CN1319617C - 一种主动式微流体混合器及混合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流体系统中的微流体混合器，尤其是主动式微流体混合器。所述混合器包括基座、盖板及其组合形成的T字形微流体通道。在两微流体进口通道的汇合处设置一由外部能源驱动的微型梁，该微型梁两较大的平面与进口通道垂直，其另一端伸出基座外并与电路连通。所述微型梁可以是压电陶瓷片、形状记忆合金片或双金属片等。所述混合方法是在微流体的汇合处设置有周期性摆动的微悬臂梁，该悬臂梁的摆动对汇合处流场进行直接的干扰。与现有混合器相比，本混合器适用于混合粘度变化范围较大的流体，且其增强微流体混合的效果更为显著，所需混合通道的长度、混合时间更短，使其占据微流体芯片上的空间更少，同时可满足对混合时间有特殊要求的应用。
Description
技术领域
本发明涉及微流体系统中的微流体混合器，尤其是主动式微流体混合器。
背景技术
在化学、生物等领域中，微流体系统得到越来越多的应用，如微量流体的传输、成分分析及化学反应等。在实际应用中，常常需要快速、有效地混合两种或多种微量(ml～nl)流体。众所周知，微通道(特征尺寸在μm级)中，由于流体流动的雷诺数(Re)很低，属层流状态，流体的混合过程是通过流体分子的自由扩散进行的。根据Fick法则，基于自由扩散的混合过程是极其缓慢的。因此流体达到充分混合就需要较长的混合时间和较长的混合通道。这显然不能满足要求快速反应、高效分析的现代生物、化学等领域应用的需要。
针对这个问题，近年来，很多学者进行了广泛的研究，并提出了许多不同形式、基于不同原理的微流体混合器。这些混合器大致可分为被动式和主动式两种类型。比较而言，被动式混合器结构简单，但需较长的混合通道(一般在cm级甚至更长)，且混合过程不可控；主动式混合器的结构较为复杂，但其混合效率要好得多，最小混合长度仅需几mm左右，且混合过程可控，很具有发展潜力。被动式混合器是利用微通道中的特殊结构或形状，产生横向的质量输运或使流场处于杂乱无序的状态以增强混合。其混合机理是流体分子的自由扩散。如哈佛大学的Stroock等人在微通道的底部制作了一些交错的人字形的条状结构。这些不对称的、与流速方向倾斜的条状结构会对粘性流体产生非对称的流阻，使流体产生横向的流动。该混合器在贝克勒数Pe为104时，混合长度为1cm(Abraham D.Stroock，Stephan K.W.Dertinger，Armand Ajdari，et al.Chaoticmixer for microchannels.Science，2002，295：647-651)。主动式混合器是利用外加的周期性的激励对流场进行干扰，以增强分子的扩散作用和质量传输。一般采用的激励方式有压力、超声、压电等。如日本产业技术总合研究所(AIST)的Zhen Yang等利用MEMS工艺将6mm×6mm×0.06mm的混合腔底部加工成厚度为0.15mm的薄膜，利用粘接在薄膜外测的压电陶瓷块驱动薄膜以扰动混合腔内部的流场。该混合器在Vpp为50～90V、60kHz方波的激励下，混合时间约为7s(Zhen Yang，Sohei Matsumoto，Hiroshi Goto.Ultrasonic micromixer for microfluidic systems.Sensors and Actuators，2001，A 93：266-272)。这些微流体混合器虽然可在一定程度上提高微流体混合的效果，但仍需要较长的混合通道和混合时间。一方面，微流体芯片要求其各个组成部分(如微泵、微阀、微流体混合器等)都尽量小，以集成更多的功能部件。较长的混合通道会占据微流体芯片上宝贵的空间。另一方面，较长的混合时间对于一些对时间较为敏感的生化分析来说是非常不利的。因此，有必要进一步减小充分混合微量流体所需混合通道的长度和混合时间。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，通过对主动式微流体混合器结构的改进，改变混合方法，从而进一步减小充分混合微量流体所需的通道长度和时间，以满足微流体系统应用的要求。
本发明所述的主动式微流体混合器，包括有基座和盖板及其组合形成的T字形微流体通道，其特征在于，在两个微流体进口通道的汇合中心处设置一由外部能源驱动的微型梁，该梁两较大的平面与进口通道垂直，其另一端伸出基座外并与电路连通。该微型梁在微流体通道内的高度大于流体通道深度的1/2，小于流体通道的深度，其余部分的高度与微流体通道的深度一致。所述微型梁可以是压电陶瓷片、形状记忆合金片或双金属片等。
本发明所述的微流体混合方法，其特征在于，在微流体的汇合处设置有周期性摆动的微悬臂梁，利用该微悬臂梁的摆动直接干扰汇合处的流场。
本发明所述的微流体混合方法，是对微流体汇合处的流场进行直接的干扰，与现有技术中利用粘接在通道外侧的压电陶瓷块产生振动扰动混合腔内部流场的方法相比，具有速度快、效率高的优点。
本发明所述的主动式微流体混合器，通过微悬臂梁周期性的摆动，对从两个进口通道分别进入混合器的流体汇合处的流场进行直接的干扰，使得两流体的接触面被周期性地拉伸和折叠，从而增强两者的混合。在实际使用中，当微悬臂梁产生周期性的摆动时，不仅使基于扩散作用的混合得到增强，同时由摆动产生的非对称的横向速度分量会在梁端部附近的流场区域产生细小的涡，使流场处于一种“无序对流”的状态，有助于加强通道中的质量输运过程，减小了混合所需的时间和通道的长度。与现有的主动式微流体混合器相比，本发明由于增强微量流体混合的效果更为显著，因此所需混合通道的长度更短，使其占据微流体芯片上的空间更少，同时混合时间也更短，同时可满足对混合时间有特殊要求的应用。此外，本发明所述的主动式微流体混合器还具有如下优点：
(1)可通过改变外部激励的状态控制悬臂梁摆动的振幅和频率来调控混合过程；
(2)悬臂梁的摆动仅影响混合通道入口处局部的流场，对出口处流场的状态(流速、混合状态的脉动等)影响很小，因此不会对微流体系统中流体的流动状态造成影响；
(3)适用于混合粘度变化范围较大的流体。实验表明，如流体粘度v从10-7m2/s变化到10-5m2/s时，所需的混合长度仅增加3倍左右；
(4)适用于混合扩散系数变化范围较大的流体。实验表明，当流体分子的扩散系数在10-10～10-8m2/s变化时，其混合长度和混合时间分别仅增加0.06mm和0.04s；
(5)加工方便，可用常规的微机电系统加工工艺进行制作。
具体实施方式
以下通过实施例及其附图作出进一步说明。
图1是本发明所述的主动式微流体混合器的一种实施例的结构示意图。
图2是本发明所述的主动式微流体混合器的另一种实施例的结构示意图。
图3是图2的俯视图，为表达方便，去除了盖板。
实施例1：双金属片驱动式
参见图1，本实施例是双金属片驱动式微流体混合器，它由基座3、盖板4及微型双金属片6组成。1、5分别为两种微流体的入口，2为混合流体的出口。微型双金属片6以粘接或过盈等方法固定安置在基座3侧壁上的槽内，其一端伸出基座外，便于通过引线7与电源连接，另一端悬在微流体通道中，在电压作用下产生摆动以干扰流场。基座3上的微流体通道可通过刻蚀、激光等方法进行加工，然后通过粘接或键合等工艺将其与盖板4封装起来以形成T字形微流体通道。双金属片6在电压作用下的摆动可增强流体混合的效果。实验表明，当微型双金属片6的悬臂长度(即其在流体通道内的长度)等于入口通道的宽度时，混合效果最佳，其悬臂长度小于入口通道的宽度越多，混合效果就越差。本实施例使用的微型双金属片厚度为100μm，高度1mm(悬臂部分的高度为0.8mm)，微流体通道的深度是1mm，微型双金属片的悬臂长度等于入口通道的宽度。该微型双金属片可自制或定制。
实施例2：压电陶瓷薄膜驱动式
参见图2和图3，本实施例采用压电陶瓷薄膜作为悬臂梁8的驱动材料，利用微机电系统工艺在基座3和盖板4上刻蚀出微流体通道。由于该混合器的厚度很薄(～600μm)，混合流体的出口9不能设在其右侧，而是设计在基座的下面便于与外界连接。压电微悬臂梁8是在基座3上利用微机电系统工艺制作的。盖板4和基座3的封装采用键合工艺进行。盖板4的左端略短于基座3是为了方便电极引线的焊接。
选用混合通道截面尺寸为200μm×50μm、压电悬臂梁的悬臂长500μm、厚度5μm(其中，压电薄膜厚度2μm)、混合通道长度为2mm的混合器进行仿真分析。针对两种流体(粘度10-9m2/s)，其中一种流体分子在另一种流体中的扩散系数为2.39×10-9m2/s，当贝克勒数(Pe)为0.7×104、悬臂梁摆动频率为200Hz时，该混合器充分混合两流体仅需0.9mm的混合长度，对应的混合时间为0.15s。
下面为制作本实施例的主要工艺过程：
(1)以硅片作为基座3，热氧化硅片形成SiO2层；
(2)在SiO2层上依次蒸发镀膜Ti和Pt膜，作为下电极层。Ti膜的作用是增强Pt膜与SiO2层的结合性；
(3)在Pt膜上利用溶胶-凝胶法制备压电陶瓷薄膜；
(4)在压电薄膜上依次蒸镀Cr和Au膜，作为上电极。Cr膜的作用同Ti膜；
(5)在Au膜上沉积SiO2膜，作为钝化层，以防止在流体中产生短路；
(6)对上述多层样品进行多次曝光和刻蚀，加工出压电悬臂梁、电极的引出点、流体的一个进口5、出口9及混合通道的一半；
(7)对盖板4(材料为Pyrex玻璃)进行曝光，并刻蚀出流体的另一个进口1及混合通道的另一半；
(8)利用键合工艺将盖板4和基座3封装在一起；
(9)焊上电极引线，即完成整个混合器的制作。
Claims (5)
1.一种主动式微流体混合器，包括基座、盖板及其组合形成的T字形微流体通道，其特征在于，在两微流体进口通道的汇合中心处设置一由外部能源驱动的微型梁，该微型梁两较大的平面与进口通道垂直，其另一端伸出基座外并与电路连通，该微型梁悬臂部分的高度大于微流体通道深度的1/2，小于微流体通道的深度，其余部分的高度与微流体通道的深度一致，该微型梁的悬臂长度等于进口通道的宽度。
2.如权利要求1所述的主动式微流体混合器，其特征在于，所述微型悬臂梁是压电陶瓷片。
3.如权利要求1所述的主动式微流体混合器，其特征在于，所述微型悬臂梁是形状记忆合金片。
4.如权利要求1所述的主动式微流体混合器，其特征在于，所述微型悬臂梁是双金属片。
5.一种主动式混合微流体的方法，其特征在于，在微流体的汇合处设置有周期性摆动的微悬臂梁，利用该微悬臂梁的摆动直接干扰汇合处的流场。
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