本實(shí)用新型涉及一種隔板式電滲微混合器。該混合器的混合方式為交流驅(qū)動(dòng)主動(dòng)式。

背景技術(shù)：

隨著時(shí)代發(fā)展，微流控技術(shù)日趨成熟，微混合器作為微流控系統(tǒng)的一個(gè)分支，廣泛地運(yùn)用在了化學(xué)分析、醫(yī)學(xué)臨床、生物環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的試劑混合中。有許多生化反應(yīng)是建立在不同種反應(yīng)物充分混合的基礎(chǔ)上的，而對(duì)于微混合器內(nèi)的流體，雷諾數(shù)較低，忽略了慣性效應(yīng)的流體流動(dòng)緩慢，這種情況下試劑間的混合基本依靠分子間的擴(kuò)散，難以實(shí)現(xiàn)試劑間的完全混合。

國(guó)內(nèi)外許多研究者提出了許多不同微尺度下的混合器結(jié)構(gòu)，這些微混合器根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同可以分為主動(dòng)式微混合器和被動(dòng)式微混合器。主動(dòng)式微混合器有電磁驅(qū)動(dòng)型、熱驅(qū)動(dòng)型、超聲波驅(qū)動(dòng)型、電驅(qū)動(dòng)型、機(jī)械擾動(dòng)型等類型，其特點(diǎn)是流體可控性強(qiáng)，試劑混合速度快、混合效率高、混合效果好，但是需要外部的能量驅(qū)動(dòng)，部件結(jié)構(gòu)較大，很難運(yùn)用到一些條件苛刻的試劑分析中；被動(dòng)式微混合器主要是通過(guò)改變微通道的結(jié)構(gòu)，增大試劑間的擾動(dòng)從而增加混合效率，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需外部驅(qū)動(dòng)輸入，適用于大部分環(huán)境條件，但流體的控制性較差，比較依賴微管道的結(jié)構(gòu)。

本文研究了一種新型的主動(dòng)式電滲流微混合器，使流體單元發(fā)生拉伸和折疊從而增強(qiáng)了流體的混合效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的主動(dòng)式微流體混合器，用于進(jìn)一步縮短混合時(shí)間，提升混合的效率。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：一種隔板式電滲微混合器，包括進(jìn)口管、出口管、主混合管道，其中主混合管道包含兩對(duì)電極和對(duì)稱分布的第一隔板、第二隔板，該隔板式電滲微混合器的特征在于：兩種待混合流體并列由進(jìn)口管進(jìn)入混合管道，在兩對(duì)電極的作用下產(chǎn)生電滲效應(yīng)并經(jīng)過(guò)第一隔板、第二隔板擾動(dòng)后從出口管中流出；主混合管道為環(huán)形管狀結(jié)構(gòu)，在管道外環(huán)對(duì)稱分布四個(gè)電極，分別為第一電極、第二電極、第三電極、第四電極，第一電極與第三電極為一對(duì)，第二電極與第四電極為一對(duì)，兩對(duì)電極分別施加交流電場(chǎng)；所述的進(jìn)口管、出口管和主混合管道的管徑為10微米。

本實(shí)用新型的收益在于：流體在混合管道內(nèi)由于交流電場(chǎng)而產(chǎn)生電滲效應(yīng)同時(shí)發(fā)生電滲運(yùn)動(dòng)，混合過(guò)程中在電極附近會(huì)生成由電滲流引起的旋轉(zhuǎn)渦流，這些渦流擾亂了混合器內(nèi)的主流，增強(qiáng)了流體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，使得流體混合更為充分；同時(shí)，由于微管道內(nèi)絕緣擋板的作用，對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生干擾，渦流和隔板作用下共同擾亂了混合器內(nèi)的主流，極大程度上加強(qiáng)了混合器內(nèi)的兩種流體的非均勻性，使對(duì)流作用更加強(qiáng)烈，流體單元也產(chǎn)生折疊和拉伸，從而達(dá)到增強(qiáng)混合器的混合效果。

本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為單層結(jié)構(gòu)，通過(guò)一次光刻就可以制造模具，和傳統(tǒng)的多層結(jié)構(gòu)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于大規(guī)模生產(chǎn)配置組裝、成本較低的特點(diǎn)，并且本實(shí)用新型的優(yōu)勢(shì)在于，相比于其他微流體混合器具有更優(yōu)化的單層結(jié)構(gòu)，能夠使流體之間完成較快、效率更高的混合，所適用的雷諾數(shù)范圍廣，能滿足大部分實(shí)驗(yàn)的需求。

附圖說(shuō)明

圖1為隔板式電滲微混合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中包括進(jìn)口管1、第一隔板2、出口管3、第二隔板4，第一電極5、第二電極6、第三電極7、第四電極8，主混合管道9，通道入口AB，混合器結(jié)構(gòu)出口CD；在管道外環(huán)對(duì)稱分布四個(gè)電極，分別為第一電極5、第二電極6、第三電極7、第四電極8，其中，第一電極5和第三電極7的電勢(shì)相同，第二電極6和第四電極8的電勢(shì)相同。

圖2為施加交流電場(chǎng)前、后微混合器內(nèi)流體流線圖；其中，圖2a是未施加交流電場(chǎng)時(shí)，隔板式電滲微混合器內(nèi)的流體流線圖；圖2b是施加交流電場(chǎng)后，隔板式電滲微混合器內(nèi)的流體流線圖。

圖 3為隔板式電滲微混合器內(nèi)流體濃度圖。圖3a為未施加交流電場(chǎng)時(shí)，隔板式電滲微混合器內(nèi)的流體濃度分布圖；圖3b是施加交流電場(chǎng)后，隔板式電滲微混合器內(nèi)的流體濃度分布圖。

圖 4是混合效率指標(biāo)隨時(shí)間的變化曲線圖。

具體實(shí)施方式

一種微流體混合器，采用PDMS為材料，經(jīng)過(guò)光刻、顯影等工藝步驟制得SU8模具；然后將與固化劑混合過(guò)的PDMS材料涂于模具上，經(jīng)過(guò)加熱固化后脫模制得PDMS陰模；再將與固化劑混合過(guò)的PDMS材料涂于PC片上，再加熱固化后脫模制得PDMS平板；PDMS陰模與平板鍵合所得微結(jié)構(gòu)即為所述微流體混合器結(jié)構(gòu)。

未施加交流電場(chǎng)的流體流線如圖2a，流場(chǎng)內(nèi)的流體流動(dòng)主要由入口驅(qū)動(dòng)，可以看出通道內(nèi)流體分層運(yùn)動(dòng)，兩種流體的流線互不干擾，但在經(jīng)過(guò)絕緣隔板時(shí)流線變得密集，這是因?yàn)楦舭迤仁沽黧w由狹小的通道流過(guò)，類似于收縮—擴(kuò)張管道，在狹小的通道中流體流速增加。而在施加交流電場(chǎng)后，管道內(nèi)的流線發(fā)生了明顯的變化，如圖2b，由于電場(chǎng)強(qiáng)度在流場(chǎng)內(nèi)并不一致，故微管道壁面的電滲流速度不同，進(jìn)而使得通道內(nèi)待混合的兩種流體發(fā)生對(duì)流運(yùn)動(dòng)。

如圖3a，在未施加交流電場(chǎng)前，濃度分別為1和0，并且兩種流體之間有著明顯的分界線。絕緣隔板的作用下，迫使原本充斥在環(huán)形管道的流體從隔板和管道壁之間的狹小通道流過(guò)，使得靠近內(nèi)管壁的流體流速加快。當(dāng)施加交流電場(chǎng)后，隨著電場(chǎng)逐漸變化，在混合器通道內(nèi)會(huì)形成一定的電勢(shì)差，使流場(chǎng)壁面產(chǎn)生電滲速度并驅(qū)動(dòng)通道內(nèi)的流體發(fā)生電滲運(yùn)動(dòng)，即非均勻變化的電場(chǎng)強(qiáng)度帶來(lái)了非均勻的壁面電滲流速度，擾亂了混合器內(nèi)的流場(chǎng)，進(jìn)而驅(qū)使待混合的流體發(fā)生對(duì)流運(yùn)動(dòng)，如圖3b。可以看出在兩對(duì)電極附近的擾動(dòng)尤其劇烈，同時(shí)利用隔板的收縮—擴(kuò)張效應(yīng)，加強(qiáng)了流體間的對(duì)流效應(yīng)，使混合器內(nèi)的流體單元產(chǎn)生相互拉伸和折疊，促進(jìn)了待混合流體向完全混合進(jìn)行，進(jìn)一步提高混合效率。

以隔板為界，隔板左側(cè)的流體混合已經(jīng)初步進(jìn)行，但待混合的兩種試劑仍具有一定的分界，流體濃度以1和0為主；在隔板右側(cè)，流體在經(jīng)過(guò)狹小通道后流速加快，在交流電場(chǎng)的作用下流體發(fā)生進(jìn)一步混合，混合流體濃度介于0與1之間，大部分混合濃度在0.5左右，達(dá)到了良好的混合效果。

圖4是混合效率隨混合時(shí)間變化的曲線，該曲線表明了混合效率指標(biāo)隨著混合時(shí)間的增加而呈波浪式下降，指標(biāo)的波動(dòng)幅度逐漸減小?；旌现笜?biāo)的每一個(gè)波動(dòng)都代表了流體混合濃度的快速變化，此時(shí)流體界面扭曲變形，形成了對(duì)流體介質(zhì)的強(qiáng)烈拉伸和折疊，在交流電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)，使混合效率指標(biāo)逐漸趨于0值，完成流體的完全混合，提升了微混合器的混合效果。