本發(fā)明涉及微全分析系統(tǒng)中的微流體混合領(lǐng)域，尤其涉及一種被動(dòng)式微混合器的結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

微流體系統(tǒng)是在微觀尺度下控制、操作和檢測復(fù)雜流體流動(dòng)特性的系統(tǒng)。這樣既可以減少試劑的使用量又能極大的縮短時(shí)間并提升效果。微流體系統(tǒng)主要包含微混合器、微反應(yīng)器、微流道，其中由于微混合器能在微尺度下使流體充分混合，其已成為微流體系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。目前微混合器按照有、無額外動(dòng)力源可分為主動(dòng)式混合器和被動(dòng)式混合器兩類。主動(dòng)式混合器按作用原理區(qū)分，可分為電動(dòng)式、磁致式、射流式、機(jī)械式等，但是主動(dòng)式混合器加工困難，成本較高。而被動(dòng)式混合器不需要額外動(dòng)力源，沒有運(yùn)動(dòng)元件，所以操作簡單，容易集成到微流控芯片中。被動(dòng)式混合器主要有彎曲通道式、分合式、回流循環(huán)式等。

現(xiàn)有被動(dòng)式微混合器實(shí)現(xiàn)混合的主要方式是：在流道內(nèi)設(shè)置擋板或者阻塊，擾動(dòng)流體產(chǎn)生混合，流動(dòng)損失大；根據(jù)SAR概念設(shè)計(jì)的微混合器，通過產(chǎn)生混沌流來混合流體，混合效果好，但是存在著混合流道長，混合時(shí)間久，流動(dòng)損失大等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有微混合器存在混合流道長，混合時(shí)間久，流動(dòng)損失大等缺點(diǎn)，提出一種D型分離重組式微混合器，縮短微混合器的混合距離、減少流動(dòng)損失、大大提高微混合器的混合效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明由上蓋板及與上蓋板鍵合在一起的位于上蓋板正下方的混合板組成，混合板上設(shè)有入口通道、主通道和出口通道，入口通道連接主通道進(jìn)口端，主通道和出口通道的中心軸重合，在主通道出口端和出口通道進(jìn)口端之間首尾相接若干個(gè)混合單元，每個(gè)混合單元由一個(gè)圓弧型的彎管和一個(gè)矩形的直流管構(gòu)成，彎管的圓弧開口正對著直流管且與直流管相連，每個(gè)混合單元中的彎管和直流管布置在主通道中心軸的前后兩側(cè)，位于主通道中心軸同一側(cè)的所有彎管和直流管周期性地交替布置，形成一個(gè)D型的混合單元通道。

進(jìn)一步地，每個(gè)混合單元中的直流管出口端與相鄰的彎管和直流管進(jìn)口端相接相通，每一個(gè)彎管出口段是一段漸縮管，漸縮管出口端連接直流管出口端的管壁。

進(jìn)一步地，在每一個(gè)彎管進(jìn)口端處的內(nèi)圓弧壁面上設(shè)有向外突出的圓弧狀的分流壁面。

進(jìn)一步地，彎管的內(nèi)圓弧壁面和外圓弧壁面是具有相同圓心、不同半徑的兩段圓弧面，圓心在直流管的外壁面上。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后體現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明是利用彎管和直流管交叉式結(jié)構(gòu)對混合液的流動(dòng)進(jìn)行分離與重組，使流體在混合流道中均產(chǎn)生二次流，并在兩種管道結(jié)合處產(chǎn)生劇烈的碰撞，形成多向的漩渦。混合流體進(jìn)入混合通道后，分流壁面破壞了流體的邊界層，使流體產(chǎn)生徑向分速度，分別進(jìn)入彎管和直流管內(nèi)流動(dòng)；一方面，受離心力作用，流體在混合流道內(nèi)產(chǎn)生二次流，形成漩渦區(qū)，提高混沌對流強(qiáng)度；另一方面，由于彎管出口處的漸縮管的截面不斷縮小，混合流體在漸縮管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，增大彎管內(nèi)混合流體的慣性力，流速不斷加快，從而在漸縮管出口處產(chǎn)生一定強(qiáng)度射流，并與直流道出口處的流體發(fā)生碰撞，產(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)，增加了兩種流體間的接觸面積，有效提高混沌對流強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)完全混合的目的，并且能縮短微混合器的混合距離，減少流動(dòng)損失。與其他單純利用二次流原理促進(jìn)混合的微混合器相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的特殊流道結(jié)構(gòu)，不但能產(chǎn)生較強(qiáng)的二次流，還能在流道出口處產(chǎn)生一定強(qiáng)度的射流，從而提高整個(gè)流道內(nèi)流體的混沌對流強(qiáng)度，達(dá)到完全混合的目的。同時(shí)該微混合器中的彎管、直流管和漸縮管組合成的微通道中存在突擴(kuò)結(jié)構(gòu)，混合流體經(jīng)過突擴(kuò)結(jié)構(gòu)之后會(huì)形成擴(kuò)展渦系，有利于提高混合效率，與現(xiàn)有單一的彎管微混合器（如對數(shù)螺旋線微混合器）以及常見的T型微混合器相比，本發(fā)明微混合器綜合性能更好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種D型非對稱分離重組式微混合器的主體結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖2為圖1的俯視圖；

圖3為圖1中沿A-A方向的混合板的剖視圖；

圖4為圖3中混合板9上單個(gè)混合單元的結(jié)構(gòu)放大圖；

圖5為本發(fā)明與現(xiàn)有兩種微混合器的混合性能對比圖；

圖中：1.第一入口通道；2.第二入口通道；3.主通道；4.彎管；5.漸縮管；6.直管；7.分流壁面；8.出口通道；9.混合板；10.第三入口通道；11.第四入口通道；12.彎管內(nèi)壁；13彎管外壁；14直管內(nèi)壁；15直管外壁；16彎管圓心；17.第一進(jìn)口孔；18.第二進(jìn)口孔；19.第三進(jìn)口孔；20.第四進(jìn)口孔；21.上蓋板；22.出口孔。

具體實(shí)施方式

如圖1~2所示，本發(fā)明由上蓋板21以及與上蓋板21鍵合在一起的位于上蓋板21正下方的混合板9組成。在上蓋板21上開有進(jìn)口孔和出口孔，用于流體的進(jìn)樣和輸出。本發(fā)明開有四個(gè)進(jìn)口孔和一個(gè)出口孔22，四個(gè)進(jìn)口孔分別是第一進(jìn)口孔17、第二進(jìn)口孔18、第三進(jìn)口孔19和第四進(jìn)口孔20。上蓋板21上的四個(gè)進(jìn)口孔和一個(gè)出口孔22均是垂直的通孔，直徑均為2-4mm，高度均為H1，400μm≤H1≤600μm，等于上蓋板21的上下厚度，并且均直接在pyrex7740玻璃上定位打孔。混合板9由聚二甲基硅氧烷有機(jī)硅（PDMS）加工而成，其具體工藝流程為：首先，在PDMS上熱生長SiO₂作為掩膜，掩膜厚度為2μm左右；然后在SiO₂掩膜上涂抹較厚光刻膠保護(hù)，采用光刻工藝并刻蝕SiO₂掩膜，從而在SiO₂上刻蝕出與掩膜版完全相同的微混合器平面結(jié)構(gòu)；接著，采用Alcatel干法刻蝕工藝正面刻蝕，刻蝕深度H2，100μm≤ H2 ≤200μm，該深度H2等于混合板9的上下厚度，最后，干法去膠，去氧化層，清洗干凈后與上蓋板21對準(zhǔn)并進(jìn)行靜電鍵合。

如圖1和圖3所示，在混合板9上設(shè)有流體的入口通道和出口通道，入口通道有四個(gè)，分別是第一入口通道1、第二入口通道2、第三入口通道10和第四入口通道11，四個(gè)入口通道的位置分別一一對應(yīng)于上蓋板21上開有的四個(gè)進(jìn)口孔的正下方，并且與對應(yīng)的進(jìn)口孔相連通。一個(gè)出口通道8的位置位于上蓋板21上開有的出口孔22的正下方，與出口孔22相連通。四個(gè)入口通道結(jié)構(gòu)相同，均連通一個(gè)主通道3的左端進(jìn)口端，主通道3在混合板9的正中間左右布置，四個(gè)入口通道相對于主通道3兩兩前后對稱布置，并且與主通道3相垂直。第一入口通道1的對角處是第四入口通道11，第二入口通道2的對角處是第三入口通道10。四個(gè)入口通道的通道長度相同，均為L1，200μm≤ L1≤400μm；四個(gè)入口通道的通道寬度也均相等，為主通道3的通道寬度的二分之一。主通道3的通道寬度為W1，100μm≤ W1 ≤200μm。出口通道8的通道寬度為W2，W2大于四個(gè)入口通道的通道寬度并且小于主通道3的通道寬度。

混合過程中，兩種不同流體從入口通道注入，其中，第一入口通道1和第四入口通道11注入的是同一種液體，第二入口通道2和第三10入口通道注入的是另一種液體，兩種不同液體以相同速度注入微混合器，以保證這兩種不同的流體等量注入微混合器。

出口通道8布置在混合板9的正中間右端出口端，主通道3布置在混合板9的正中間左端進(jìn)口端，主通道3和出口通道8中心軸重合，該中心線也是混合板9的中心軸。在主通道3的出口端和出口通道8的進(jìn)口端之間首尾相接地布置若干個(gè)交叉混合通道，混合通道的個(gè)數(shù)n≥2。每個(gè)混合通道即是一個(gè)混合單元，每個(gè)混合單元由一個(gè)彎管4和直流管6構(gòu)成。主通道3的出口端與第一個(gè)彎管4和第一個(gè)直流管6的進(jìn)口端相接相通，出口通道8的進(jìn)口端與最后一個(gè)彎管4和最后一個(gè)直流管6的尾端出口端相接相通。每個(gè)混合單元中的彎管4和直流管6布置在主通道3中心軸的前后兩側(cè)，相鄰兩個(gè)混合單元中的彎管4布置在主通道3中心軸的前后兩側(cè)，相鄰兩個(gè)混合單元中的直流管6也布置在主通道3中心軸的前后兩側(cè)，這樣，在主通道3中心軸的同一側(cè)的所有彎管4和直流管6周期性地交替布置。

直流管6是矩形的直管，彎管4是圓弧型的彎管，圓弧開口正對著直流管6并且與直流管6相連，如此，每個(gè)混合單元中的彎管4和直流管6組合形成一個(gè)D型的混合單元通道，每個(gè)D型的混合單元通道中的直流管6的出口端與右側(cè)相鄰的D型混合通道中的彎管4和直流管6的進(jìn)口端同時(shí)相連接且相連通?；旌弦航?jīng)左側(cè)的直流管6的出口端后即被分流，分別流入右側(cè)相鄰的D型混合通道中的彎管4和直流管6中。

如圖3和圖4所示，第一個(gè)彎管4的進(jìn)口端與入口通道的最短距離為L2，300μm≤ L2≤600μm。出口通道8的左右長度為L5，200μm≤ L5≤400μm。直流管6的管道寬度為L4，80μm≤ L4<120μm。直流管6的長度為L3，900μm≤ L3<1000μm。

彎管4的內(nèi)圓弧壁面是內(nèi)壁面12，外圓弧壁面是外壁面13。內(nèi)壁面12和外壁面13是具有相同圓心、不同半徑的兩段圓弧面。直流管6在靠近彎管4圓弧開口側(cè)壁是內(nèi)壁面14，內(nèi)壁面14對面的是外壁面15。每一個(gè)彎管4的出口段部是一段漸縮管5，漸縮管5的出口端連接直流管6出口端的管壁，與直流管6的內(nèi)壁面14相連接。漸縮管5的管道向直流管6的內(nèi)壁面14延伸并逐漸變小。彎管4的外壁面13與內(nèi)壁面12的圓心16在直流管6的外壁面15上。彎管4的外壁面13的半徑為R1，R1=500μm，管4的內(nèi)壁面12的半徑為R2，R2=350μm。

在每一個(gè)彎管4進(jìn)口端處的內(nèi)壁面12上設(shè)有向外突出的分流壁面7，分流壁面7為圓弧狀，使得混合流體能夠分布均勻地流入彎管4和直流管6。

如圖1-4所示，本申請的混合過程如下，將液體A經(jīng)上蓋板21上的第一進(jìn)口孔17和第四進(jìn)口孔20進(jìn)入混合板9的第一入口通道1和第四入口通道11，將液體B經(jīng)上蓋板21上的第二進(jìn)口孔18和第三進(jìn)口孔19進(jìn)入混合板9的第二入口通道2和第三入口通道10，兩種液體流經(jīng)主通道3時(shí)，完成初步混合；而后，混合液通過分流壁面7后進(jìn)入周期性彎管4和直流管6的交叉混合區(qū)域，由于分流壁面7的分流作用，使得混合流體的邊界層被破壞的同時(shí)均勻地流入混合流道內(nèi)，能有效地增強(qiáng)了混合流體之間的傳質(zhì)效果；混合流體進(jìn)入混合流道后形成二次流，增加接觸面積并提高混合效率。由于漸縮管5的流道不斷縮小，使得混合流體流速不斷增大，當(dāng)混合流體從漸縮管5流出時(shí)，產(chǎn)生一定強(qiáng)度的射流，并與直流管6中的流體發(fā)生劇烈撞擊，再一次增加了混合的接觸面積和擾流的強(qiáng)度，這將有利于誘發(fā)產(chǎn)生混沌對流，提高混合效率。從主通道3流出的混合液最后流入出口通道8，并從出口孔19流出微混合器，完成混合過程。

如圖5，分別用C1、C2、C3曲線表示本申請所述D型非對稱分離重組式微混合器、菱形非對稱分離重組微混合器以及帶扇形空腔式分離重組微混合器在不同雷諾數(shù)下的混合效率。本申請中，當(dāng)混合流體進(jìn)入混合單元時(shí)由于混合流體受到不同離心力作用，會(huì)形成迪恩渦（Dean）提升對流強(qiáng)度，又因?yàn)闈u縮管5的流管不斷縮小，使得混合流體的流速不斷增大，并在漸縮管5的出口處產(chǎn)生射流與直流管6中的混合流體發(fā)生劇烈的碰撞，產(chǎn)生了劇烈的擾動(dòng)，增大了混合流體的接觸面積，大大提升混合效率。從圖5可以看出，在相同雷諾數(shù)下，本申請?jiān)O(shè)計(jì)的微混合器的混合效率明顯優(yōu)于另外兩個(gè)微混合器。本申請微混合器使得混合效率不會(huì)出現(xiàn)隨Re增大而下降的情況，同時(shí)當(dāng)雷諾數(shù)超過40時(shí)，本申請微混合器的混合效率已經(jīng)超過了90%，達(dá)到完全混合狀態(tài)。