一種基于壓電驅(qū)動(dòng)集成式微混合器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于壓電驅(qū)動(dòng)集成式微混合器,本體由固接而成的上部襯底層、中部回流層、下部振動(dòng)層組成,上部襯底層設(shè)有上部混合腔,集成有多個(gè)流體入口、混合溶液出口,中部回流層設(shè)有順時(shí)針回流通道、逆時(shí)針回流通道、中部混合腔,集成有回流壓電微泵以及芯片電極,下部振動(dòng)層設(shè)有進(jìn)出口微流通道、下部混合腔,集成有進(jìn)出流壓電微泵、振子基底;各混合腔同心且內(nèi)徑相同。該微混合器通過(guò)交替式循環(huán)回流與往復(fù)式持續(xù)振動(dòng),增大流體間的接觸面積,增強(qiáng)流體間的對(duì)流與擴(kuò)散作用,是一種混合效率高、過(guò)程可控的微混合器。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于壓電驅(qū)動(dòng)集成式微混合器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微流體混合技術(shù)領(lǐng)域,特別是涉及到壓電驅(qū)動(dòng)集成式微混合器。
【背景技術(shù)】
[0002]微流體混合器是微流控芯片(microfluidic chip)重要部件之一,主要用于實(shí)現(xiàn)多種微量試劑有效快速的混合,在化學(xué)合成、生物反應(yīng)、生命科學(xué)等領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用前景。微混合器的通道結(jié)構(gòu)通常在微米量級(jí),流體的雷諾數(shù)非常小,流體處于層流狀態(tài),流體間主要依靠分子擴(kuò)散作用混合,而要達(dá)到完全混合則需要相當(dāng)長(zhǎng)的混合時(shí)間。這導(dǎo)致微流控快速高效分析的優(yōu)勢(shì)減弱甚至消失,因此,在微尺度下進(jìn)行流體的快速混合對(duì)微流控至關(guān)重要。
[0003]為了提高流體的混合效率,必須采取有效的方式來(lái)增加流體間的微接觸面積或者增強(qiáng)對(duì)流和擴(kuò)散效果。目前,根據(jù)有無(wú)外界能量驅(qū)動(dòng)微混合器可分為兩大類(lèi):主動(dòng)式微混合器及被動(dòng)式微混合器。被動(dòng)混合器通常采用具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微通道或微通道中的特殊結(jié)構(gòu),盡可能增大微接觸面積以提高混合效率,其缺點(diǎn)在于加工難度大、混合效果及可控性差。主動(dòng)式微混合器需要外部能量驅(qū)動(dòng)進(jìn)行混合,主要包括:微攪拌、壓力擾動(dòng)、聲波擾動(dòng)、磁力驅(qū)動(dòng)、電流體驅(qū)動(dòng)等,其優(yōu)點(diǎn)在于混合效果好且混合過(guò)程可控,但也會(huì)存在加工工藝復(fù)雜、加工成本昂貴、不易集成等諸多問(wèn)題。
[0004]經(jīng)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn),中國(guó)專(zhuān)利號(hào):CN 102553482A,專(zhuān)利名:新型回流式微混合器,該專(zhuān)利公開(kāi)了一種高回流被動(dòng)式微流體混合器。該微混合器利用康達(dá)效應(yīng)通過(guò)設(shè)置左右對(duì)稱(chēng)反饋通道引起回流,回流延長(zhǎng)了流體的混合時(shí)間并促進(jìn)形成渦流,增大了流體間的接觸面積。但仍存在以下缺點(diǎn):對(duì)于低雷諾數(shù)的流體,其回流率以及混合強(qiáng)度較差,結(jié)構(gòu)參數(shù)難以確定,且混合過(guò)程不可控制。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,本發(fā)明提供了一種基于壓電驅(qū)動(dòng)集成式微混合器,使溶液混合速度更快,混合效果更好并且混合過(guò)程更加可控。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:提供一種基于壓電驅(qū)動(dòng)集成式微混合器,本體由固接而成的上部襯底層、中部回流層、下部振動(dòng)層組成,上部襯底層設(shè)有上部混合腔,集成有多個(gè)流體入口、混合溶液出口,中部回流層設(shè)有順時(shí)針回流通道、逆時(shí)針回流通道、中部混合腔,集成有回流壓電微栗以及芯片電極,下部振動(dòng)層設(shè)有進(jìn)出口微流通道、下部混合腔,集成有進(jìn)出流壓電微栗、振子基底;各混合腔同心且內(nèi)徑相同。
[0007]下部振動(dòng)層進(jìn)口微流通道的外壁均與混合腔相切,且旋向保持一致,流體通過(guò)自身流動(dòng)形成旋流;中部回流層順時(shí)針回流通道的外壁均與混合腔相切,旋向?yàn)轫槙r(shí)針,流體通過(guò)順時(shí)針?lè)较虻幕亓?,在混合腔中形成順時(shí)針旋流;中部回流層逆時(shí)針回流通道外壁均與混合腔相切,流體通過(guò)逆時(shí)針?lè)较蚧亓鳎诨旌锨恢行纬赡鏁r(shí)針旋流。
[0008]兩種回流方式依次交替循環(huán)作用,極大地增強(qiáng)了溶液的混合效果。
[0009]通過(guò)連續(xù)交變信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電振子基底,基于頻率不同,使其處于一階或者多階模態(tài)振動(dòng),增強(qiáng)流體間對(duì)流和擴(kuò)散作用,提高了混合效率。
[0010]集成的回流壓電微栗可以為有閥栗或者無(wú)閥栗,數(shù)量為兩個(gè)或者多個(gè);流體入口數(shù)量為兩個(gè)或者多個(gè)。
[0011 ]本發(fā)明的工作原理是:與腔體相切的多個(gè)旋向相同的流道便于流體通過(guò)自身的流動(dòng)在腔室內(nèi)產(chǎn)生旋流效應(yīng);壓電微栗是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)使壓電振子產(chǎn)生變形,由變形導(dǎo)致栗腔容積變化實(shí)現(xiàn)流體的單向流動(dòng);振子基底是利用壓電振子處于一階或多階模態(tài)振動(dòng),作用于微流體中,增強(qiáng)流體間對(duì)流和擴(kuò)散作用。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:將交替式循環(huán)回流與往復(fù)式模態(tài)振動(dòng)兩種方式共同作用于微混合中,是一種主動(dòng)性更強(qiáng)、過(guò)程更可控的微混合器。在具備極強(qiáng)的混合能力基礎(chǔ)上,不僅可以快速混合好高雷諾數(shù)的溶液,也能高效混合好低雷諾數(shù)的溶液,具有廣大的適用范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0013]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。附圖中:
[0014]圖1為本發(fā)明所述的三維結(jié)構(gòu)裝配圖。
[0015]圖2為本發(fā)明所述的俯視角結(jié)構(gòu)爆炸圖。
[0016]圖3為本發(fā)明所述的仰視角結(jié)構(gòu)爆炸圖。
[0017]圖4為本發(fā)明所述的上部襯底層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5為本發(fā)明所述的中部回流層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖6為本發(fā)明所述的下部振動(dòng)層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖7為本發(fā)明所述的出入口流向示意圖。
[0021 ]圖8為本發(fā)明所述的回流層逆時(shí)針流向示意圖。
[0022]圖9為本發(fā)明所述的回流層順時(shí)針流向示意圖。
[0023]其中:1、混合溶液出口; 2、無(wú)閥微栗A; 3、流體入口一; 4、振子基底;5、有閥微栗A;
6、芯片電極;7、無(wú)閥微栗B; 8、中部回流層;9、下部振動(dòng)層;10、上部襯底層;11、無(wú)閥微栗C ;12、有閥微栗B; 13、流體入口二; 14、無(wú)閥微栗D; 15、有閥微栗C。
【具體實(shí)施方式】
[0024]請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3,以混合兩種溶液(溶液A和溶液B),驅(qū)動(dòng)進(jìn)出流的動(dòng)力源為有閥微栗、驅(qū)動(dòng)回流的動(dòng)力源為4個(gè)壓電無(wú)閥微栗為例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明由三部分固接而成,上部襯底層(1)集成有流體入口一(3)、流體入口二(I3)、混合溶液出口(I);中部回流層(8)集成有無(wú)閥微栗A(2)、無(wú)閥微栗B(7)、無(wú)閥微栗C(ll)、無(wú)閥微栗D(14)以及芯片電極
(6);下部振動(dòng)層(9)集成有振子基底(4)、有閥微栗A(5)、有閥微栗B( 12)、有閥微栗C( 15)。
[0025]如圖4所示,上部襯底層(10)設(shè)有上部混合腔(1001)、上部入口通道一(1002)、上部入口通道二(1004)、上部出口通道(1003)。如圖5所示,中部回流層(8)設(shè)有中部混合腔(803),微栗腔體A (802)、以及流道Al (801)、流道A2 (804),微栗腔體B (806)、以及流道BI(807)、流道B2(805),微栗腔體C(SlO)以及流道(:1(809)、流道02(811),微栗腔體0(814)以及流道Dl (815)、流道D2(813),中部入口通道一(816)、中部入口通道二(808)、中部出口通道(812)。如圖6所示,下部振動(dòng)層(9)設(shè)有下部混合腔(901)、下部入口流道一 (904)、入口流道二(902)、下部出口流道(903)。各混合腔同心且內(nèi)徑相同。
[0026]工作時(shí),A溶液通過(guò)壓電有閥微栗A(5)驅(qū)動(dòng),由流體入口一(3)、上部入口通道一(1004)、中部入口通道一(816)、下部入口流道一(904)流入底部混合腔(901)中,同時(shí)B溶液通過(guò)壓電有閥微栗B(12)驅(qū)動(dòng),由流體入口二(13)、上部入口通道二(1002)、中部入口通道二(808)、下部入口流道二(902)流入下部混合腔(901)中,由于下部出入口流道外壁與下部混合腔相切且旋向一致,因此,流體可以通過(guò)自身的流動(dòng),在下部混合腔(901)內(nèi)形成旋流,對(duì)溶液進(jìn)行初步的微混合。此后經(jīng)過(guò)以下回流方式一、回流方式二交替循環(huán)回流后,最終混合好的溶液通過(guò)壓電有閥微栗C( 15)驅(qū)動(dòng),由下部出口流道(903)、經(jīng)過(guò)中部出口通道(812 )、上部出口通道(1 O 3)從混合溶液出口( I)流出,流向示意如圖7所示。
[0027]回流方式一:無(wú)閥微栗A(2)、無(wú)閥微栗C(Il)工作,混合溶液經(jīng)流道Al(SOl)、流道Cl (809)分別流入腔體A (802),腔體C (810),又分別從流道A2 (804),流道C2 (811)流回中部混合腔(803),形成回流,由于流道Al (801)、流道A2 (804),流道Cl (809), C2流道(811)外壁均與混合腔相切且旋向?yàn)槟鏁r(shí)針,因此,在混合腔中產(chǎn)生逆時(shí)針旋流,流向示意如圖8所示。
[0028]回流方式二:壓電無(wú)閥微栗B(7)、無(wú)閥微栗D(14)工作,混合溶液經(jīng)流道Bl(807)、流道D 1(815)分別流入腔體B(806),腔體D(814),又分別從流道B2(805),流道D2(813)流回中部混合腔(803),形成回流,由于流道B1(807)、B2(805)、D1(815)、D2(813)外壁均與混合腔相切且旋向?yàn)轫槙r(shí)針,因此,在混合腔中產(chǎn)生順時(shí)針旋流,流向示意如圖9所示。
[0029]兩種主動(dòng)回流方式依次循環(huán)交替工作,增大流體間的接觸面積,使溶液混合得更加高效。
[0030]振子基底(4)在混合過(guò)程中一直處于一階或者多階模態(tài)振動(dòng),強(qiáng)化了流體間對(duì)流與擴(kuò)散作用,使溶液混合得更加充分。
[0031]上述的壓電無(wú)閥微栗A(2)、無(wú)閥微栗B(7)、無(wú)閥微栗C(Il)無(wú)閥微栗D(14)、壓電有閥微栗A(5)、有閥微栗B(12)、有閥微栗C(15)、振子基底(4)均通過(guò)芯片電極(6)與外部控制器連接。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于壓電驅(qū)動(dòng)集成式微混合器,其特征在于:本體由固接而成的上部襯底層、中部回流層、下部振動(dòng)層組成,上部襯底層設(shè)有上部混合腔,集成有多個(gè)流體入口、混合溶液出口,中部回流層設(shè)有順時(shí)針回流通道、逆時(shí)針回流通道、中部混合腔,集成有回流壓電微栗以及芯片電極,下部振動(dòng)層設(shè)有進(jìn)出口微流通道、下部混合腔,集成有進(jìn)出流壓電微栗、振子基底;各混合腔同心且內(nèi)徑相等。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓電驅(qū)動(dòng)集成式微混合器,其特征在于:下部振動(dòng)層進(jìn)口微流通道的外壁均與混合腔相切,且旋向保持一致;中部回流層順時(shí)針回流通道的外壁均與混合腔相切,且旋向?yàn)轫槙r(shí)針;中部回流層逆時(shí)針回流通道外壁均與混合腔相切,且旋向?yàn)槟鏁r(shí)針。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓電驅(qū)動(dòng)集成式微混合器,其特征在于:中部回流層回流方式為壓電微栗驅(qū)動(dòng)的順、逆時(shí)針交替式循環(huán)回流,壓電微栗可以為有閥或者無(wú)閥微栗O4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓電驅(qū)動(dòng)集成式微混合器,其特征在于:下部振動(dòng)層振子基底驅(qū)動(dòng)信號(hào)為連續(xù)交變信號(hào),基于頻率不同,振動(dòng)方式為一階或者多階模態(tài)振動(dòng)。
【文檔編號(hào)】B01F13/10GK105854717SQ201610317989
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】劉國(guó)君, 唐春秀, 梁實(shí)海, 王騰飛, 姜楓, 張炎炎, 趙心, 洪雯, 裴曉寒, 李新波, 吳越, 劉建芳, 楊志剛
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)