[发明专利]一种内置周期性阻块和挡板的被动式微混合器

说明书

技术领域

本发明涉及微机电领域中的微流体系统，尤其涉及微流体系统中的微混合器。

背景技术

微流体系统通过对微通道、微泵、微阀、微混合器的集成，实现在微尺度下对微量流体的控制、操作和检测，其已成为微机电系统的一个重要分支。在微流体系统中，整个系统的分析效率往往取决于两种或多种流体能否快速、充分混合，因此微流体混合技术是微流体系统的重点。作为微流体系统的重要组成部分，微混合器用于实现不同反应物在微尺度条件下的充分混合，在微量分析化学、生物芯片、微化工系统中应用越来越广泛。

微混合器根据有无额外动力源，可分为被动式和主动式两类。被动式微混合器主要采用具有复杂几何结构（如在微流道中增加挡板、开设沟槽等）的微通道来形成混沌对流，以提高流体的对流强度，从而增加流体混合的接触面积，提高混合效率；主动式微混合器主要通过增加外部扰动（如磁场/电场扰动、热扰动，、超声波扰动等）来促进微流体混合。相比较而言，由于被动式微混合器不需要附加额外动力源，因此更加稳定且易于集成。而在提高被动式微混合器混合效率的方法上，优化通道结构和强化混沌对流是目前被公认的最佳方法之一。

在微尺度下，由于雷诺数很低，难以形成湍流，要实现微流体的完全混合（混合效率大于90%）是很困难的。因而现有的被动式微混合器只有在雷诺数大于一定数值后，才能达到完全混合的指标，这在一定程度上限制了所设计的微混合器的使用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的被动式微混合器只有在雷诺数大于一定数值后才能达到完全混合的不足而提出一种内置周期性阻块和挡板结构的被动式微混合器，可以在所研究的所有雷诺数范围内实现微流体的完全混合，结构简单，加工方便，易于集成化和微型化。

本发明采用的技术方案是：本发明由上盖板和与上盖板键合在一起且位于上盖板正下方的混合板组成，混合板上设有一个主通道、一个出口通道和三个入口通道，三个入口通道在混合板的左半部分上，出口通道在混合板的右半部分上，三个入口通道和出口通道之间连接主通道，在主通道内部沿主通道的中心轴的方向上设有多个混合单元，每个混合单元由四个圆柱形阻块和两个三角形挡板构成；在中心轴的前侧，沿中心轴方向上每一个三角形挡板、两个圆柱形阻块依次交错布置；在中心轴的后侧，沿中心轴方向上每两个圆柱形阻块、一个三角形挡板依次交错布置，每个三角形挡板均位于两个圆柱形阻块的对面正中间；圆柱形阻块的截面是圆形，三角形挡板为主通道的外壁向主通道内部凹陷形成的截面是等腰直角三角形的结构，三角形挡板的底边与主通道的外壁相重合，等腰直角三角形顶角为90°且该顶角的顶点在所述中心轴上，等腰直角三角形底边的两个顶点与正对面的圆柱形阻块的圆心之间连接线垂直于所述中心轴。

进一步地，所有的圆柱形阻块沿中心轴方向上等距布置，所有的三角形挡板沿中心轴方向上等距布置，每个圆柱形阻块均位于中心轴和主通道外壁之间的正中间。

进一步地，圆柱形阻块和三角形挡板的上下高度与主通道的高度相同。

本发明与现有技术相比后的有益效果是：本发明是利用特殊的流道结构形式，使流体在微流道中产生剧烈的混沌对流的原理设计而成的；混沌对流时能使原本平行的流体层发生拉伸、分割、扭曲、折叠等现象，促使流体产生横向流动和旋涡区，可显著强化混合。本发明中的三角形挡板具有“集流”和增大流体径向速度梯度的作用，使流体局部速度变化突然增大，并在圆柱形阻块附近产生绕流，形成漩涡区，从而有效提高混沌对流强度，增加流体间的接触面积，达到完全混合。与其他利用混沌对流原理促进混合的被动式微混合器结构相比，本发明结构更为简单，便于加工和集成，更重要的是，本发明具有多个混合单元，可以不受雷诺数大小的影响，在所研究的所有雷诺数范围内实现微流体的完全混合。

附图说明

图1为本发明的主体结构剖视图；

图2为图1中上盖板15的俯视图；

图3为图1中A-A方向混合板8的剖视图；

图4为图3中混合板8上单个混合单元的放大图；

图5为混合单元数分别是5、6、7时本发明的混合效率与雷诺数的关系图；

图中：1.入口通道；2.入口通道；3.主通道；4.圆柱形阻块；5.三角形挡板；6.中心轴；7.出口通道；8.混合板；9.入口通道；10.十字型通道；11.进口孔；12.进口孔；13出口孔；14进口孔；15上盖板。

具体实施方式