一種振蕩流微混合器的制作方法

本實用新型屬于微流控器件,特別是一種振蕩流微混合器。

背景技術：

微流控是一項涉及到精密機械、流體力學、生物醫學、化學等多個領域的交叉性科學技術，在生化分析、醫療診斷、藥物篩選等方面存在廣泛應用，并具有效率高、所需試樣/試劑少、儀器設備便于小型化設計等優點，因而在近年獲得了較快發展。而微流體混合強化則是微流控技術研究當中的一個主要關鍵問題。在低尺度下，液體的慣性力減弱而粘性力逐漸增強，混合變得困難，與此同時，當液體為高粘度時，混合則更加困難。常見的微混合器設計分為主動和被動兩種方式。

主動混合采用外力，包括氣動力、電磁力、超聲波等來強化混合。比如：Niu X,Lee Y K.Efficient spatial-temporal chaotic mixing in microchannels(J).Journal of Micromechanics and Microengineering,2003,13(3):454，發表了一種借助外部動力給流體施加一個擾動增加液體的接觸面積，從而達到促進混合的效果，但是這種設計需要借助外部器件，整個系統體積龐大；Liu L,Niu X,Wen W,et al.Electrorheological fluid-actuated flexible platform(J).Applied physics letters,2006,88(17):173505，提出了一種電流變液微閥，這種微閥通過給電流變液通斷電來實現結構中的彈性膜的變化，實現流道通斷，可用于液體的的混合，效果與前一種類似，但是這種結構除了需要借助外部電場之外，還依賴于通斷電的頻率。同時主動方式的電場、磁場、氣動力等外部能量輸入會對樣本產生損壞和變質的風險。

被動混合采用特別設計的流體通道結構對流體產生擾動，從而促進混合。比如：Stroock A D,Dertinger S K W,Ajdari A,et al.Chaotic mixer for microchannels(J).Science,2002,295(5555):647-651，發表了一種在流道內部增加凹槽的結構，使得液體可以產生混沌對流。H.M.Xia,Z.P.Wang,Y.X.Koh,K.T.May,A microfluidic mixer with self-excited'turbulent'fluid motion for wide viscosity ratio applications,Lab Chip,10(2010)1712-1716，發表了一種可用于流體混合的多通道結構，通過對流體的拉伸和折疊操作來增加流體的接觸面積,上述這兩種混合器結構復雜，加工困難、成本高。

還有在T型通道基礎上增加圓形腔室設計的微混合器，通過借助圓形腔室結構，使得液體內部可以產生渦流，增加液體接觸面積來實現液體混合。(A.Alam,K.Y.Kim,Mixing performance of a planar micromixer with circular chambers and crossing constriction channels,Sensor Actuat B-Chem,176(2013)639-652.)但是這種結構的混合效果會隨著粘度增加而減弱,即雷諾數Re<50，混合效果顯著降低。

另外，采用振蕩流的方式也可以增進流體的混合(H.M.Xia,Z.P.Wang,W.Fan,A.Wijaya,W.Wang,Z.F.Wang,Converting steady laminar flow to oscillatory flow through a hydroelasticity approach at microscales,Lab Chip,12(2012)60-64；H.M.Xia,Z.P.Wang,V.B.Nguyen,S.H.Ng,W.Wang,F.Y.Leong,D.V.Le,Analyzing the transition pressure and viscosity limit of a hydroelastic microfluidic oscillator,ApplPhysLett,104(2014))，Xia等報道了一種不需要借助外部激勵源的振蕩器，僅在一定的壓力條件下可以自發產生振蕩，用于液體的混合，該振蕩器應用在Y型結構通道上，能夠以被動的工作方式達到主動混合的效果；但是這種混合器應用在Y型結構通道上存在一個問題，在固定振蕩頻率下，當流體流量較高時，流道內部容易形成較長的液體分段，液體接觸面積變小，混合效果反而降低了。

技術實現要素：

本實用新型所解決的技術問題在于提供一種振蕩流微混合器，可適用于較高流量(0～60ml/min)及較寬粘度范圍(0～100cp)的液體的混合，具有較好的通用性；本實用新型的振蕩流微混合器不需要借助額外的能量激勵部件，且利用簡單的結構，即可實現高流量高粘度液體的混合。

實現本實用新型目的的技術解決方案為：

一種振蕩流微混合器，包括振蕩器、入口通道、圓形腔室、連接通道、出口通道；所述振蕩器、入口通道、圓形腔室、連接通道、出口通道均位于同一平面上；所述入口通道的數量為a個(a≥2)，包括第一入口通道和其他a-1個入口通道；所述圓形腔室的數量為b個(b≥1)，包括與第一入口通道1相切連接的第一圓形腔室和逐個通過連接通道連接的b-1個圓形腔室；所述連接通道的數量為c個(c＝b-1)，包括連接第一圓形腔室和第二圓形腔室的第一連接通道和依次與前一連接通道垂直的c-1個連接通道；所述出口通道數量為d個(d≥1)；

所述振蕩器安裝在任一入口通道處；所述第一入口通道與第一圓形腔室相連，且與第一圓形腔室的外圓相切，所述第一連接通道連接第一圓形腔室和第二圓形腔室，第一連接通道與第一圓形腔室和第二圓形腔室的外圓相切，且第一連接通道垂直于第一入口通道；在滿足于第一連接通道與第一圓形腔室和第二圓形腔室的外圓相切且垂直于第一入口通道條件下，在第一連接通道垂直于第一圓形腔室和第二圓形腔室的外圓上有兩個位置，一個接近于振蕩器，一個偏遠于振蕩器，第一連接通道的位置位于接近于振蕩器的位置；剩余的c-1個連接通道依次與相連接的兩個圓形腔室的外圓相切，并依次垂直于前一個連接通道，且第n個連接通道位于第n-1個圓形腔室和第n-2個圓形腔室之間，(1<n≤c)；所述出口通道與最后一個圓形腔室的外圓相切，出口通道垂直于第c個連接通道，且位于最后兩個圓形腔室之間。

本實用新型與現有技術相比，其顯著優點：

(1)本實用新型的振蕩流微混合器對液體的混合效果好，通過振蕩器與圓形腔室的結合，調整流體在圓形腔室的停留時間，提高了流體間的接觸面積，促進液體之間的擴散，增強了流體之間的混合。

(2)相比于傳統的主動混合方式，本實用新型的振蕩流微混合器不需要借助額外的能量激勵部件，結構簡單、體積小、便攜性好。

(3)本實用新型的振蕩流微混合器無需外接能量激勵部件，因此不會產生較高的能量輸入，不會對樣本產生破壞樣本的完整性和對樣本產生變質的風險，可靠性好。

(4)本實用新型的振蕩流微混合器只需外部壓力驅動流體，能耗低，節能環保。

(5)本實用新型的振蕩流微混合器結構簡單：采用平面結構的通道，同復雜的三維結構設計相比，本實用新型的振蕩流微混合器結構簡單，加工成本低。

(6)本實用新型的振蕩流微混合器增加了圓形腔室的結構，同現有的Y型通道與振蕩器結合相比，解決了流體在單一通道內難以充分接觸、混合的問題，拓寬了可適用混合液體流量的范圍。

(7)本實用新型的振蕩流微混合器擴大了可適用的流體粘度范圍(0～100cp)，通用性好。

(8)本實用新型的振蕩流微混合器對存在粘度差異的兩種液體也能很好的改善混合效果。

下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1是本實用新型的振蕩流微混合器雙入口的二維結構示意圖。

圖2是本實用新型振蕩流微混合器雙入口結構內部流道的三維結構示意圖。

圖3是本實用新型振蕩流微混合器多入口的二維結構示意圖。

圖4是液體最大粘度與振蕩器自身第二腔室深度之間的關系圖。

圖5是液體混合效果的參數與液體粘度關系圖。

圖6是液體粘度均為20cp時，液體在第一圓形腔室中的混合情況顯示圖。

圖7是液體粘度分別為20cp和2cp時，液體在第一圓形腔室中的混合情況顯示圖。

圖8是不同粘度比情況下的兩種液體混合效果的與圓形腔室數量的關系圖。

具體實施方式

本實用新型的振蕩流微混合器包括振蕩器2、入口通道、圓形腔室、連接通道、出口通道7；所述振蕩器2、入口通道、圓形腔室、連接通道、出口通道7均位于同一平面上；所述入口通道作為液體進入第一圓形腔室10的流入通道，入口通道的數量為a個(a≥2)，包括第一入口通道1和其他a-1個入口通道；所述圓形腔室作為液體混合腔室，用于液體在腔室中停留和混合，圓形腔室的數量為b個(b≥1)，包括與第一入口通道1相切連接的第一圓形腔室10和逐個通過連接通道連接的b-1個圓形腔室；所述連接通道作為連接相鄰兩個圓形腔室之間的連接通道，連接通道的數量為c個(c＝b-1)，包括連接第一圓形腔室10和第二圓形腔室4的第一連接通道3和依次與前一連接通道垂直的c-1個連接通道；所述出口通道7作為與最后一個圓形腔室混合后的液體的流出通道，出口通道的數量為d個(d≥1)。

所述振蕩器2安裝在任一入口通道處，用于對流入的液體進行振動，使液體產生擾動。所述第一入口通道1與第一圓形腔室10相連，且與第一圓形腔室10的外圓相切，所述第一連接通道3連接第一圓形腔室10和第二圓形腔室4，第一連接通道3與第一圓形腔室10和第二圓形腔室4的外圓相切，且第一連接通道3垂直于第一入口通道1；在滿足于第一連接通道3與第一圓形腔室10和第二圓形腔室4的外圓相切且垂直于第一入口通道1條件下，在第一連接通道3與第一圓形腔室10和第二圓形腔室4的外圓相切時有兩個位置，一個接近于振蕩器2，一個偏遠于振蕩器2；第一連接通道3的位置位于接近于振蕩器2的位置，為了使得液體在第一圓形腔室10能夠充分的停留；剩余的c-1個連接通道依次與相連接的兩個圓形腔室的外圓相切，并依次垂直于前一個連接通道，且第n個連接通道位于第n-1個圓形腔室和第n-2個圓形腔室之間，(1<n≤c)；所述出口通道7與最后一個圓形腔室的外圓相切，出口通道7垂直于第c個連接通道，且位于最后兩個圓形腔室之間。

進一步的，所述圓形腔室的體積大于一個周期內入口通道流入液體的流量總和。一個周期為振蕩器2振動一次的時間。

所述入口通道、連接通道、出口通道7可為截面為矩形、圓形、三角形、菱形、平行四邊形、梯形等多種形狀的槽口通道，所述圓形腔室為圓柱形的空腔結構；

進一步的，所述入口通道、連接通道、出口通道(7)、圓形腔室均在同一平面內，且所述入口通道、連接通道、出口通道7、圓形腔室的高度均一致。

實施例1：

結合圖1、圖2，一種雙入口通道的振蕩流微混合器，包括第一入口通道1、第二入口通道11、振蕩器2、第一圓形腔室10、第一連接通道3、第二圓形腔室4、第二連接通道9、第三圓形腔室8、第三連接通道5、第四圓形腔室6、出口通道7；

第一入口通道1、第二入口通道11作為液體的流入第一圓形腔室10的兩個入口，所述第一入口通道1與第一腔室10的外圓相切，所述第二入口通道11與第一入口通道1相通；所述第一連接通道3連接第一圓形腔室10和第二圓形腔室4，第一連接通道3與第一圓形腔室10和第二圓形腔室4的外圓均外切，第一連接通道3與第一入口通道1相互垂直；滿足上述第一連接通道3的位置有兩個，一個接近于振蕩器2的位置，一個偏遠于振蕩器2的位置，為了使得液體在第一圓形腔室10能夠充分的停留后，再經第一連接通道3流入第二圓形腔室4，第一連接通道3的位置位于接近于振蕩器2的位置；

所述第二連接通道9連接第二圓形腔室4和第三圓形腔室8，第二連接通道9與第二圓形腔室4和第三圓形腔室8的外圓均相切，第二連接通道9垂直于第一連接通道3，為了使液體在第二圓形腔室4中能夠有充分的停留時間，第二連接通道9的位置位于第一圓形腔室10和第二圓形腔室4之間；

所述第三連接通道5連接第三圓形腔室8和第四圓形腔室6，所述第三連接通道5與第三圓形腔室8和第四圓形腔室6的外圓均相切，且第三連接通道5垂直于第二連接通道9，同理，為了使液體在第三圓形腔室8中能夠有充分的停留時間，第三連接通道5的位置位于第二圓形腔室4和第三圓形腔室8之間；

所述出口通道7連接第四圓形腔室6，出口通道7作為充分混合液體的出口。所述出口通道7垂直于第四圓形腔室6的外圓，出口通道7垂直于第三連接通道5，為了使液體在第四圓形腔室6中能夠有充分的停留，出口通道7位于第三圓形腔室8和第四圓形腔室6之間；

實施例2：

結合圖3，一種三入口通道的振蕩流微混合器，包括第一入口通道1、第二入口通道11、第三入口通道12、振蕩器2、第一圓形腔室10、第一連接通道3、第二圓形腔室4、第二連接通道9、第三圓形腔室8、第三連接通道5、第四圓形腔室6、出口通道7；

所述第三入口通道12與第一連接通道相通，其他入口通道、振蕩器2、圓形腔室、連接通道、出口通道7的連接方式與實施例2中相同。

結合圖4，本實用新型的振蕩流微混合器液體最大粘度與振蕩器第二個腔室深度之間的關系圖。左側豎軸是本實用新型的振蕩器可以工作的粘度范圍，橫軸是振蕩器的第二個腔室深度，隨著振蕩器第二個腔室深度的增加，器件可工作的最大粘度升高。可認為通過調整振蕩器第二個腔室的深度，振蕩流微混合器的粘度工作上限可以達到100cp。

結合圖5，液體混合效果的參數與液體粘度關系圖：

雙入口通道均采用相同濃度的水和甘油配比的溶液，而為了觀測混合情況，其中第二入口通道11中的溶液中增加了黑色墨水，兩種液體入口流量比為1：1。圖中所示為三組不同粘度液體的混合效果數據(根據像素點分布情況計算)。σ為衡量液體混合效果的參數，它的計算公式是：其中：N為像素點個數，σ_i是第i個點對應的像素偏差，而其中I_i是第i個點的像素值，I_unmix是液體完全未混合的像素值，I_mix是液體完全混合的像素值。在實際過程中，由于存在黑白兩種顏色均為完全未混合狀態(黑色對應像素值為0，白色對應像素值為255)，因此存在I_unmix，1和I_unmix，2兩個值，假設：I_unmix，1>I_mix>I_unmix，2，那么I_unmix，1為白色液體對應的像素值，I_unmix，2黑色液體對應的像素值。則根據上述方法，當σ等于1時代表完全混合，反之，σ等于0時代表完全沒混合。

當溶液為1cp以及8cp時，σ的值接近1，而當液體粘度為12cp時，σ的值接近0.9，在本實用新型中可認為液體完全混合。同時1cp、8cp、12cp這三種粘度對應的流量分別為24ml/min,44ml/min以及27ml/min。

結合圖6，液體粘度均為20cp時，液體流量比為4：1時兩種液體在第一圓形腔室10中的混合情況顯示圖，液體產生了多個分層，呈現出以層狀接觸的特點，極大地增加了流體的接觸面積。

結合圖7，本實用新型的振蕩流微混合器中的兩種液體的粘度比為20cp:2cp，流量比為4：1的兩種液體混合在第一個圓形腔室10內。兩種顏色的液體界面之間存在清晰的齒狀結構，由于液體的粘度差異導致的突擴效應，使得兩種液體界面處產生了強烈的不穩定性。同時，在第一圓形腔室10的出口處，液體存在明顯的拉伸折疊現象，極大地增加了液體的接觸面積。

結合圖8，本實用新型的振蕩流微混合器在不同粘度比情況下的兩種液體混合效果與圓形腔室數量的關系圖(液體的流量比4：1)，當粘度為高粘度液體(20cp)時，相同粘度(20cp)的液體混合時，液體在第三腔室中液體混合效果的參數σ的值接近0.5；液體在第四腔室中液體混合效果的參數σ的值接近0.6；但在不同粘度(20cp-2cp)的液體混合時，由于突擴效應，第四腔室中液體混合效果的參數σ的值接近1，可認為第四個腔室內的液體已經完全混合。此外隨著圓形腔室的增加，液體在圓形腔室中的混合越來越好。