基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種具有微小單元反應(yīng)室的基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片。新型微流體反應(yīng)芯片將聚焦聲表面波產(chǎn)生的振動擾動作用于泵入反應(yīng)芯片的混合液體，同時混合液體被泵入的氣體隔開，形成微小單元反應(yīng)室，在微小單元反應(yīng)室內(nèi)的液體比較少，并且受到聚焦聲表面波產(chǎn)生的振動擾動的集中作用，不僅能夠大幅度地提高液體的混合效率，而且通過觀察微小單元反應(yīng)室內(nèi)混合溶液的情況對其進行有效的控制。
【專利說明】
基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于微流體反應(yīng)芯片技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有惰性氣體反應(yīng)室的基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]利用壓電栗具有結(jié)構(gòu)簡單、易于構(gòu)造、性能穩(wěn)定、無電磁干擾、易于實現(xiàn)流量精確控制等優(yōu)點，在微精密機械、精密器件微制造、超精密加工等領(lǐng)域得到日益廣泛應(yīng)用。利用聚焦聲表面波(FSAW)具有能夠使能量集中在焦點處進而加快焦點處區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)速度的特點及優(yōu)點，在微流體驅(qū)動、細(xì)胞和粒子操控等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]近幾年來，微流體反應(yīng)芯片是MEMS領(lǐng)域發(fā)展起來的新型合成反應(yīng)技術(shù)，由于其可在較小體積下完成合成，試劑用量小、反應(yīng)效率高、制備效果好，受到人們的廣泛關(guān)注。目前已有很多研究團隊致力于微流體反應(yīng)技術(shù)方面的研究。
[0004]微流體反應(yīng)芯片按混合方式可分為主動式微反應(yīng)器和被動式微反應(yīng)器，其中被動式微流體反應(yīng)芯片通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計來增加流體間的接觸面積從而達到有效的混合，包括蛇形、螺旋型、蜿蜒型等，一般需要在流道中加設(shè)溝槽、彎角等二維或者三維結(jié)構(gòu)來強化混合效果，存在流道復(fù)雜、混合時間長，反應(yīng)不可控等問題;主動式微流體反應(yīng)芯片是通過各種不同形式的驅(qū)動源給予流場一種外部能量或力，來增大分子間的擴散速度從而達到有效混合。一部分國內(nèi)外科研人員已經(jīng)開始研究主動式微反應(yīng)芯片，在專利號為2014101636014的《一種壓電式自動反應(yīng)芯片》的發(fā)明專利中，吉林大學(xué)劉國君等人首次提出了一種雙主動擾動的微流體反應(yīng)芯片，將脈動輸入與振動擾動分別作用于混合和反應(yīng)過程，解決了之前的壓電式微流體反應(yīng)器只能實現(xiàn)脈動混合。在一定程度上提高了溶液合成速率，但由于其微混合流道和振動混合池內(nèi)流體分子較多導(dǎo)致合成效率低，其他主動形式的微流體反應(yīng)器也存在著類似的缺陷。本發(fā)明提出了一種具有惰性氣體反應(yīng)室的基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片，將惰性氣體脈動輸入和聚焦聲表面波產(chǎn)生的振動擾動分別作用于混合和反應(yīng)過程，使得微流道內(nèi)流體被惰性氣體隔開，在微小惰性氣體反應(yīng)室內(nèi)受到聚焦聲表面波產(chǎn)生的振動擾動的集中作用，打破了傳統(tǒng)微流體反應(yīng)芯片在流道內(nèi)直接完成化學(xué)反應(yīng)的思維，是一種高效率的新型微流體反應(yīng)芯片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種具有惰性氣體反應(yīng)室的基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片，以解決現(xiàn)有的微流體反應(yīng)器由于其微混合流道和振動混合池內(nèi)溶液分子較多導(dǎo)致合成效率低、反應(yīng)不完全的問題。
[0006]本發(fā)明提出的一種具有惰性氣體反應(yīng)室的基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片包括有壓電基底、叉指換能器和微混合反應(yīng)基片。微混合反應(yīng)基片內(nèi)集成有壓電微栗、芯片入口、芯片出口和微混合流道，壓電微栗的內(nèi)腔與芯片入口連通，并且壓電微栗的內(nèi)腔通過微混合流道與芯片出口連通。所述的聚焦叉指換能器的聚焦中心處于微混合流道中，兩種混合液體在混合流道中有惰性氣體隔開形成微小混合單元。
[0007]微混合反應(yīng)基片為]3DMS材料制成的基片。利用精雕機雕刻微混合反應(yīng)基片的豐旲具，利用模具灌注出PDMS基片，將PDMS基片鍵合在壓電基底的表面。
[0008]壓電基片為人造石英或鈮酸鋰或鉭酸鋰或鍺酸鉍單晶材料。
[0009]叉指型換能器是利用光刻技術(shù)在潔凈的壓電基底表面繪制一層帶有叉指換能器圖案的光刻膠，采用濺射+剝離的工藝在壓電基底表面制作。
[0010]微混合流道的結(jié)構(gòu)形式為星形。
[0011]叉指型換能器產(chǎn)生的聚焦聲表面波集中作用在星形微混合流道中心或者微混合流道中間回環(huán)式結(jié)構(gòu)中心處。
[0012]本發(fā)明的工作原理:
[0013]本發(fā)明利用三個壓電微栗作為驅(qū)動源，其中壓電微栗A為微混合器脈動注入A溶液，壓電微栗B為微混合器脈動注入B溶液，壓電微栗C為微混合器脈動注入惰性氣體。微流體混合器由三個壓電微栗按A-B-C-A-B-C順序循環(huán)工作。這樣，在微混合流道內(nèi)就會形成:惰性氣體-AB混合溶液-惰性氣體的脈沖式分層。AB混合溶液被不參加反應(yīng)的惰性氣體隔斷，形成一個個微小反應(yīng)室，從而使溶液在惰性氣體室內(nèi)可以實現(xiàn)高效率混合。
[0014]叉指型換能器是根據(jù)逆壓電效應(yīng)，將信號發(fā)生器的輸出信號的+/-兩極分別與叉指換能器的兩極相連，然后輸出連續(xù)的正弦信號，環(huán)形的叉指換能器產(chǎn)生聚焦聲表面波作用于中心焦點區(qū)域，對中心焦點區(qū)域的微小單元反應(yīng)室內(nèi)混合流體產(chǎn)生集中機械振動，使微小的混合流體在集中機械振動條件下高效率混合。
[0015]具體的作用方式如下所述:
[0016]方式一:如圖3所示，類型一微混合流道為三相星型，聚焦聲表面波集中作用處為微流道混合交匯中心。其對應(yīng)的叉指型換能器是由兩個1/4圓形對稱分布，調(diào)節(jié)控制器使微混合流道內(nèi)惰性氣體室每隔一定的時間進行下一個動作。這樣氣體室可以在混合中心處停留一定的時間進行化學(xué)反應(yīng)。
[0017]方式二:如圖4所示，類型二微混合流道中間為回環(huán)式結(jié)構(gòu)，聚焦聲表面波集中作用處為回環(huán)式結(jié)構(gòu)中心。其對應(yīng)叉指型換能器是由兩個扇形對稱分布，調(diào)節(jié)控制器使微混合流道內(nèi)惰性氣體室每隔一定的時間進行下一個動作。這樣氣體室可以在回環(huán)式結(jié)構(gòu)中心處停留一定的時間進行化學(xué)反應(yīng)。
[0018]本發(fā)明的有益效果:
[0019]本發(fā)明提出的一種具有惰性氣體反應(yīng)室的基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片，將惰性氣體脈動輸入和聚焦聲表面波產(chǎn)生的振動擾動分別作用于混合和反應(yīng)過程，使得微流道內(nèi)流體被惰性氣體隔開，在微小惰性氣體反應(yīng)室內(nèi)的流體分子量比較少并且受到聚焦聲表面波產(chǎn)生的振動擾動的集中作用，不僅會大幅度提高混合效率，而且通過觀察氣體室內(nèi)混合溶液情況更加容易控制反應(yīng)進行。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明所述的類型一微混合流道的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明所述的類型一微混合流道的分解結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明所述的類型二微混合流道的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4為本發(fā)明所述的類型二微混合流道的分解結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖5為本發(fā)明所述的微混合流道的截面剖視圖。
[0025]1、壓電基底2、叉指換能器3、微流道系統(tǒng)4、壓電微栗
[0026]5、流體流入通道6、流道交匯處7、流體出口 8、流體進口
[0027]9、微混合流道10、壓電振子11、閥片12、閥體
[0028]13、回環(huán)流道
【具體實施方式】
[0029]請參閱圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示:
[0030]本發(fā)明提供的一種具有惰性氣體反應(yīng)室的基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片包括有壓電基底1、叉指換能器2和微流道系統(tǒng)3。微流道系統(tǒng)3內(nèi)集成有壓電微栗
4、流體出口 7、流體進口 8和微混合流道9，壓電微栗4的內(nèi)腔與流體進口 8連通，并且壓電微栗4的內(nèi)腔通過微混合流道9與流體出口 8連通。
[0031 ] 壓電基片I為人造石英或鈮酸鋰或鉭酸鋰或鍺酸鉍單晶材料。
[0032]叉指型換能器2是利用光刻技術(shù)在潔凈的壓電基底表面繪制一層帶有叉指換能器圖案的光刻膠，采用濺射+剝離的工藝在壓電基底表面制作。
[0033]微流道系統(tǒng)3是PDMS材料制成。利用精雕機雕刻微流道系統(tǒng)的模具，利用模具灌注出PDMS基片，將PDMS基片鍵合在壓電基底I的表面。
[0034]叉指型換能器2產(chǎn)生的輻射力與流道垂直并且集中作用在其焦點中心
[0035]本發(fā)明的工作原理:
[0036]本發(fā)明利用壓電微栗6(三個及以上)作為驅(qū)動源，其中壓電微栗A為微混合器脈動注入A溶液，壓電微栗B為微混合器脈動注入B溶液，壓電微栗C為微混合器脈動注入氣體。參考圖5所示，微流體混合器由三個壓電微栗4按A-B-C-A-B-C順序循環(huán)工作。這樣，在微混合流道9內(nèi)就會形成:氣體-A溶液-B溶液-氣體的分層。A溶液和B溶液被不參加反應(yīng)的氣體隔斷，形成一個個微小的反應(yīng)單元，從而使溶液在微小單元反應(yīng)室內(nèi)實現(xiàn)高效率混合，并且可以通過觀察混合溶液情況來控制反應(yīng)進行。
[0037]叉指型換能器2是根據(jù)逆壓電效應(yīng)，將信號發(fā)生器的輸出信號的+/_兩極分別與叉指換能器2的兩極相連，然后輸出連續(xù)的正弦信號，環(huán)形的叉指換能器產(chǎn)生聚焦聲表面波作用于中心焦點區(qū)域，對中心焦點區(qū)域的微小單元反應(yīng)室產(chǎn)生集中機械振動，使其在高能量的機械振動條件下高效率混合。
[0038]具體的作用方式如下所述:
[0039]方式一:如圖1所示，類型一微混合流道9為三相星型，聚焦聲表面波集中作用處為微流道系統(tǒng)的流道交匯處6。其對應(yīng)的叉指型換能器2是由兩個1/4圓形對稱分布，調(diào)節(jié)控制器使微混合流道9內(nèi)微小單元反應(yīng)室每隔一定的時間進行下一個動作。這樣微小單元反應(yīng)室可以在微流道系統(tǒng)的流道交匯處6停留一定的時間進行化學(xué)反應(yīng)。
[0040]方式二:如圖3所示，類型二微混合流道9中間部分為回環(huán)式結(jié)構(gòu)，聚焦聲表面波集中作用處為回環(huán)流道13。其對應(yīng)叉指型換能器2是由兩個扇形對稱分布，調(diào)節(jié)控制器使微混合流道9內(nèi)微小單元反應(yīng)室每隔一定的時間進行下一個動作。這樣微小單元反應(yīng)室可以在回環(huán)流道13停留一定的時間進行化學(xué)反應(yīng)。
【主權(quán)項】
1.一種基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片，包括有壓電基底、聚焦叉指換能器、微混合反應(yīng)基片，微混合反應(yīng)基片內(nèi)集成有壓電微栗、芯片入口、芯片出口和微混合流道，壓電微栗的內(nèi)腔與芯片入口連通，并且壓電微栗的內(nèi)腔通過微混合流道與芯片出口連通，其特征在于:利用三個壓電微栗作為驅(qū)動源，其中壓電微栗A為微流體反應(yīng)芯片脈動注入A溶液，壓電微栗B為微流體反應(yīng)芯片脈動注入B溶液，壓電微栗C為微流體反應(yīng)芯片脈動注入惰性氣體，微流體反應(yīng)芯片由三個壓電微栗按A-B-C-A-B-C順序循環(huán)工作，聚焦叉指換能器的聚焦中心處于微混合流道中，兩種混合液體在微混合流道中由惰性氣體隔開形成微小混合單元。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片，其特征在于:所述的聚焦叉指換能器的聚焦中心處于三條流入流道的交匯處。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片，其特征在于:所述的聚焦叉指換能器的聚焦中心處于微混合流道回環(huán)式結(jié)構(gòu)的中心。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片，其特征在于:所述的三個壓電微栗各自的輸入信號為不連續(xù)的脈沖信號。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聚焦聲表面波的壓電驅(qū)動微流體反應(yīng)芯片，其特征在于:所述的三個壓電微栗栗入微混合流道的流體的順序是連續(xù)的，并且兩種需要進行混合的流體相鄰，由惰性氣體將其隔開，使其在微混合流道中形成微小的混合單元反應(yīng)室。
【文檔編號】B01J19/00GK205462171SQ201620079707
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月27日
【發(fā)明人】劉國君, 趙心, 張炎炎, 李新波, 劉建芳, 楊志剛, 吳越, 洪雯, 裴曉寒, 姜峰, 唐春秀, 王騰飛, 梁實海, 楊旭豪
【申請人】吉林大學(xué)