[发明专利]一种轴对称对数螺旋线的十字微混合器

说明书

技术领域

本发明涉及生物芯片和微全分析系统中液体微混合的技术领域，具体是基于分离重组和附壁效应的被动式微混合器，实现微尺度下不同液体的快速混合。

背景技术

微流体系统是微电子机械系统的重要组成部分，微流控系统是微流体系统的一个重要分支，可使得传统生化监测过程的分离、加样、混合、反应、监测等功能在芯片上得以实现。微混合器作为微流控系统的重要组成部分，凭借其高效快速的混合性能，被广泛应用于生物分析、化学合成、药物筛选和临床测试等领域。对于两股或多股流体的化学反应，必须解决它们之间的有效混合问题。由于微流控芯片流道的尺寸在微米量级，流动通常处于层流状态，流体间难以充分混合，因此实现微尺度下流体的快速混合非常重要。

按照混合过程的原理，微混合器一般分为弱化层流型和强化层流型两种。而弱化层流型又分为被动式和主动式微混合两种。主动式是通过外部对混合器施加影响促进混合，而被动式是在流体内部采取强化措施，即借助改变或布置不同形状和结构的微流道来控制混合过程，如开槽流道、流体分层流（在流道中加障碍物）、蛇形流道、诱发混沌对流等。相比主动式微混合器而言，被动式微混合器不需要添加额外的设备，易于加工，使用更为方便。而在加强被动式微混合器中流体扩散和混合的方法上，优化流道结构和强化混沌对流是目前被公认的最佳选择。

目前，微流体混合器中的微流道的尺寸在几十到几百微米的范围内，微流道中液体流动的雷诺数很小以至于没有涡流产生，液体间的混合主要依靠分子扩散运动，混合时间相比宏观情况大大延长且混合效果差，因此必须采取特殊的方式来增加液体间的接触面积或者增强对流以提高混合效率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有微混合器中存在的不足而提供一种结构简单、能提高混合效率的轴对称对数螺旋线的十字型微混合器，可实现生物芯片或微全分析系统中不同液体之间的快速均匀混合，强化混合效果，缩短混合时间。

本发明采用的技术方案是：本发明包括密合在一起的盖板和基体，盖板和基体之间设有依次相连接的一个十字型流道、一个收缩流道和若干个混合单元，每个混合单元均由相连接的一个狭窄直流道、一个对数螺旋线流道以及放置在对数螺旋线流道中的一个对数螺旋线挡板构成；若干个混合单元串接后连接于收缩流道和流道出口之间；十字型流道出口连接收缩流道入口，收缩流道出口连接第一个混合单元中的狭窄直流道入口，最后一个对数螺旋线流道出口连接流道出口且该出口宽度与流道出口的宽度相同，其余对数螺旋线流道出口均与狭窄直流道宽度相同；收缩流道和混合单元的中心均在一个中心轴上，对数螺旋线流道和对数螺旋线挡板都关于中心轴对称；对数螺旋线挡板的凹面正对着所在的对数螺旋线流道入口。

对数螺旋线流道的轮廓线由两个关于中心轴对称分布的对数螺旋线构成，对数螺旋线方程为，其对数螺旋线起点位于对数螺旋线挡板凹面一端的顶点处，包角α为135°，e为自然对数函数的底数，其值为2.71828，为20μm，k为0.001，θ1为220°～(220°+α)；

对数螺旋线挡板的轮廓线为两个关于中心轴对称分布的两个对数螺旋线构成，其对数螺旋线方程为，其起点为所在的对数螺旋线流道入口中心点，包角β为30°，为15μm， k为0.001， θ2为270°～(270°+β)。

本发明采用上述技术方案后具有下列优点：

1、本发明能使流体在通过狭窄直流道后形成射流，使流体流速增加，增加流体的雷诺数。射流冲击对数螺旋线挡板，由于对数螺旋线挡板的特殊结构，流体沿对数螺旋线挡板流动，与来流形成对流，增加流体间的扰动。

2、当流体流过对数螺旋线挡板时，会在对数螺旋线挡板的凸面形成附壁流动，出现二次流现象，增加流体的混合度。通过简单的流道结构实现了涡系的叠加和强化，从而增加了流体的接触面积，使得混合效果显著提高。

3、本发明在十字型微混合器的主流道上等距布置对称分离重组流道，流体经过聚合、分离、成涡，依次循环进行，可以更加有效的接触混合。借助微混合流道几何形状变化和流体流动特性来加大扰动，即在二维度平面内增加扰流度，大大提高了平面式被动微混合器的混合效果。

附图说明

图1为本发明的主体结构剖视图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为图2中十字型流道的几何结构放大示意图；

图4为图2中混合单元的几何结构放大示意图；

图5为本发明流体流动原理示意图；