專利名稱：一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微混合技術領域，特別涉及一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系 統(tǒng)。
背景技術：
近一個世紀以來，設備和系統(tǒng)的微型化以及功能的集成化已成為微電子技術、信 息技術、生物技術、納米技術等高科技領域的共同發(fā)展趨勢之一。與宏觀系統(tǒng)相比，微系統(tǒng) 具有樣品消耗量少、慣性小、響應速度快、反應污染物排放少等優(yōu)點，已經在生命科學、生物 技術及分析化學等領域受到廣泛關注。微混合器是用來實現(xiàn)不同反應物在微尺度條件下充 分混合的微器件，是各種生物、化學反應的前置級，不同反應物之間在微混合器內的充分預 混合是各種物理、化學及生物反應的先決條件。因此，微混合器混合效率的高低直接影響到 微生物化學反應系統(tǒng)的性能。宏觀尺度下的混合較易實現(xiàn)，如采用機械攪拌或通過提高運動流體的雷諾數(shù)使流 動處于湍流區(qū)從而增加混合效果等。但微小尺度下流體混合的難點在于微通道內的流動 通常為低雷諾數(shù)的層流流動，不同流體之間的混合只能通過分子擴散來實現(xiàn)，往往需要較 長的混合時間和較長的混合長度。在微觀尺度下，各種促進微混合方法的共性在于產生垂直于待混合流體界面的擾 動。目前，已有微混合器可分為兩類，即主動式微混合器和被動式微混合器。主動式微混合 器需要在微混合器內部集成運動部件，具有混合效率高的優(yōu)點，但是其加工工藝復雜，存在 運動部件導致可靠性降低；被動式微混合器采用具有復雜幾何結構的通道來形成混沌流以 強化流體混合，混合效率通常比主動式混合器低，同時復雜通道結構會造成流動阻力的增 大，需要較大的泵功，容易出現(xiàn)封裝泄露問題。因此，微尺度下的流體混合尚未得到很好的 解決。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng).，其特征在于 該微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)由直流脈沖激勵電壓系統(tǒng)通過連接導線連接至 微混合器主體的薄膜電阻微加熱器兩端的金屬電極，供液泵系統(tǒng)通過流體輸送管路系統(tǒng)與 微混合器主體接通。所述微混合器主體由上層蓋板和下層基底鍵合而成；在上層蓋板上沉積有薄膜電 阻微加熱器及其兩端的金屬電極，并且薄膜電阻微加熱器位于液體a環(huán)路中的噴嘴結構正 上方；在下層基底上有液體a入口和液體b入口分別通過各自的液體a流道、液體b流道匯 合在一起連接主混合微通道，主混合微通道再連接混合流體出口 ；主混合微通道的連接通 道與液體a環(huán)路上接通，液體a環(huán)路的一段形成葫蘆狀腔體，葫蘆狀腔體小端為噴嘴結構， 噴嘴結構和連接通道接口之間設置氣泡過濾器；在液體a環(huán)路內并排兩個電極引線孔。所述供液泵系統(tǒng)泵送液體a和液體b兩種待混合流體；在微混合器主體內首先由所述供液泵系統(tǒng)通過流體輸送管路系統(tǒng)從液體a入口完全充滿液體a，繼而通過液體b入口 充入液體b，液體a和液體b在主混合微通道內平行流動，最終混合流體通過混合流體出口 流出；所述直流脈沖激勵電壓系統(tǒng)通過連接導線將脈沖激勵電壓施加在金屬電極上，從 而在薄膜電阻微加熱器上產生脈沖熱功率，在該脈沖熱功率的作用下，薄膜電阻微加熱器 上產生液體a的蒸汽泡，該蒸汽泡的快速生長和收縮由所述直流脈沖激勵電壓系統(tǒng)控制， 當輸出脈沖高電平時，蒸汽泡生長；當輸出零電平時，蒸汽泡收縮。從而在噴嘴結構處產生 沿漸擴方向的流體泵送效應，使得所述薄膜電阻微加熱器附近的受熱流體在所述液體a環(huán) 路內逆時針循環(huán)流動而冷卻；同時，冷流體的沖刷使得蒸汽泡在所述直流脈沖激勵電壓系 統(tǒng)輸出零電平時能夠快速收縮，使得所述噴嘴結構周圍的流場受到擾動，從而在所述連接 通道內形成周期性脈動流；該脈動流使得所述主混合微通道內的液體a和液體b受到垂直 流動方向的擾動，從而強化混合；因此通過控制所述直流脈沖激勵電壓系統(tǒng)的電壓輸出頻 率可實現(xiàn)所述薄膜電阻微加熱器上的液體a蒸汽泡的脹縮頻率，繼而控制a環(huán)路內的液體 循環(huán)流速以及所述連接通道內垂直于所述主混合微通道流動方向上脈動流的頻率，從而滿 足多種不同條件下流體混合的需要。所述液體a環(huán)路上的汽泡過濾器用于防止所述薄膜電阻微加熱器上產生的高溫 蒸汽泡在生長階段進入所述連接通道。所述薄膜電阻微加熱器的有效加熱區(qū)域為沿噴嘴結構漸擴方向的長條形。所述上層蓋板、下層基底材質為硅或耐熱玻璃；聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸 甲酯；所述薄膜電阻微加熱器的材質為鉬或鋁；所述金屬電極的材質為金。所述液體a流道、液體b流道、主混合微通道及液體a環(huán)路的截面形狀為矩形或正 方形。本發(fā)明的工作原理為首先將液體a入口和液體b入口分別通過各自的液體a流 道、液體b流道匯合在一起連接主混合微通道整個微混合器主體內注滿液體a，然后通過供 液泵系統(tǒng)將液體a、液體b經流體輸送管路系統(tǒng)輸入微混合器主體內的液體a通道和液體b 通道進入主混合微通道，在主混合微通道內形成a、b兩種液體的平行流。直流脈沖電壓激 勵系統(tǒng)通過金屬引線在位于噴嘴結構上方的薄膜電阻微加熱器上施加脈沖開關電壓(即 當高電平對應一定幅值的電壓，低電平為零)。在該周期性直流脈沖電壓的激勵下，所述液 體a環(huán)路中噴嘴結構正上方的薄膜電阻微加熱器上產生周期性溫升，從而在所述薄膜電阻 微加熱器上產生液體a的周期性蒸汽泡核化、生長和收縮。在所述薄膜電阻微加熱器的氣 液界面上，溫度梯度導致界面張力梯度從而引起氣液界面的Marangoni效應，使得熱蒸汽 泡駐留在所述薄膜電阻微加熱器上而不發(fā)生脫離。所述薄膜電阻微加熱器上蒸汽泡核化、 生長和收縮可實現(xiàn)流體泵送和流場擾動兩個作用，即在高電平激勵下蒸汽泡生長時，汽液 界面增大將周圍的流體向兩個方向排擠；在零電平時蒸汽泡收縮，使得氣泡周圍流體向蒸 汽泡處匯聚。由于噴嘴結構的存在，蒸汽泡周期性脹縮將在液體a環(huán)路內產生沿漸擴方向 (逆時針方向)的循環(huán)脈動流動，該脈動流對流場的擾動通過所述液體a環(huán)路和主混合微通 道的連接通道傳播，并在主混合微通道內產生垂直于流動方向的擾動，從而極大地強化微 混合。汽泡過濾器用于在蒸汽泡生長階段，防止高溫的汽液界面通過連接通道進入主混合 微通道而灼傷待混合的流體樣品。所述液體a環(huán)路中產生的周期性脈動流的脈動頻率、脈動幅度可針對不同條件下微混合的具體要求由所述直流脈沖電壓系統(tǒng)輸出的電壓頻率、電 壓幅值和占空比等參數(shù)控制。本發(fā)明與現(xiàn)有微混合技術相比，具有以下優(yōu)點在已有主動式微混合器中，往往通 過在微混合器內部集成微壓電晶體或微攪拌裝置等可運動部件來強化流體之間的混合，具 有較高的混合效率，但由于采用了運動部件，不僅導致其加工工藝復雜，而且使其可靠性和 使用壽命大大降低在已有被動式微混合器中，往往采用具有復雜幾何結構的通道使得待 混合流體流經復雜結構通道時產生混沌流從而強化流體混合。被動式微混合器具有無需集 成運動部件、可靠性高的優(yōu)點，但其混合效率較主動式微混合器低，并且由于采用復雜幾何 結構通道增大了流動的壓降，需要較大的泵送壓力并對系統(tǒng)密封提出更高要求。本發(fā)明采 用直流脈沖電壓激勵，致使液體a環(huán)路內產生周期性的汽泡核化、生長和收縮，從而在液體 a環(huán)路內產生脈動頻率、脈動幅度均可控的脈動流，利用垂直于所述主混合微通道流動方向 的連接通道將液體a環(huán)路與主混合微通道相連接，將液體a環(huán)路中的脈動流對流場的擾動 沿垂直主混合微通道流動方向引入主混合微通道，從而極大的強化流體之間的混合，同時 受熱液體a僅在液體a環(huán)路內循環(huán)流動，避免了主混合微通道內待混合液體a、液體b的熱 灼傷。本發(fā)明所提供的微混合器，在沒有集成運動部件的條件下，僅通過直流脈沖電壓激 勵，實現(xiàn)了待混合流體界面的高頻擾動。因此，本發(fā)明所提供的微混合器既具有主動式微混 合器混合效率高的優(yōu)點，又具有被動式微混合器無需集成運動部件、可靠性高的優(yōu)點，特別 是受熱流體a僅在液體a環(huán)路內循環(huán)流動，避免了薄膜電阻微加熱器及高溫受熱流體直接 與待混合流體接觸，從而有效防止生物、化學樣品的熱損傷，本發(fā)明提供了一種新穎、高效、 可靠性高、安全的強化微流體混合的方法、裝置和系統(tǒng)，具有廣闊的應用前景。


圖1為本發(fā)明的微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)實施示意圖。圖2為本發(fā)明所述微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合器主體的結構示意圖。圖3為液體a環(huán)路平面示意圖。附圖標記說明1、直流脈沖電壓系統(tǒng)，2、連接導線，3、微混合器，4、流體輸送管路 系統(tǒng)，5、供液泵系統(tǒng)，31、上層蓋板，311、薄膜電阻微加熱器，312、金屬電極，32、下層基底， 321、液體a入口，322、液體a流道，323液體b入口，324、液體b流道，325、混合流體出口， 326、主混合微通道，327、液體環(huán)路，328、連接通道，329、電極引線孔，3271、噴嘴結構，3272、 葫蘆狀腔體，3273、汽泡過濾器，3274、薄膜電阻微加熱器對應的加熱區(qū)域
具體實施例方式本發(fā)明提供一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)。下面結合附圖對本發(fā)明 作進一步說明；如圖1所示，該微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)由直流脈沖激勵電 壓系統(tǒng)1通過連接導線2連接至微混合器主體3的薄膜電阻微加熱器311兩端的金屬電極 312，供液泵系統(tǒng)5通過流體輸送管路系統(tǒng)4與微混合器主體3接通。如圖2所示，微混合器主體3由上層蓋板31和下層基底32鍵合而成；在上層蓋板 31上沉積有薄膜電阻微加熱器311及其兩端的金屬電極312，并且薄膜電阻微加熱器311 位于液體a環(huán)路327中的噴嘴結構3271正上方；在下層基底32上有液體a入口 321和液體b入口 323分別通過各自的液體a流道322、液體b流道323匯合在一起連接至主混合 微通道326，主混合微通道326再連接混合流體出口 325 ；主混合微通道326上的連接通道 328與液體a環(huán)路327接通，液體a環(huán)路327的一段形成葫蘆狀腔體3272，葫蘆狀腔體3272 小端為噴嘴結構3271，噴嘴結構3271和連接通道328接口之間設置氣泡過濾器3273 ；在液 體a環(huán)路327環(huán)框內并排兩個電極引線孔329。所述供液系統(tǒng)5泵送液體a和液體b兩種待混合流體；在微混合器主體3內首先 由所述供液系統(tǒng)5通過流體輸送管路系統(tǒng)從液體a入口 321將液體a完全充滿液體a環(huán)路 327，繼而通過液體b入口 323充入液體b，液體a和液體b在主混合微通道326內平行流 動，最終混合流體通過混合流體出口 325流出。所述直流脈沖激勵電壓系統(tǒng)1通過連接導線2將脈沖激勵電壓施加在金屬電極 312上，從而在薄膜電阻微加熱器311上產生脈沖熱功率，在該脈沖熱功率的作用下，薄膜 電阻微加熱器311上產生液體a的蒸汽泡，該蒸汽泡的快速生長和收縮由所述直流脈沖激 勵電壓系統(tǒng)1控制，當輸出脈沖高電平時，蒸汽泡生長；當輸出零電平時，蒸汽泡收縮。從而 在噴嘴結構3271處產生沿漸擴方向的流體泵送效應，使得所述薄膜電阻微加熱器311附近 的受熱流體在所述液體a環(huán)路327內逆時針循環(huán)流動而冷卻；同時，冷流體的沖刷使得蒸汽 泡在所述直流脈沖激勵電壓系統(tǒng)1輸出零電平時能夠快速收縮，使得所述噴嘴結構3271周 圍的流場受到擾動，從而在所述連接通道328內形成周期性脈動流；該脈動流使得所述主 混合微通道326內的液體a和液體b受到垂直流動方向的擾動，從而強化混合。所述液體a環(huán)路上的汽泡過濾器3273用于防止所述薄膜電阻微加熱器311上產 生的高溫蒸汽泡在生長階段進入所述連接通道。從上述工作原理看出通過控制所述直流脈 沖激勵電壓系統(tǒng)的電壓輸出滿足不同條件下流體混合的需要。所述液體a流道、液體b流道、主混合微通道及液體a環(huán)路的截面形狀為矩形或正 方形。
權利要求
1.一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng).，其特征在于該微汽泡泵環(huán)路驅動 的脈動流微混合系統(tǒng)由直流脈沖激勵電壓系統(tǒng)通過連接導線連接至微混合器主體的薄膜 電阻微加熱器兩端的金屬電極，供液泵系統(tǒng)通過流體輸送管路系統(tǒng)與微混合器主體接通。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)，其特征在于 所述微混合器主體由上層蓋板和下層基底鍵合而成；在上層蓋板上沉積有薄膜電阻微加熱 器及其兩端的金屬電極，并且薄膜電阻微加熱器位于液體a環(huán)路中的噴嘴結構正上方；在 下層基底上有液體a入口和液體b入口分別通過各自的液體a流道、液體b流道匯合在一 起連接主混合微通道，主混合微通道再連接混合流體出口 ；主混合微通道的連接通道與液 體a環(huán)路上接通，液體a環(huán)路的一段形成葫蘆狀腔體，葫蘆狀腔體小端為噴嘴結構，噴嘴結 構和連接通道接口之間設置氣泡過濾器；在液體a環(huán)路內并排兩個電極引線孔。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)，其特征在于 所述供液泵系統(tǒng)泵送液體a和液體b兩種待混合流體；在微混合器主體內首先由所述供液 泵系統(tǒng)通過流體輸送管路系統(tǒng)從液體a入口完全充滿液體a，繼而通過液體b入口充入液體 b，液體a和液體b在主混合微通道內平行流動，最終混合流體通過混合流體出口流出；
4.根據(jù)權利要求1所述的一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)，其特征在于 所述直流脈沖激勵電壓系統(tǒng)通過連接導線將脈沖激勵電壓施加在金屬電極上，從而在薄膜 電阻微加熱器上產生脈沖熱功率，在該脈沖熱功率的作用下，薄膜電阻微加熱器上產生液 體a的蒸汽泡，該蒸汽泡的快速生長和收縮由所述直流脈沖激勵電壓系統(tǒng)控制，當輸出脈 沖高電平時，蒸汽泡生長；當輸出零電平時，蒸汽泡收縮，從而在噴嘴結構處產生沿漸擴方 向的流體泵送效應，使得所述薄膜電阻微加熱器附近的受熱流體在所述液體a環(huán)路內逆時 針循環(huán)流動而冷卻；同時，冷流體的沖刷使得蒸汽泡在所述直流脈沖激勵電壓系統(tǒng)輸出零 電平時能夠快速收縮，使得所述噴嘴結構周圍的流場受到擾動，從而在所述連接通道內形 成周期性脈動流；該脈動流使得所述主混合微通道內的液體a和液體b受到垂直流動方向 的擾動，從而強化混合；因此通過控制所述直流脈沖激勵電壓系統(tǒng)的電壓輸出頻率可實現(xiàn) 所述薄膜電阻微加熱器上的液體a蒸汽泡的脹縮頻率，繼而控制a環(huán)路內的液體循環(huán)流速 以及所述連接通道內垂直于所述主混合微通道流動方向上脈動流的頻率，從而滿足多種不 同條件下流體混合的需要。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)，其特征在于 所述液體a環(huán)路上的汽泡過濾器用于防止所述薄膜電阻微加熱器上產生的高溫蒸汽泡在 生長階段進入所述連接通道。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)，其特征在于 所述薄膜電阻微加熱器的有效加熱區(qū)域為沿噴嘴結構漸擴方向的長條形。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)，其特征在于 所述上層蓋板、下層基底材質為硅或耐熱玻璃；聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯；所 述薄膜電阻微加熱器的材質為鉬或鋁；所述金屬電極的材質為金。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)，其特征在于 所述液體a流道、液體b流道、主混合微通道及液體a環(huán)路的截面形狀為矩形或正方形。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于微混合技術領域的一種微汽泡泵環(huán)路驅動的脈動流微混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)為直流脈沖激勵電壓系統(tǒng)通過連接導線連接至微混合器主體的薄膜電阻微加熱器兩端的金屬電極，供液泵系統(tǒng)通過流體輸送管路系統(tǒng)與微混合器主體接通。直流脈沖激勵電源在液體a環(huán)路的薄膜電阻微加熱器上施加周期性開關電壓，使得微加熱器上產生的熱汽泡發(fā)生周期性膨脹和收縮，汽泡脹縮對周圍流場造成擾動使得垂直主混合微通道流動方向上產生脈動流，使得待混合流體受到垂直界面方向的高頻擾動，從而快速高效地實現(xiàn)兩種不同流體在微尺度下的充分混合。該發(fā)明通過汽泡周期性脹縮產生的周期性脈動流流場擾動來強化混合，在實現(xiàn)高效混合的同時避免了混合樣品的熱損傷。
文檔編號B01F15/00GK102000518SQ20101029391
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權日2010年9月27日
發(fā)明者張偉, 徐進良, 王淑香 申請人:華北電力大學