一種隔板式電滲微混合器的制作方法

本實用新型涉及一種隔板式電滲微混合器。該混合器的混合方式為交流驅動主動式。

背景技術：

隨著時代發展，微流控技術日趨成熟，微混合器作為微流控系統的一個分支，廣泛地運用在了化學分析、醫學臨床、生物環境監測等領域的試劑混合中。有許多生化反應是建立在不同種反應物充分混合的基礎上的，而對于微混合器內的流體，雷諾數較低，忽略了慣性效應的流體流動緩慢，這種情況下試劑間的混合基本依靠分子間的擴散，難以實現試劑間的完全混合。

國內外許多研究者提出了許多不同微尺度下的混合器結構，這些微混合器根據結構和工作原理的不同可以分為主動式微混合器和被動式微混合器。主動式微混合器有電磁驅動型、熱驅動型、超聲波驅動型、電驅動型、機械擾動型等類型，其特點是流體可控性強，試劑混合速度快、混合效率高、混合效果好，但是需要外部的能量驅動，部件結構較大，很難運用到一些條件苛刻的試劑分析中；被動式微混合器主要是通過改變微通道的結構，增大試劑間的擾動從而增加混合效率，并且結構簡單，無需外部驅動輸入，適用于大部分環境條件，但流體的控制性較差，比較依賴微管道的結構。

本文研究了一種新型的主動式電滲流微混合器，使流體單元發生拉伸和折疊從而增強了流體的混合效果。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種結構簡單、使用方便的主動式微流體混合器，用于進一步縮短混合時間，提升混合的效率。

本實用新型的技術方案是：一種隔板式電滲微混合器，包括進口管、出口管、主混合管道，其中主混合管道包含兩對電極和對稱分布的第一隔板、第二隔板，該隔板式電滲微混合器的特征在于：兩種待混合流體并列由進口管進入混合管道，在兩對電極的作用下產生電滲效應并經過第一隔板、第二隔板擾動后從出口管中流出；主混合管道為環形管狀結構，在管道外環對稱分布四個電極，分別為第一電極、第二電極、第三電極、第四電極，第一電極與第三電極為一對，第二電極與第四電極為一對，兩對電極分別施加交流電場；所述的進口管、出口管和主混合管道的管徑為10微米。

本實用新型的收益在于：流體在混合管道內由于交流電場而產生電滲效應同時發生電滲運動，混合過程中在電極附近會生成由電滲流引起的旋轉渦流，這些渦流擾亂了混合器內的主流，增強了流體的對流運動，使得流體混合更為充分；同時，由于微管道內絕緣擋板的作用，對流體流動產生干擾，渦流和隔板作用下共同擾亂了混合器內的主流，極大程度上加強了混合器內的兩種流體的非均勻性，使對流作用更加強烈，流體單元也產生折疊和拉伸，從而達到增強混合器的混合效果。

本實用新型所設計的結構為單層結構，通過一次光刻就可以制造模具，和傳統的多層結構相比具有結構簡單、便于大規模生產配置組裝、成本較低的特點，并且本實用新型的優勢在于，相比于其他微流體混合器具有更優化的單層結構，能夠使流體之間完成較快、效率更高的混合，所適用的雷諾數范圍廣，能滿足大部分實驗的需求。

附圖說明

圖1為隔板式電滲微混合器的結構示意圖，其中包括進口管1、第一隔板2、出口管3、第二隔板4，第一電極5、第二電極6、第三電極7、第四電極8，主混合管道9，通道入口AB，混合器結構出口CD；在管道外環對稱分布四個電極，分別為第一電極5、第二電極6、第三電極7、第四電極8，其中，第一電極5和第三電極7的電勢相同，第二電極6和第四電極8的電勢相同。

圖2為施加交流電場前、后微混合器內流體流線圖；其中，圖2a是未施加交流電場時，隔板式電滲微混合器內的流體流線圖；圖2b是施加交流電場后，隔板式電滲微混合器內的流體流線圖。

圖 3為隔板式電滲微混合器內流體濃度圖。圖3a為未施加交流電場時，隔板式電滲微混合器內的流體濃度分布圖；圖3b是施加交流電場后，隔板式電滲微混合器內的流體濃度分布圖。

圖 4是混合效率指標隨時間的變化曲線圖。

具體實施方式

一種微流體混合器，采用PDMS為材料，經過光刻、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構即為所述微流體混合器結構。

未施加交流電場的流體流線如圖2a，流場內的流體流動主要由入口驅動，可以看出通道內流體分層運動，兩種流體的流線互不干擾，但在經過絕緣隔板時流線變得密集，這是因為隔板迫使流體由狹小的通道流過，類似于收縮—擴張管道，在狹小的通道中流體流速增加。而在施加交流電場后，管道內的流線發生了明顯的變化，如圖2b，由于電場強度在流場內并不一致，故微管道壁面的電滲流速度不同，進而使得通道內待混合的兩種流體發生對流運動。

如圖3a，在未施加交流電場前，濃度分別為1和0，并且兩種流體之間有著明顯的分界線。絕緣隔板的作用下，迫使原本充斥在環形管道的流體從隔板和管道壁之間的狹小通道流過，使得靠近內管壁的流體流速加快。當施加交流電場后，隨著電場逐漸變化，在混合器通道內會形成一定的電勢差，使流場壁面產生電滲速度并驅動通道內的流體發生電滲運動，即非均勻變化的電場強度帶來了非均勻的壁面電滲流速度，擾亂了混合器內的流場，進而驅使待混合的流體發生對流運動，如圖3b。可以看出在兩對電極附近的擾動尤其劇烈，同時利用隔板的收縮—擴張效應，加強了流體間的對流效應，使混合器內的流體單元產生相互拉伸和折疊，促進了待混合流體向完全混合進行，進一步提高混合效率。

以隔板為界，隔板左側的流體混合已經初步進行，但待混合的兩種試劑仍具有一定的分界，流體濃度以1和0為主；在隔板右側，流體在經過狹小通道后流速加快，在交流電場的作用下流體發生進一步混合，混合流體濃度介于0與1之間，大部分混合濃度在0.5左右，達到了良好的混合效果。

圖4是混合效率隨混合時間變化的曲線，該曲線表明了混合效率指標隨著混合時間的增加而呈波浪式下降，指標的波動幅度逐漸減小。混合指標的每一個波動都代表了流體混合濃度的快速變化，此時流體界面扭曲變形，形成了對流體介質的強烈拉伸和折疊，在交流電場的作用下產生不規則的旋轉，使混合效率指標逐漸趨于0值，完成流體的完全混合，提升了微混合器的混合效果。