專(zhuān)利名稱(chēng)：一種壓電微流體混合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流體機(jī)械中的微流體泵技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可進(jìn)行微量液體混 合、流體方向控制的壓電微流體混合器。
背景技術(shù)：
微流體混合器由微量流體定量器、微泵、微閥及微通道等連接而成，用于生化反應(yīng) 前各種試劑的充分混合，是微流體芯片中的重要組成部分。微流體混合器與宏觀尺寸的混 合裝置相比，尺寸縮小，大大降低流動(dòng)系統(tǒng)中的能耗和試樣、試劑用量，而且響應(yīng)速度快，精 確度高，因此在化學(xué)分析、生物及化學(xué)傳感、分子分離、核酸排序及分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有 著廣泛的應(yīng)用前景。依據(jù)有無(wú)外界動(dòng)力源，微混合器大致可以分為被動(dòng)式微流體混合器和主動(dòng)式微流 體混合器兩種，被動(dòng)式微流體混合器主要有彎曲通道式、分合式、回流循環(huán)式、交錯(cuò)人字式、 分流/截流式等；主動(dòng)式微流體混合器按作用原理分可分為電動(dòng)力式、磁動(dòng)力式、超聲波 式、分支注入式、壓電式、磁致式、射流式、機(jī)械式等。目前，微流體混合器中的微通道的尺寸 大約在幾十到幾百微米的范圍內(nèi)，微通道中液體的雷諾數(shù)很小以至于沒(méi)有渦流產(chǎn)生，液體 間的混合以分子擴(kuò)散為主，使得混合時(shí)間相比宏觀情況大大延長(zhǎng)且混合效果變差，因此必 須采取特殊的方式來(lái)增加液體間的微接觸面積或者增強(qiáng)對(duì)流，提高混合效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可實(shí)現(xiàn)泵送和混合功能的壓電微流體混合器，響應(yīng)速 度快，精確度高，混合效果好。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是具有泵體及其上部的上基體，上基體上有兩個(gè)泵進(jìn)口、 一個(gè)泵出口及一個(gè)泵腔，泵腔位于上基體正中間，泵進(jìn)口和泵出口分別位于泵腔兩側(cè)；泵體 上有進(jìn)口腔和出口腔，進(jìn)口腔與兩泵進(jìn)口連通，出口腔與泵出口連通，泵腔正上方且位于上 基體上設(shè)有壓電振子，在兩泵進(jìn)口與泵腔之間、泵出口與泵腔之間均連通一個(gè)變形混合管， 變形混合管兩端是非變形部分，中間是變形部分，所述變形部分由七個(gè)管道連通組成，第一 管道與第五管道分別連通變形混合管兩端的非變形部分且兩者中心線在同一直線上，第三 管道與第一、第三管道平行，第一管道右端與第三管道左端之間連接并聯(lián)的半圓形第二管 道和錐形第七管道，半圓形第二管道與第三管道左端相切，錐形第七管道大端連接第一、第 二管道、小端連接于第三管道側(cè)部；第五管道左端與第三管道右端之間連接并聯(lián)的半圓形 第六管道和錐形第四管道，錐形第四管道大端分別連接第三管道右端和第六管道、小端連 接于第五管道側(cè)壁；半圓形第六管道與第三管道右端相切；第六管道幾何結(jié)構(gòu)尺寸與第二 管道相同，第七管道的幾何結(jié)構(gòu)尺寸與第四管道相同。本發(fā)明的有益效果是
1、兩種待混合的流體經(jīng)過(guò)進(jìn)口流入左側(cè)的變形混合管，在管中初步混合后進(jìn)入泵腔中 充分混合，再經(jīng)過(guò)右側(cè)的混合管從出口流出，經(jīng)過(guò)三次充分混合達(dá)到理想的效果。
2、由壓電振子的上下運(yùn)動(dòng)，使得泵腔內(nèi)壓力不斷變化，從而增加流體的對(duì)流混合， 進(jìn)一步促進(jìn)了流體實(shí)現(xiàn)快速均勻的混合，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)泵送和混合功能，響應(yīng)速度快，精確度 高，混合效果好，可在0. 4秒后達(dá)到均勻混合。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的主視剖視圖； 圖2為圖1中A-A仰視剖視圖3為圖2中變形混合管6的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為圖2中變形混合管6在I局部處的放大示意圖； 圖5為圖1中壓電振子3的結(jié)構(gòu)放大圖中1.上基體；2.泵進(jìn)口 ；3.壓電振子；4.泵出口 ；5.泵體；6.變形混合管；7.泵 腔；8.第一混合管進(jìn)口 ；9.第二混合管進(jìn)口 ；10.混合管出口 ；11.壓電陶瓷；12.電極層； 13.黏結(jié)劑；14.彈性基底；61、62、63、64、65、66、67.第一、第二、第三、第四、第五、第六、第
七管道。
具體實(shí)施例方式如圖1-2，本發(fā)明具有泵體5，泵體5的材料為硅片，泵體5上部是上基體1，泵 體5與上基體1的材料均為玻璃，并且泵體5與上基體1通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝結(jié)合在一起。 在上基體1上利用激光加工出兩個(gè)泵進(jìn)口 2、一個(gè)泵出口 4及一個(gè)泵腔7，其中泵腔7位 于上基體1的正中間，泵進(jìn)口 2和泵出口 4分別位于泵腔7兩側(cè)。泵腔7的半徑為1500
，泵腔7的高度為130 β揪。在泵體5上用干法刻蝕工藝加工出進(jìn)口腔和出口腔，進(jìn)口 腔與上基體1上的泵進(jìn)口 2連通，出口腔與上基體1上的泵出口 4連通。在兩泵進(jìn)口 2與 泵腔7之間、以及泵出口 4與泵腔7之間均連通一個(gè)變形混合管6。在泵腔7的正上方，并 且位于上基體1上設(shè)置壓電振子3。如圖3，變形混合管6兩端是非變形部分，中間連通變形部分。兩泵進(jìn)口 2與泵腔 7之間的變形混合管6左端的非變形部分具有第一、第二混合管進(jìn)口 8、9，該第一、第二混合 管進(jìn)口 8、9分別與兩泵進(jìn)口 2連通、右端的非變形部分與泵腔7連通。泵出口 4與泵腔7 之間的變形混合管6左端非變形部分連通泵腔7、其右端的非變形部分具有混合管出口 10，
混合管出口 10與泵出口 4連通。第一、第二混合管進(jìn)口 8、9分別為待混合的兩種液體的進(jìn)□。如圖4所示，變形混合管6的變形部分由第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七 管道61、62、63、64、65、66、67連通組成。其中，第一管道61與第五管道65是直管道，截面 均是正方形，兩者的中心線在同一直線上，第一管道61與第五管道65分別連通變形混合管 6兩端的非變形部分，第三管道63也是直管道，與第一、第三管道61、63平行。半圓形第二 管道62和錐形第七管道67并接在第一管道61右端與第三管道63左端之間，半圓形第二 管道62與第三管道63左端相切。錐形第七管道67的大端連接第一、第二管道61、62，錐 形第七管道67的小端連接于第三管道63的側(cè)部。錐形第七管道67投射在第三管道63上
的水平投射長(zhǎng)度4 = ΜΟμ^ ,錐形第七管道67投射在第二管道62上的垂直投射高度是罵=130 _。錐形第七管道67小端的正方形截面邊長(zhǎng)是& = 60// 。半圓形第六管道66和
錐形第四管道64并接在第五管道65左端與第三管道63右端之間，錐形第四管道64的大 端分別連接第三管道63右端和第六管道66，錐形第四管道64的小端連接于第五管道65的 側(cè)壁。半圓形第六管道66與第三管道63右端相切。錐形第四管道64的大端距離第七管道
67小端的距離是4 =Π5_。第一管道61、第三管道63、第五管道65的截面均為邊長(zhǎng)相同
的正方形，其邊長(zhǎng)均是兩=130私《。第二管道62的截面也是正方形，其邊長(zhǎng)巧=130 βΜ
，與兩相同。第六管道66幾何結(jié)構(gòu)尺寸與第二管道62相同，第七管道67的幾何結(jié)構(gòu)尺寸 與第四管道64相同。如圖5所示，壓電振子3為圓形復(fù)合型結(jié)構(gòu)，包括壓電陶瓷11、電極層12、黏結(jié)劑 13和彈性基底14，彈性基底14材料為黃銅，彈性基底14以周邊固定，位于上基體1上部 的正中位置。彈性基底14上部有壓電陶瓷11，在壓電陶瓷11與彈性基底14之間是一層 黏結(jié)劑13，黏結(jié)劑13為導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂制作，通過(guò)黏結(jié)劑13將壓電陶瓷11與彈性基底14 固定黏結(jié)在一起。在壓電陶瓷11上面設(shè)有一層很薄的電極層12。壓電陶瓷11半徑Rl為 1130 _，彈性基底14半徑R2為1500 _。壓電振子3是本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)元件，采用50V或130V正弦交流電壓，頻率為130Hz， 振動(dòng)模式采用徑向伸縮振動(dòng)。本發(fā)明工作時(shí)，兩個(gè)泵進(jìn)口 2作為兩種不同流體的進(jìn)口，流體經(jīng)過(guò)變形混合管6及 泵腔7后即可實(shí)現(xiàn)混合，泵出口 4作為混合物的出口。在壓電振子3兩端加載交變電壓，壓 電振子3會(huì)產(chǎn)生彎曲變形并隨著電壓頻率上下振動(dòng)，該振動(dòng)帶動(dòng)泵腔7內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)，可將壓 電振子3的運(yùn)動(dòng)分為向上位移和向下位移運(yùn)動(dòng)，則泵腔7內(nèi)流動(dòng)過(guò)程相對(duì)就分為吸入過(guò)程 和排出過(guò)程。當(dāng)壓電振子3向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，泵腔7容積增大，流體經(jīng)泵腔7兩側(cè)的變形混合管 6流入泵腔7，這時(shí)，微混合器處于吸入狀態(tài)；相反，當(dāng)壓電振子3向下運(yùn)動(dòng)，流體經(jīng)泵腔7兩 側(cè)的變形混合管6流出泵腔7，微混合器處于泵出狀態(tài)。兩變形混合管6相當(dāng)于擴(kuò)散管和收 縮管，當(dāng)處于吸入狀態(tài)時(shí)，由于泵進(jìn)口 2 (圖2的左側(cè))的流阻比泵出口 4 (圖2的右側(cè))流 阻小，從泵進(jìn)口 2流入的流體較泵出口 4多，而當(dāng)其處于泵出狀態(tài)時(shí)，由于泵進(jìn)口 2的流阻 比泵出口 4大，泵出口 4流出的流體較泵進(jìn)口 2多，所以微混合器呈現(xiàn)出流體從泵進(jìn)口 2流 入，從泵出口 4流出。
權(quán)利要求
1.一種壓電微流體混合器，具有泵體(5)及其上部的上基體(1)，上基體(1)上有兩泵 進(jìn)口(2)、一個(gè)泵出口(4)及一個(gè)泵腔(7)，泵腔(7)位于上基體(1)正中間，兩泵進(jìn)口(2)和 泵出口(4)分別位于泵腔(7)兩側(cè)；泵體(5)上有進(jìn)口腔和出口腔，進(jìn)口腔與兩泵進(jìn)口(2)連 通，出口腔與泵出口(4)連通，泵腔(7)正上方且位于上基體(1)上設(shè)有壓電振子(3)，其特 征是在兩泵進(jìn)口(2)與泵腔(7)之間、泵出口(4)與泵腔(7)之間均連通一個(gè)變形混合管 (6)，變形混合管(6)兩端是非變形部分，中間是變形部分，所述變形部分由七個(gè)管道(61、 62、63、64、65、66、67)連通組成，第一管道(61)與第五管道(65)分別連通變形混合管(6)兩 端的非變形部分且兩者中心線在同一直線上，第三管道(63)與第一、第三管道(61、63)平 行，第一管道(61)右端與第三管道(63)左端之間連接并聯(lián)的半圓形第二管道(62)和錐形 第七管道(67)，半圓形第二管道(62)與第三管道(63)左端相切，錐形第七管道(67)大端連 接第一、第二管道(61、62)、小端連接于第三管道(63)側(cè)部；第五管道(65)左端與第三管道 (63)右端之間連接并聯(lián)的半圓形第六管道(66)和錐形第四管道(64)，錐形第四管道(64) 大端分別連接第三管道(63)右端和第六管道(66)、小端連接于第五管道(65)側(cè)壁；半圓形 第六管道(66)與第三管道(63)右端相切；第六管道(66)幾何結(jié)構(gòu)尺寸與第二管道(62)相 同，第七管道(67)的幾何結(jié)構(gòu)尺寸與第四管道(64)相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電微流體混合器，其特征是第一、第三、第五管道 (61、63、65)是直管道，截面均是邊長(zhǎng)為130 _的正方形；錐形第七管道(67)投射在第三管道(63)上的水平投射長(zhǎng)度4 二 140_、投射在第二管道(62)上的垂直投射高度是呢 =130 μπι ；錐形第七管道(67)小端截面是邊長(zhǎng)毛二 的正方形，錐形第四管道(64)大端距離第七管道(67)小端長(zhǎng)h = ^m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓電微流體混合器，其特征是壓電振子(3)為圓形復(fù)合 型結(jié)構(gòu)，包括壓電陶瓷(11)、電極層(12)、黏結(jié)劑(13)和彈性基底(14)，彈性基底(14)位于 上基體(1)上部正中位置；彈性基底(14)上部有壓電陶瓷(11)，在壓電陶瓷(11)與彈性基底 (14)之間是一層黏結(jié)劑(13)，壓電陶瓷(11)上面設(shè)有一層電極層(12);壓電陶瓷(11)半徑 為1130 _，彈性基底(14)半徑為1500 m ；泵腔(7)半徑為1500 m、高度為130 m。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種壓電微流體混合器，在兩泵進(jìn)口與泵腔之間、泵出口與泵腔之間均連通一個(gè)變形混合管，變形混合管的變形部分由七個(gè)管道連通組成，第三管道與第一、第三管道平行，第一管道右端與第三管道左端之間連接并聯(lián)的半圓形第二管道和錐形第七管道，錐形第七管道大端連接第一、第二管道、小端連接于第三管道側(cè)部；第五管道左端與第三管道右端之間連接并聯(lián)的半圓形第六管道和錐形第四管道，錐形第四管道大端分別連接第三管道右端和第六管道、小端連接于第五管道側(cè)壁；兩種待混合的流體經(jīng)過(guò)進(jìn)口流入左側(cè)的變形混合管初步混合后進(jìn)入泵腔中充分混合，再經(jīng)過(guò)右側(cè)的混合管從出口流出，經(jīng)過(guò)三次充分混合達(dá)到理想的效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)泵送和混合。
文檔編號(hào)B01L3/00GK102145265SQ20111009109
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者何秀華, 李富, 禚洪彩 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)