、第三電極、第四電極。該主動(dòng)式微流體混合器的特征在于：兩種待混合流體并列由進(jìn)口管進(jìn)入混合管道，在第一電極、第二電極、第三電極、第四電極的共同作用下產(chǎn)生電滲效應(yīng)發(fā)生混合后從出口管中流出；混合管道為“S”型的中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在“S”型的半圓圓環(huán)中點(diǎn)處，四個(gè)電極呈對(duì)稱分布，第一電極與第四電極為一對(duì)，第二電極與第三電極為一對(duì)，對(duì)這兩對(duì)電極分別施加交流電場(chǎng)；所述的進(jìn)口管、出口管和“S”型混合管道的管徑為10微米。

本實(shí)用新型的收益在于：流體在混合管道內(nèi)由于交流電場(chǎng)而產(chǎn)生電滲效應(yīng)同時(shí)發(fā)生電滲運(yùn)動(dòng)，混合過程中在電極附近會(huì)生成由電滲流引起的旋轉(zhuǎn)渦流，這些渦流擾亂了混合器內(nèi)的主流，增強(qiáng)了流體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，使得流體混合更為充分。

本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為單層結(jié)構(gòu)，通過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)，并且本實(shí)用新型的優(yōu)勢(shì)在于，相比于其他微流體混合器具有更優(yōu)化的單層結(jié)構(gòu)，能夠使流體之間完成較快、效率更高的混合，所適用的雷諾數(shù)范圍廣，能滿足大部分實(shí)驗(yàn)的需求。

以上所述的是本實(shí)用新型的一些內(nèi)容，并不限制于本實(shí)用新型，但凡不脫離本實(shí)用新型創(chuàng)新的思想下所作出的修改、替換和變型等若干改變，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。

附圖說明

圖1為混合器結(jié)構(gòu)示意圖，其中AD為通道入口，BC為混合器結(jié)構(gòu)出口。1，2，3，4是電極，電極1和2的電勢(shì)相同，電極2和3的電勢(shì)相同。

圖2為混合器電勢(shì)分布圖，其中t=0.81s，此時(shí)正弦交流電勢(shì)位于波峰處。圖中電勢(shì)單位為V。當(dāng)施加正弦周期變化的電場(chǎng)后，隨著電場(chǎng)逐漸增加，在流體通道內(nèi)會(huì)形成一定的電勢(shì)差。

圖3a為未加電場(chǎng)時(shí)的通道內(nèi)流體流線圖，時(shí)間t=0 ，通道內(nèi)流體分層運(yùn)動(dòng)，各層流體之間無對(duì)流運(yùn)動(dòng)。

圖3b為施加交流電場(chǎng)后的通道內(nèi)流體流線圖，時(shí)間t=0.81s，此時(shí)正弦交流電勢(shì)位于波峰處。電極附近生成旋轉(zhuǎn)渦流，擾亂了通道內(nèi)的主流。

圖4a為施加交流電場(chǎng)前微混合器內(nèi)流體濃度圖。

圖4b為施加交流電場(chǎng)后微混合器內(nèi)流體濃度圖。

圖5是混合效率指標(biāo)隨時(shí)間的變化曲線圖。

具體實(shí)施方式

一種微流體混合器，采用PDMS為材料，經(jīng)過光刻、顯影等工藝步驟制得SU8模具；然后將與固化劑混合過的PDMS材料涂于模具上，經(jīng)過加熱固化后脫模制得PDMS陰模；再將與固化劑混合過的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)即為所述微流體混合器結(jié)構(gòu)。

交流電場(chǎng)促進(jìn)型的微流體混合器中，對(duì)于從邊界AD通入的兩種不同流體，由于具有較低的擴(kuò)散系數(shù)，兩種流體被隔離開，此時(shí)待混合流體間有明顯的分界，電場(chǎng)位于初始狀態(tài)，通道內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度為V₀=0V，因此壁面電滲速度為0，流場(chǎng)內(nèi)流體流動(dòng)主要由入口流量驅(qū)動(dòng)，通道內(nèi)流體分層運(yùn)動(dòng)，各層流體之間無對(duì)流運(yùn)動(dòng)，只有在流體間的交界面上有極少量的流體分子通過自由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)進(jìn)行混合，如圖3a所示。

當(dāng)施加正弦周期變化的電場(chǎng)后，隨著電場(chǎng)逐漸增加，在流體通道內(nèi)會(huì)形成一定的電勢(shì)差使流場(chǎng)壁面產(chǎn)生電滲速度并驅(qū)動(dòng)流體發(fā)生電滲運(yùn)動(dòng)，由于電場(chǎng)強(qiáng)度在流場(chǎng)內(nèi)并不一致（如圖 2），故壁面電滲流速度不一致，進(jìn)而使得通道內(nèi)的兩種不同流體發(fā)生對(duì)流運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在電極附近會(huì)生成由電滲流引起的旋轉(zhuǎn)渦流，這些渦流擾亂了混合器內(nèi)的主流，加強(qiáng)了流場(chǎng)的非均勻性，如圖3b所示。流場(chǎng)內(nèi)所引起的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，使混合器內(nèi)的流體單元相互折疊和拉伸，進(jìn)一步使得這兩種不同的流體在試劑交界面處發(fā)生擴(kuò)散，從而達(dá)到混合的目的。

交流電場(chǎng)下混合器電極附近產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的渦流，這些通道內(nèi)的渦流將會(huì)折疊和拉伸流體單元使得流體的混合效率大幅提升，越靠近電極，流場(chǎng)被擾動(dòng)的程度越強(qiáng)，入口和出口處的流場(chǎng)干擾基本可以被忽略，因此，此研究計(jì)算了外加交流電場(chǎng)下流體混合后的濃度場(chǎng)，可以看出交流電場(chǎng)的作用下具有不同濃度的兩種溶液在通道中實(shí)現(xiàn)了較好的混合效果，如圖4a、4b。

基于仿真結(jié)果，我們計(jì)算了混合效率指標(biāo)隨混合時(shí)間變化的曲線，如圖5。當(dāng)?shù)闹禐?時(shí)，表示兩種流體并沒有發(fā)生混合；當(dāng)?shù)闹禐?時(shí)，表示了兩種流體發(fā)生了完全混合。時(shí)間t=1s時(shí)，兩種流體基本上達(dá)成完全混合。