專利名稱：一種壓電驅(qū)動微混合器及其制作方法和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微流體混合技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種壓電驅(qū)動微混合器及其制作方法和控制方法。
背景技術(shù)：
微混合器作為微流控系統(tǒng)的重要部件，用于實現(xiàn)不同反應(yīng)物在微尺度條件下的充分混合，在微量分析化學、微化工系統(tǒng)、生命科學等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，顯示著良好的應(yīng)用前景。 微尺度下實現(xiàn)微流體的快速有效混合是困難的，因為微流控系統(tǒng)的特征尺寸屬于微米級，雷諾數(shù)較小(Re = O. I 100)，流體保持層流狀態(tài)，混合完全依賴于分子擴散作用，需要很長的距離與時間才能混合均勻。特別在處理包含大分子的試劑時，實現(xiàn)完全混合將變得更難。許多研究人員通過改變流道結(jié)構(gòu)或施加外部干擾等措施來打亂流場，增大流體中的湍流比例，提高微混合效率。目前根據(jù)是否需要外部能量誘發(fā)混合，微混合器通常被分為主動微混合器和被動微混合器兩種。被動微混合器通常采用具有復雜幾何結(jié)構(gòu)的通道來形成混沌流，增強微流體間的分子擴散和對流，從而增加其有效接觸面積，提高流體的混合效率。缺點加工難度大，混合效率低，混合可控性差；主動微混合器需要外部能量誘發(fā)進行混合,包括微攪拌、壓力擾動、聲波擾動、電流體動力及磁流體動力驅(qū)動等。雖然主動微混合方式具有混合效率高、混合時間短、混合可控性高等優(yōu)點，但在眾多的基于不同混合機理的主動混合器中，仍存在如工作電壓高、對混合液體有介電性或可極化要求、工作中發(fā)熱、結(jié)構(gòu)及制作工藝復雜、不易集成化等諸多問題。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)美國專利號為US007942568B1，專利名基于聲表面波的主動微混合器(ACTIVE MICROMIXER USING SURFACE ACOUSTIC WAVE STREAMIGN),該專利公開了一種利用聲表面波的主動式微混合器，作用聲波為瑞利波，通過對位于壓電基板上的交叉指型換能器施加射頻激勵而發(fā)生，在壓電基板上傳播從而導致微流道內(nèi)流體聲流產(chǎn)生。該微混合器可以混合靜止液體或低Re數(shù)的層流流體。但仍存在以下缺點整體結(jié)構(gòu)復雜，除了聲表面波發(fā)生裝置外，仍需要注射泵驅(qū)動；體積較大，不易于集成及微小型化；制作成本較高；存在工作噪聲等。美國專利號為US20060219307A1，專利名微混合裝置和混合方法(MICROMIXER APPARATUS AND METHOD THEREFOR)，公開一種用于微流體系統(tǒng)的主動微混合器。該微混合器結(jié)合往復泵和流體器件可以完成至少兩種流體的混合。當往復泵處于前進沖程時，微混合器利用兩組脈沖流的影響進行混合。而當往復泵處于向后沖程時，微混合器利用渦流進行混合，同時兩組流體也可以通過類薄片結(jié)構(gòu)利用質(zhì)量擴散進行混合。但存在以下缺點對輸出背壓敏感；微泵無截止性；混合初期，需灌泵等調(diào)試操作；混合容量及混合模式有限；混合可控度不高等。因此，微尺度下的流體混合尚有大量問題需要解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服目前主動微混合器存在的不足，提出一種壓電驅(qū)動微混合器及其制作方法和控制方法，以提高微尺度下流體的混合效果和速率，充分發(fā)揮主動式微混合器混合高效、過程可控等優(yōu)勢，同時具有結(jié)構(gòu)和制作方法簡單、成本低、體積小、易于集成化等優(yōu)點。本發(fā)明所述的壓電驅(qū)動微混合器，包括PDMS基板、玻璃底板、單晶片壓電振子和單向閥片，其特征在于由一整體PDMS基板將微流體驅(qū)動單元(即壓電泵)和微混合單元(即混合流道)集成于一體，單晶片壓電振子及單向閥片同PDMS基板封裝構(gòu)成壓電泵，玻璃底板同PDMS基板封裝構(gòu)成混合流道；壓電振子采用不同電壓、頻率、不同波形及相位交錯式驅(qū)動電信號予以激勵，實現(xiàn)微流體在微混合流道內(nèi)高頻脈動錯 位式混合。本發(fā)明所述壓電驅(qū)動微混合器，由至少兩組以上壓電泵布置于微混合器輸入端，可實現(xiàn)至少兩種以上流體的充分混合。本發(fā)明所述混合器基板，采用PDMS材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計及制作時，混合器基板一面設(shè)有試劑進口緩沖腔，緩沖腔長度略長于壓電泵出口管長度，為PDMS模鑄時留有脫模空間。本發(fā)明所述壓電泵，可采用單腔體單壓電振子、單腔體雙壓電振子、至少兩個壓電振子形成的多腔體串并聯(lián)等結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述壓電泵，采用變剛度閥片設(shè)計及布置，輔以拋物面腔體結(jié)構(gòu)，大幅度提高壓電泵輸出壓力及流量。其特征在于入口閥剛度最低，中間閥剛度最高，出口閥剛度居中。本發(fā)明所述單向閥片，采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)，閥片形似倒“8”字，便于裝配時對中定位，同時降低腔體容積變化過程中的死角容積。本發(fā)明所述單向閥片，其變剛度設(shè)計是通過改變閥片厚度或懸臂長度來實現(xiàn)。本發(fā)明所述微混合流道，其特征尺寸為IOOiim 1mm，可采用除硅微加工工藝外的傳統(tǒng)CNC加工結(jié)合微模鑄工藝制作完成，降低制作成本。本發(fā)明所述壓電驅(qū)動微混合器制作方法，其特征在于包括以下步驟a.選用PMMA，使用精密雕刻機采用CNC技術(shù)制作微混合器基板的陽模模具。b.采用微模鑄工藝，將液態(tài)PDMS澆注于陽模模具構(gòu)造的腔體內(nèi)，真空脫氣30分鐘后恢復常壓，再加熱至100°C固化60分鐘，常溫冷卻10分鐘，脫?？傻梦⒒旌掀骰?。c.選用硬質(zhì)薄膜，采用激光切割工藝制作單向閥片。d.壓電振子電極引線處理。e.壓電振子同液體接觸面絕緣貼膜處理。f.將壓電振子、單向閥片同PDMS微混合器基板封裝，制作成壓電泵。g.將玻璃底板同PDMS微混合器基板封裝，制作成微混合流道。本發(fā)明所述壓電驅(qū)動微混合器控制方法，其特征在于包括以下操作模式a.其他控制條件一定情況下，分別改變各組壓電泵工作電壓可實現(xiàn)變?nèi)莘e量微流體混合。b.壓電泵流量一定情況下，同時改變各組壓電泵工作頻率可提供具有不同混合效果的主動混合模式。c.其他控制條件一定情況下，微混合器各組壓電泵采用相位交錯式電信號予以激勵，實現(xiàn)微流體高頻脈動錯位式混合。d.壓電驅(qū)動微混合器電信號波形可選用正弦波或矩形波。e.將壓電泵輸出流量、脈動混合頻率、驅(qū)動電信號相位差，三控制參數(shù)合理匹配，可實現(xiàn)微流體在微流道內(nèi)高效湍流式混合。本發(fā)明所述壓電驅(qū)動微混合器工作原理為壓電振子在交變電信號的作用下產(chǎn)生彎曲振動，引起腔體容積和壓力的變化，在單向閥片的配合作用下實現(xiàn)流體的單向泵送。兩種或兩種以上的混合溶液經(jīng)壓電泵泵送到混合流道內(nèi)，通過實施微混合器的多種控制模式(如改變電壓、頻率、波形及相位)，從而實現(xiàn)包括同相混合、異相混合、低頻脈動混合、高頻脈動混合、等比例混合、不等比例等多種混合模式。因采用變剛度單向閥片設(shè)計和布置，輔以拋物面腔體結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所述壓電泵具有高頻、高性能的工作特點，從而保證了本發(fā)明所述壓電驅(qū)動微混合器具有以下優(yōu)點①在具備極速混合能力的基礎(chǔ)上，混合效果和混合時間可控范圍大。本發(fā)明所述混合模式可實現(xiàn)每秒上千次的微尺度下湍流混合，混合效率高，混合時間進入納秒級。除此之外，通過調(diào)節(jié)混合頻率，可實現(xiàn)混合效果和混合時間的大范圍可控混合。②混合流道特征尺寸高度兼容。因壓電泵所具有的高頻、高性能的輸出特性，對微混合器特征尺寸要求可以更寬，在特征尺寸大于100微米的微流道內(nèi)，仍可實現(xiàn)高效湍流式混合。③微混合器主體材料選用PDMS和玻璃，制作工藝采用傳統(tǒng)CNC加工結(jié)合微模鑄工藝，結(jié)構(gòu)及制作工藝簡單，成本低，可適用于一次性使用場合。④采用高頻脈動混合模式，混合時間和混合距離短,加之PDMS基板將微流體驅(qū)動單元和微混合單元集成于一體，本發(fā)明所述壓電驅(qū)動微混合器整機體積小，易于集成化。


圖I為本發(fā)明倒“8”字型懸臂梁式復合閥結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明第一實施方式的微混合器結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明第一實施方式的微混合器工作原理4為本發(fā)明第一實施方式的微混合器立體分解5為本發(fā)明第二實施方式的微混合器結(jié)構(gòu)示意6為本發(fā)明第二實施方式的微混合器工作原理7為本發(fā)明第二實施方式的微混合器立體分解8為本發(fā)明信號波形輸入相位控制示意圖
具體實施例方式實施例I單腔體單振子壓電泵驅(qū)動下的微混合器參照圖1，懸臂梁結(jié)構(gòu)單向閥3和中間出入孔2復合于同一基板I上，構(gòu)成倒“8”字型單向閥片，兩個相同結(jié)構(gòu)閥片正反疊裝后即可實現(xiàn)控制兩個不同方向出流的單向閥功能。懸臂梁式單向閥片的變剛度設(shè)計采用改變整體閥片的厚度或閥的懸臂長度來實現(xiàn)，以提高單向閥的高頻響應(yīng)特性和出流效率。其中，入口閥剛度低于出口閥剛度。參照圖2，PDMS基板9將壓電泵6和7和微混合流道8集成于一體，其中，包括兩入口 4、5和混合出口 10，基板9同玻璃底板11封裝后形成混合流道8。參照圖3，實施例I中每組壓電泵及微混合器工作原理是壓電振子13在一個完整交變脈沖信號(正弦或矩形波信號)作用下，實現(xiàn)向上和向下一次往復彎曲振動。壓電振子13同基板17構(gòu)成腔體14，當壓電振子向上振動時，腔體14容積增大，壓力降低，當入口 12和腔體14內(nèi)的壓差增大到一定程度時，入口單向閥15被打開，此時，出口閥16關(guān)閉，壓電泵處于吸水狀態(tài)；而當壓電振子13向下彎曲振動時，腔體14內(nèi)容積減小，壓力增大，入口閥15關(guān)閉，當出口腔24和腔體14內(nèi)的壓差增大到一定程度時，出口單向閥16被打開，此時壓電泵處于排水狀態(tài)。其中，通過對兩組壓電泵輸入電信號波形的相位差進行控制，可實現(xiàn)兩種溶液在混合流道21內(nèi)進行錯相位式脈動混合，混合后溶液經(jīng)出口緩沖腔19從混合出口 18輸出。為不干涉出口閥片16正常開啟及出流順暢，出口閥片下留有空腔24，出口管23的長度要略短于試劑進口緩沖腔22的長度，以保證采用微模鑄技術(shù)制作PDMS基板17。位于PDMS基板下面的方管道21與玻璃底板20封裝后形成微混合流道。參照圖4，實施例I的微混合器立體分解圖分別從兩個方向表示了各零部件的裝配關(guān)系。PDMS基板34將泵腔、入口 26和27、出口 36、微混合流道35集于一體，入口單向閥 片29和32中懸臂梁閥剛度要略低于出口單向閥片28和33，兩組閥片正反疊裝后實現(xiàn)入口及出口單向閥的功能，壓電振子30和31同PDMS基板34裝配從而構(gòu)成完整的單腔體單振子壓電泵。將玻璃底板25同PDMS基板34制作有微混合流道35的一面進行封裝，最終形成具有完整功能的壓電驅(qū)動微混合器。實施例2雙腔體雙振子串聯(lián)壓電泵驅(qū)動下的微混合器參照圖5，PDMS基板42將兩組壓電泵39和40和微混合流道41集成于一體，其中，包括兩入口 37、38和混合出口 43，基板42同玻璃底板44封裝后形成混合流道41。其中，每組壓電泵均采用雙腔體雙振子串聯(lián)結(jié)構(gòu)。參照圖6，實施例2中每組壓電泵及微混合器工作原理是壓電振子58同PDMS基板50構(gòu)成入口腔體61，壓電振子46同PDMS基板50構(gòu)成串聯(lián)腔體47，兩腔體通過中間管59串聯(lián)在一起。單向閥片60單獨裝配于PDMS基板上構(gòu)成入口懸臂梁式單向閥，中間閥片48和出口閥片49正反疊裝后構(gòu)成中間單向閥及出口單向閥。兩壓電振子58和46采用電路串聯(lián)連接方式。工作時，當壓電振子58向PDMS基板50外側(cè)彎曲振動時,壓電振子46向PDMS基板50內(nèi)側(cè)彎曲振動，此時入口腔61腔內(nèi)壓力降低，入口閥60被打開，流體從入口45處被吸入腔體，而串聯(lián)腔體47腔內(nèi)壓力增加，中間閥48關(guān)閉，出口閥49被打開，流體經(jīng)出口腔57被泵出；當壓電振子58向PDMS基板50內(nèi)側(cè)彎曲振動時，壓電振子46向PDMS基板50外側(cè)彎曲振動，此時入口腔61腔內(nèi)壓力增加，串聯(lián)腔體47腔內(nèi)壓力降低，入口閥60關(guān)閉，出口閥49關(guān)閉，流體經(jīng)中間管59并在壓力作用下將中間閥48打開進入串聯(lián)腔體47內(nèi)。綜合上面兩種工作狀態(tài)，每組壓電泵在一個完整交變脈沖信號(正弦或矩形波信號)作用下，分別完成一次吸水和排水過程。通過對兩組壓電泵輸入電信號波形的相位差進行控制，可實現(xiàn)兩種混合溶液在混合流道54內(nèi)進行錯相位式脈動混合，混合后溶液經(jīng)出口緩沖腔52從混合出口 51輸出。設(shè)計中要保證出口管56的長度略短于試劑進口緩沖腔55的長度，以實現(xiàn)PDMS基板50的制作。位于PDMS基板50下面的方管道54與玻璃底板53封裝后形成微混合流道。參照圖7，實施例2的微混合器立體分解圖分別從兩個方向表示了各零部件的裝配關(guān)系。PDMS基板72將泵腔、入口 64和65、出口 77、微混合流道76集于一體，入口單向閥片63和74、中間單向閥片67和70、出口單向閥片66和71采用變剛度懸臂梁閥設(shè)計，A 口閥剛度最低，中間閥剛度最高，出口閥剛度居中。入口單向閥片63和74裝配時同泵體底面貼合實現(xiàn)單向閥功能，中間單向閥片67和70同出口單向閥片66和71分別正反疊裝后實現(xiàn)中間單向閥及出口單向閥的功能，壓電振子62、75、68、69同PDMS基板72裝配從而構(gòu)成完整的兩組雙腔體雙壓電振子串聯(lián)壓電泵。將玻璃底板73同PDMS基板72制作有微混合流道76的一面進行封裝，最終形成具有完整功能的壓電驅(qū)動微混合器。本實施例中壓電驅(qū)動微混合器的控制，按以下方法實施(I)其他控制條件一定情況下，分別改變各組壓電泵工作電壓可實現(xiàn)變?nèi)莘e量微流體混合。(2)壓電泵流量一定情況下，同時改變各組壓電泵工作頻率提供具有不同混合效果的主動混合模式?！?3)參照圖8，在其他控制條件一定情況下，微混合器壓電泵采用相位交錯式電信號予以激勵，可實現(xiàn)兩種混合溶液進行同相(相位角a = 0° )脈動微混合(通常為層流混合，混合效率低)、異相(相位角a = 180° )脈動微混合(可實現(xiàn)混沌對流混合，甚至湍流混合，混合效率高)、任意相位角a下錯位式脈動混合。(4)壓電驅(qū)動微混合器電信號波形可選用正弦波或矩形波。(5)將壓電泵輸出流量、脈動混合頻率、驅(qū)動電信號相位差，三控制參數(shù)合理匹配，可實現(xiàn)微流體在微流道內(nèi)高效湍流式混合。本實施例中壓電驅(qū)動微混合器制作方法，包括以下步驟(I)選用PMMA，使用精密雕刻機采用CNC技術(shù)制作微混合器基板的陽模模具。(2)采用微模鑄工藝，將液態(tài)PDMS澆注于陽模模具構(gòu)造的腔體內(nèi)，真空脫氣30分鐘后恢復常壓，再加熱至100°c固化60分鐘，常溫冷卻10分鐘，脫?？傻梦⒒旌掀骰?。(3)選用硬質(zhì)薄膜，采用激光切割工藝制作單向閥片。(4)壓電振子電極引線處理。(5)壓電振子同液體接觸面絕緣貼膜處理。(6)將壓電振子、單向閥片同PDMS微混合器基板封裝，制作成壓電泵。(7)將玻璃底板同PDMS微混合器基板封裝，制作成微混合流道。實施例中壓電驅(qū)動微混合器，根據(jù)不同混合效果和速率要求，可實現(xiàn)IOHz 1600Hz范圍內(nèi)脈動混合。具體特征在于單腔體單振子壓電泵驅(qū)動下微混合器的工作頻率(I段10Hz 400Hz ； II段1200Hz 1600Hz)、雙腔體雙振子串聯(lián)壓電泵驅(qū)動下微混合器的工作頻率(50Hz 1600Hz)。
權(quán)利要求
1.一種壓電驅(qū)動微混合器，其特征在于由一整體PDMS基板將微流體驅(qū)動單元(即壓電泵)和微混合單元(即混合流道)集成于一體，單晶片壓電振子及單向閥片同PDMS基板封裝構(gòu)成壓電泵，玻璃底板同PDMS基板封裝構(gòu)成混合流道；壓電振子采用不同電壓、頻率、不同波形及相位交錯式驅(qū)動電信號予以激勵，實現(xiàn)微流體在微混合流道內(nèi)高頻脈動錯位式混合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電驅(qū)動微混合器，其特征在于混合器基板是PDMS材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電驅(qū)動微混合器，其特征在于混合器基板有試劑進口緩沖腔，進口緩沖腔長度長于壓電泵出口管長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓電驅(qū)動微混合器，其特征在于兩組或兩組以上壓電泵平行布置于微混合器輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電驅(qū)動微混合器，其特征在于壓電泵可采用單腔體單壓電振子、單腔體雙壓電振子、至少兩個壓電振子形成的多腔體串并聯(lián)等結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電驅(qū)動微混合器，其特征在于采用懸臂梁式單向閥，閥片結(jié)構(gòu)形似倒“8”字。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電驅(qū)動微混合器，其特征在于單向閥采用變剛度布置，入口閥剛度最低，中間閥剛度最高，出口閥剛度居中。
8.一種制作權(quán)利要求I所述的壓電驅(qū)動微混合器的方法，其特征在于包括以下步驟 a.選用PMMA，使用精密雕刻機采用CNC技術(shù)制作微混合器基板的陽模模具。
b.采用微模鑄工藝，將液態(tài)PDMS澆注于陽模模具構(gòu)造的腔體內(nèi)，真空脫氣30分鐘后恢復常壓，再加熱至100°C固化60分鐘，常溫冷卻10分鐘，脫?？傻梦⒒旌掀骰?。
c.選用硬質(zhì)薄膜，采用激光切割工藝制作單向閥片。
d.壓電振子電極引線處理。
e.壓電振子同液體接觸面絕緣貼膜處理。
f.將壓電振子、單向閥片同PDMS微混合器基板封裝，制作成壓電泵。
g.將玻璃片同PDMS微混合器基板封裝，制作成微混合流道。
9.一種控制權(quán)利要求I所述的壓電驅(qū)動微混合器的方法，其特征在于包括以下操作模式 a.其他控制條件一定情況下，分別改變各組壓電泵工作電壓可實現(xiàn)變?nèi)莘e量微流體混口 o b.壓電泵流量一定情況下，同時改變各組壓電泵工作頻率可提供具有不同混合效果的主動混合模式。
c.其他控制條件一定情況下，微混合器各組壓電泵采用相位交錯式電信號予以激勵，實現(xiàn)微流體高頻脈動錯位式混合。
d.壓電驅(qū)動微混合器電信號波形可選用正弦波或矩形波。
e.將壓電泵輸出流量、脈動混合頻率、驅(qū)動電信號相位差，三控制參數(shù)合理匹配，可實現(xiàn)微流體在微流道內(nèi)高效湍流式混合。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于微混合器技術(shù)領(lǐng)域的一種壓電驅(qū)動微混合器及其制作方法和控制方法。所述微混合器，由一整體PDMS基板將微流體驅(qū)動單元(即壓電泵)和微混合單元(即混合流道)集成于一體，單晶片壓電振子及單向閥片同PDMS基板封裝構(gòu)成壓電泵，玻璃底板同PDMS基板封裝構(gòu)成混合流道；壓電振子采用不同電壓、頻率、不同波形及相位交錯式驅(qū)動電信號予以激勵，實現(xiàn)微流體在微混合流道內(nèi)高頻脈動錯位式混合。有效克服了微尺度下微流體依靠層流擴散進行混合，混合效率低，時間長等缺點，實現(xiàn)高效湍流混合。本發(fā)明優(yōu)勢在于制作方法簡單、成本低、混合效率高、時間短、體積小、易于集成，可廣泛應(yīng)用于分析化學、微化工系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測、生命科學等領(lǐng)域。
文檔編號B01F15/02GK102671572SQ20121017515
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者劉國君, 劉建芳, 李思明, 楊志剛, 王浩 申請人:吉林大學