專利名稱：一種主動式微流體混合器及混合方法
技術領域：
本發明涉及微流體系統中的微流體混合器，尤其是主動式微流體混合器。
背景技術：
在化學、生物等領域中，微流體系統得到越來越多的應用，如微量流體的傳輸、成分分析及化學反應等。在實際應用中，常常需要快速、有效地混合兩種或多種微量(ml～nl)流體。眾所周知，微通道(特征尺寸在μm級)中，由于流體流動的雷諾數(Re)很低，屬層流狀態，流體的混合過程是通過流體分子的自由擴散進行的。根據Fick法則，基于自由擴散的混合過程是極其緩慢的。因此流體達到充分混合就需要較長的混合時間和較長的混合通道。這顯然不能滿足要求快速反應、高效分析的現代生物、化學等領域應用的需要。
針對這個問題，近年來，很多學者進行了廣泛的研究，并提出了許多不同形式、基于不同原理的微流體混合器。這些混合器大致可分為被動式和主動式兩種類型。比較而言，被動式混合器結構簡單，但需較長的混合通道(一般在cm級甚至更長)，且混合過程不可控；主動式混合器的結構較為復雜，但其混合效率要好得多，最小混合長度僅需幾mm左右，且混合過程可控，很具有發展潛力。被動式混合器是利用微通道中的特殊結構或形狀，產生橫向的質量輸運或使流場處于雜亂無序的狀態以增強混合。其混合機理是流體分子的自由擴散。如哈佛大學的Stroock等人在微通道的底部制作了一些交錯的人字形的條狀結構。這些不對稱的、與流速方向傾斜的條狀結構會對粘性流體產生非對稱的流阻，使流體產生橫向的流動。該混合器在貝克勒數Pe為104時，混合長度為1cm(Abraham D.Stroock，Stephan K.W.Dertinger，Armand Ajdari，et al.Chaoticmixer for microchannels.Science，2002，295647-651)。主動式混合器是利用外加的周期性的激勵對流場進行干擾，以增強分子的擴散作用和質量傳輸。一般采用的激勵方式有壓力、超聲、壓電等。如日本產業技術總合研究所(AIST)的Zhen Yang等利用MEMS工藝將6mm×6mm×0.06mm的混合腔底部加工成厚度為0.15mm的薄膜，利用粘接在薄膜外測的壓電陶瓷塊驅動薄膜以擾動混合腔內部的流場。該混合器在Vpp為50～90V、60kHz方波的激勵下，混合時間約為7s(Zhen Yang，Sohei Matsumoto，Hiroshi Goto.Ultrasonic micromixer for microfluidic systems.Sensors and Actuators，2001，A 93266-272)。這些微流體混合器雖然可在一定程度上提高微流體混合的效果，但仍需要較長的混合通道和混合時間。一方面，微流體芯片要求其各個組成部分(如微泵、微閥、微流體混合器等)都盡量小，以集成更多的功能部件。較長的混合通道會占據微流體芯片上寶貴的空間。另一方面，較長的混合時間對于一些對時間較為敏感的生化分析來說是非常不利的。因此，有必要進一步減小充分混合微量流體所需混合通道的長度和混合時間。
發明內容
本發明的目的在于，針對現有技術中的不足，通過對主動式微流體混合器結構的改進，改變混合方法，從而進一步減小充分混合微量流體所需的通道長度和時間，以滿足微流體系統應用的要求。
本發明所述的主動式微流體混合器，包括有基座和蓋板及其組合形成的T字形微流體通道，其特征在于，在兩個微流體進口通道的匯合中心處設置一由外部能源驅動的微型梁，該梁兩較大的平面與進口通道垂直，其另一端伸出基座外并與電路連通。該微型梁在微流體通道內的高度大于流體通道深度的1/2，小于流體通道的深度，其余部分的高度與微流體通道的深度一致。所述微型梁可以是壓電陶瓷片、形狀記憶合金片或雙金屬片等。
本發明所述的微流體混合方法，其特征在于，在微流體的匯合處設置有周期性擺動的微懸臂梁，利用該微懸臂梁的擺動直接干擾匯合處的流場。
本發明所述的微流體混合方法，是對微流體匯合處的流場進行直接的干擾，與現有技術中利用粘接在通道外側的壓電陶瓷塊產生振動擾動混合腔內部流場的方法相比，具有速度快、效率高的優點。
本發明所述的主動式微流體混合器，通過微懸臂梁周期性的擺動，對從兩個進口通道分別進入混合器的流體匯合處的流場進行直接的干擾，使得兩流體的接觸面被周期性地拉伸和折疊，從而增強兩者的混合。在實際使用中，當微懸臂梁產生周期性的擺動時，不僅使基于擴散作用的混合得到增強，同時由擺動產生的非對稱的橫向速度分量會在梁端部附近的流場區域產生細小的渦，使流場處于一種“無序對流”的狀態，有助于加強通道中的質量輸運過程，減小了混合所需的時間和通道的長度。與現有的主動式微流體混合器相比，本發明由于增強微量流體混合的效果更為顯著，因此所需混合通道的長度更短，使其占據微流體芯片上的空間更少，同時混合時間也更短，同時可滿足對混合時間有特殊要求的應用。此外，本發明所述的主動式微流體混合器還具有如下優點(1)可通過改變外部激勵的狀態控制懸臂梁擺動的振幅和頻率來調控混合過程；(2)懸臂梁的擺動僅影響混合通道入口處局部的流場，對出口處流場的狀態(流速、混合狀態的脈動等)影響很小，因此不會對微流體系統中流體的流動狀態造成影響；(3)適用于混合粘度變化范圍較大的流體。實驗表明，如流體粘度v從10-7m2/s變化到10-5m2/s時，所需的混合長度僅增加3倍左右；(4)適用于混合擴散系數變化范圍較大的流體。實驗表明，當流體分子的擴散系數在10-10～10-8m2/s變化時，其混合長度和混合時間分別僅增加0.06mm和0.04s；(5)加工方便，可用常規的微機電系統加工工藝進行制作。
具體實施例方式
以下通過實施例及其附圖作出進一步說明。
圖1是本發明所述的主動式微流體混合器的一種實施例的結構示意圖。
圖2是本發明所述的主動式微流體混合器的另一種實施例的結構示意圖。
圖3是圖2的俯視圖，為表達方便，去除了蓋板。
實施例1雙金屬片驅動式參見圖1，本實施例是雙金屬片驅動式微流體混合器，它由基座3、蓋板4及微型雙金屬片6組成。1、5分別為兩種微流體的入口，2為混合流體的出口。微型雙金屬片6以粘接或過盈等方法固定安置在基座3側壁上的槽內，其一端伸出基座外，便于通過引線7與電源連接，另一端懸在微流體通道中，在電壓作用下產生擺動以干擾流場?；?上的微流體通道可通過刻蝕、激光等方法進行加工，然后通過粘接或鍵合等工藝將其與蓋板4封裝起來以形成T字形微流體通道。雙金屬片6在電壓作用下的擺動可增強流體混合的效果。實驗表明，當微型雙金屬片6的懸臂長度(即其在流體通道內的長度)等于入口通道的寬度時，混合效果最佳，其懸臂長度小于入口通道的寬度越多，混合效果就越差。本實施例使用的微型雙金屬片厚度為100μm，高度1mm(懸臂部分的高度為0.8mm)，微流體通道的深度是1mm，微型雙金屬片的懸臂長度等于入口通道的寬度。該微型雙金屬片可自制或定制。
實施例2壓電陶瓷薄膜驅動式參見圖2和圖3，本實施例采用壓電陶瓷薄膜作為懸臂梁8的驅動材料，利用微機電系統工藝在基座3和蓋板4上刻蝕出微流體通道。由于該混合器的厚度很薄(～600μm)，混合流體的出口9不能設在其右側，而是設計在基座的下面便于與外界連接。壓電微懸臂梁8是在基座3上利用微機電系統工藝制作的。蓋板4和基座3的封裝采用鍵合工藝進行。蓋板4的左端略短于基座3是為了方便電極引線的焊接。
選用混合通道截面尺寸為200μm×50μm、壓電懸臂梁的懸臂長500μm、厚度5μm(其中，壓電薄膜厚度2μm)、混合通道長度為2mm的混合器進行仿真分析。針對兩種流體(粘度10-9m2/s)，其中一種流體分子在另一種流體中的擴散系數為2.39×10-9m2/s，當貝克勒數(Pe)為0.7×104、懸臂梁擺動頻率為200Hz時，該混合器充分混合兩流體僅需0.9mm的混合長度，對應的混合時間為0.15s。
下面為制作本實施例的主要工藝過程(1)以硅片作為基座3，熱氧化硅片形成SiO2層；(2)在SiO2層上依次蒸發鍍膜Ti和Pt膜，作為下電極層。Ti膜的作用是增強Pt膜與SiO2層的結合性；(3)在Pt膜上利用溶膠-凝膠法制備壓電陶瓷薄膜；(4)在壓電薄膜上依次蒸鍍Cr和Au膜，作為上電極。Cr膜的作用同Ti膜；(5)在Au膜上沉積SiO2膜，作為鈍化層，以防止在流體中產生短路；(6)對上述多層樣品進行多次曝光和刻蝕，加工出壓電懸臂梁、電極的引出點、流體的一個進口5、出口9及混合通道的一半；(7)對蓋板4(材料為Pyrex玻璃)進行曝光，并刻蝕出流體的另一個進口1及混合通道的另一半；(8)利用鍵合工藝將蓋板4和基座3封裝在一起；(9)焊上電極引線，即完成整個混合器的制作。
權利要求
1.一種主動式微流體混合器，包括基座、蓋板及其組合形成的T字形微流體通道，其特征在于，在兩微流體進口通道的匯合中心處設置一由外部能源驅動的微型梁，該微型梁兩較大的平面與進口通道垂直，其另一端伸出基座外并與電路連通，該微型梁懸臂部分(即其在流體通道內的部分)的高度大于微流體通道深度的1/2，小于微流體通道的深度，其余部分的高度與微流體通道的深度一致。
2.如權利要求1所述的主動式微流體混合器，其特征在于，所述微型懸臂梁是壓電陶瓷片。
3.如權利要求1所述的主動式微流體混合器，其特征在于，所述微型懸臂梁是形狀記憶合金片。
4.如權利要求1所述的主動式微流體混合器，其特征在于，所述微型懸臂梁是雙金屬片。
5.一種主動式混合微流體的方法，其特征在于，在微流體的匯合處設置有周期性擺動的微懸臂梁，利用該微懸臂梁的擺動直接干擾匯合處的流場。
全文摘要
本發明涉及微流體系統中的微流體混合器，尤其是主動式微流體混合器。所述混合器包括基座、蓋板及其組合形成的T字形微流體通道。在兩微流體進口通道的匯合處設置一由外部能源驅動的微型梁，該微型梁兩較大的平面與進口通道垂直，其另一端伸出基座外并與電路連通。所述微型梁可以是壓電陶瓷片、形狀記憶合金片或雙金屬片等。所述混合方法是在微流體的匯合處設置有周期性擺動的微懸臂梁，該懸臂梁的擺動對匯合處流場進行直接的干擾。與現有混合器相比，本混合器適用于混合粘度變化范圍較大的流體，且其增強微流體混合的效果更為顯著，所需混合通道的長度、混合時間更短，使其占據微流體芯片上的空間更少，同時可滿足對混合時間有特殊要求的應用。
文檔編號G01N35/00GK1727029SQ20051003901
公開日2006年2月1日 申請日期2005年4月20日 優先權日2005年4月20日
發明者褚家如, 孫長敬 申請人:中國科學技術大學
專業數控銑床產品供應商
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