一種分合式被動微混合器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微流控系統技術領域，尤其涉及一種分合式被動微混合器。
技術背景
[0002]微流控系統是芯片實驗室(lab-on-a_chip)的主要研究方向之一，是集米樣、稀釋、混合、反應、檢測、分離等于一體的系統，它能將復雜的生物化學分析過程微型化和集成化，從而可降低樣品液和檢測液的消耗量，也可降低能源消耗。同時，它還提高分析速度和分析精度，在生物工程、化學工程、醫藥檢測、微電子工程等領域具有廣泛的應用前景。
[0003]在分析檢測過程中，樣品液要與檢測液充分混合，其混合效率將直接影響到分析速度。然而，由于微流控系統的尺度小，比表面積大，當粘性力占主導地位時，雷諾數一般很小，有時甚至大大小于1，這時流動處于層流狀態，流體間的混合主要依靠流體組分間的擴散。因此，混合速度緩慢，混合效率低下。
[0004]目前，微混合器主要有主動和被動兩種。被動式微混合器主要依靠微通道幾何形狀來促使流體混合，是一種不需要利用外部力量進行混合的方法，其優點是結構簡單、加工方便，沒有運動部件且易集成等，但缺點是混合效率低、流體變形大、流動阻力大和易堵塞等。
[0005]為了提高被動式微混合器的混合效率，通常是利用如旋流、次流、環流、分層等方式增加流體間的接觸面積。目前，常用的方法是在微通道內設置各種形式的擾流擋板，使流體產生混沌對流，但采用這種形式，會使流動損失增大。因此，選擇一種能產生混沌對流，流動損失又不大的微通道形式，是很有意義。
[0006]中國專利CN103877905公開了以下技術內容:包括上下鍵合在一起的上蓋板和混合板，上蓋板的右部開有位于中心位置的出口管，上蓋板的左部開有關于出口管前后對稱的第一、第二種流體入口管，混合板上從左至右依次設有進口主通道、η個混合單元、出口主通道；η個混合單元是η個基本混合單元從左至右通過圓弧過渡連接得到，單個基本混合單元的水平軸截面的外輪廓是由四對數螺旋線和兩個直線組合而成，第一、第二對數螺旋線的起始點之間通過直線一相連，第三、第四對數螺旋線的起始點之間通過直線二相連。
[0007]雖然上述技術以僅有幾條對數螺旋線組成，能量損失少，但是其流體變形大，易堵塞，壓力降大，沒有分層效果。同時，由于沒有混沌理論的支撐，加工對數螺旋線的難度很大。
【發明內容】
[0008]本發明所要解決的技術問題是提供一種利用面包師對流循環設計，能達到流動損失小、混合效率高的分合式被動微混合器。為此，本發明采用以下技術方案:
一種分合式被動微混合器，包括上下鍵合在一起的上基片和下基片，下基片上設有進口、出口和槽道，所述槽道包括一個主槽道和多個獨立的輔槽道，主槽道設于下基片的前端部并開有進口，上基片和下基片上均設有多個獨立的輔槽道，且輔槽道沿流體流動方向依次排設，下基片末端的輔槽道上開有出口，當上基片和下基片鍵合時，上、下基片中的槽道相連接形成通路。
[0009]流體以層流的形式導入設于下基片的進口從而進入主槽道，由于上、下基片均設有輔槽道且相互相連，流入的流體在上、下基片中進行多次分合，最終從下基片末端的出口導出，實現流體快速均勻混合。
[0010]在采用上述技術方案的基礎上，本發明還可采用以下進一步的技術方案:
所述輔槽道排設為F型。F型輔槽道的設置不僅是基于面包師對流循環的設計，而且上、下基片在鍵合后，輔槽道形成了周期性重復的結構。
[0011]所述一個設于上基片的輔槽道和與該輔槽道相連的一個設于下基片的輔槽道構成一個擴散混合單元，流體在一個擴散混合單元完成二次分合。
[0012]所述擴散混合單元有二次分合，均為上下分開，左右合并。流體合并一次發生在上基片內，另一次合并則發生在下基片內。這樣能使需要混合的流體分層、拉伸、合并，從而增大流體間的接觸面積，加劇流體間的擴散混合。流體分層數為K*2n，K為混合流體種數，η為分合次數。
[0013]所述主槽道上的進口至少有兩個。主槽道的進口個數可根據混合流體的要求不同進行不同的設置。
[0014]所述擴散混合單元至少為三個，如果少于三個擴散混合單元，則流體混合效果較不理想。
[0015]面包師(Baker)對流循環是根據面包師變換(Baker Transforma -t1n)設計的，與確定性混純范例的伯努利變換(Bernoulli Trans- format1ns)同形的度量守恒(Measure-preserving)變換，是最好的混合變換。
[0016]本發明的優點是:根據混沌混合理論，采用面包師對流循環，具有確定性混沌，是最好的混合變換。運用面包師對流循環，可以讓流體多次分合引起分層、拉伸、折疊、變形，最大程度的增大了流體間的接觸面積，以提高流體混合效率。同時，分合式擴散混合單元制作簡單、成本低、流體阻力小，由于不需要外力，也不需要運動元件，從而避免了槽道的磨損和堵塞，大大減少了壓力損失。
[0017]【附圖說明】:
圖1為本發明一種分合式被動微混合器的主視圖。
[0018]圖2為本發明一種分合式被動微混合器的俯視圖。
[0019]圖3為本發明一種分合式被動微混合器的上基片構造示意圖。
[0020]圖4為本發明一種分合式被動微混合器的下基片構造示意圖。
[0021]圖5為本發明一種分合式被動微混合器與其他形式的微混合器的混合效果比較曲線圖。
[0022]其中，進口 1、2，出口 3，下基片4，上基片5，主槽道6，輔槽道7，擴散混合單元8。
【具體實施方式】
[0023]結合附圖，對本發明提供的一種分合式被動微混合器作進一步說明。
[0024]參照圖1~圖4，一種分合式被動微混合器，包括上下鍵合在一起的上基片5和下基片4，下基片4上設有進口 1、2，還設有出口 3和槽道。在下基片4上設有至少二個進口 1、2，分別導入需要混合的流體，而混合充分后的流體通過出口 3導出。
[0025]槽道包括主槽道6和輔槽道7，輔槽道7為F型，主槽道6設于下基片4的端部并開有進口 1、2，下基片4末端的輔槽道7上開有出口 3。
[0026]其中，上基片5上設有輔槽道7，下基片4上設有主槽道6和輔槽道7，當上基片4和下基片5鍵合時，上、下基片中的槽道相接形成通路。
[0027]—個設于上基片5的輔槽道7和與該輔槽道相連的一個設于下基片4的輔槽道7構成一個擴散混合單元8，一個混合器中，至少有三個擴散混合單元8。
[0028]首先，流體通過進口 1、2以層流的形式導入在下基片4內，隨后進入第一個分合式擴散混合單元，進入所述分合式擴散混合單元后就被上下分開，一部分流體(Al)向上進入上基片5，另一部分流體(BI)繼續在下基片4內向右流動，隨后也轉彎向上進入上基片5，并向內流動，與在上基片5內先向內后轉彎向右流動的另一部分流體(Al)在上基片5內水平相遇，流體合并后在上基片5內向右，隨后再次上下分開，其中一部分流體(A2)繼續向右流動，另一部分流體(B2)則向下流入下基片4后向外流動后，繼而向右與先在上基片5內向右流動后拐彎向下流入下基片4后向外流動的流體(A2)在水平面內相遇，完成一個分合式擴散混合單元的二次分合。通過若干個分合式擴散混合單元8后，流體混合均勻，從下基片4上的出口 3導出，實現流體快速均勻混合。
[0029]每個分合式擴散混合單元8內流體均經過二次分合，流體每次都是經過上下分開和水平合并。其中流體先在上基片5內發生一次合并，后在下基片4內發生第二次合并，這樣能使需要混合的流體經過分層、拉伸、合并，從而最大程度增大流體間的接觸面積，加劇流體間的擴散混合。
[0030]其中，主槽道6和輔槽道7的寬度均為0~1000微米，深度均為0~500微米，寬度和深度一般為微米級即可，而長度則一般為1~50毫米。
[0031 ] 實施例一，假設在進口 I和進口 2的流體分別注入檢測液和樣品液，其密度和粘度分別為1000 kg/m3和0.001 kg/m.s, 1500 kg/m3和0.002 kg/m.s，兩者之間的擴散系數為10 9 m2/s。用Fluent軟件進行模擬，得到O次、I次、2次后組分體積分數的等值線圖，清晰可見流體在沒有分合前為左右2層，I次分合后有4層，2次分合后8層，由此可見，其符合面包師對流循環的性質。在一般經歷3個分合式擴散混合單元后，其體積分數已是基本均勻了。
流體的擴散混合效果，一般可以用出口截面內樣品液或檢測液的體積分數分布來衡量，體積分數均勻程度可以用標準差σ。圖5所示是混合均勻程度與雷諾數之間的關系，同時比較了 T型微混合器、蛇形微混合器和分合式微混合器在同樣條件下的混合效果，分合式微混合器由于其產生了混沌對流，不斷通過分層、拉伸、折疊流體，大幅度提高了混合效率，特別是在小雷諾數情況下。
[0032]雖然本發明已通過參考優選的實施例進行了圖示和描述，但是，本專業普通技術人員應當了解，在權利要求書的范圍內，可作形式和細節上的各種各樣變化。
【主權項】
1.一種分合式被動微混合器，包括上下鍵合在一起的上基片和下基片，下基片上設有進口、出口和槽道，其特征在于所述槽道包括一個主槽道和多個獨立的輔槽道，主槽道設于下基片的前端部并開有進口，上基片和下基片上均設有多個獨立的輔槽道，且輔槽道沿流體流動方向依次排設，下基片末端的輔槽道上開有出口，當上基片和下基片鍵合時，上、下基片中的槽道相連接形成通路。2.根據權利要求1所述的一種分合式被動微混合器，其特征在于所述輔槽道排設為F型。3.根據權利要求1或2所述的一種分合式被動微混合器，其特征在于所述一個設于上基片的輔槽道和與該輔槽道相連通的一個設于下基片的輔槽道構成一個擴散混合單元，流體在一個擴散混合單元完成二次分合。4.根據權利要求1所述的一種分合式被動微混合器，其特征在于所述主槽道上的進口至少有兩個。5.根據權利要求3所述的一種分合式被動微混合器，其特征在于所述擴散混合單元至少為三個。
【專利摘要】本發明屬于微流控系統技術領域，尤其涉及一種分合式被動微混合器。一種分合式被動微混合器，包括上下鍵合在一起的上基片和下基片，下基片上設有進口、出口和槽道，所述槽道包括一個主槽道和多個獨立的輔槽道，主槽道設于下基片的前端部并開有進口，上基片和下基片上均設有多個獨立的輔槽道，且輔槽道沿流體流動方向依次排設，下基片末端的輔槽道上開有出口，當上基片和下基片鍵合時，上、下基片中的槽道相連接形成通路。本發明解決的技術問題是提供一種利用面包師對流循環設計，能達到流動損失小、混合效率高的分合式被動微混合器，可以讓流體多次分合引起分層、拉伸、折疊、變形，最大程度的增大了流體間的接觸面積，以提高流體混合效率。
【IPC分類】B01F13/00
【公開號】CN105126687
【申請號】CN201510590002
【發明人】王瑞金, 劉湘琪, 朱澤飛
【申請人】杭州電子科技大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年9月16日