一種氣泡擺動式微混合系統的製作方法

2023-05-27 12:10:51

專利名稱：一種氣泡擺動式微混合系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於微混合技術領域，特別涉及一種氣泡擺動式微混合系統。
背景技術：
近一個世紀以來，微電子技術、信息技術、生物技術、納米技術等高科技領域取得 了長足發展，這些高新技術的共同發展趨勢之一是設備和系統的微型化和功能的集成化。 在微加工技術的不斷推動下，設計並製造各種功能型微器件、微設備和微系統已經成為可 能。微全分析系統是將微執行器、微傳感器、微混合器、微反應器、微分離器等部件集成到一 個幾平方釐米的晶片上，以實現樣品輸送、預混合、生化反應、分離及檢測等系統功能，具有 樣品消耗量少、處理速度快、反應汙染物排放少等優點，已經在生命科學及分析化學等領域 受到廣泛關注。其中，微混合器作為微全分析系統的重要部件，用來實現不同反應物在微尺 度條件下的充分混合。 不同反應物之間的充分預混合是各種物理、化學及生物反應的先決條件。在宏觀 尺度下，通常採用機械攪拌的方式促進不同反應物之間的混合，或通過提高運動流體的雷 諾數使流動處於湍流區從而增加混合效果，即宏觀尺度下的混合主要通過增加不同流體之 間的對流來實現。在微小尺度下，通道內的流動通常為低雷諾數的層流流動，不同流體之間 的混合只能通過分子擴散來實現，往往需要較長的混合時間和較長的混合長度。在微觀尺 度下，各種促進微混合方法的共性在於產生垂直於待混合流體界面的擾動。目前，已有微混 合器可分為兩類，即主動式微混合器和被動式微混合器。主動式微混合器需要在微混合器 內部集成運動部件，具有混合效率高的優點，但是其加工工藝複雜，存在運動部件導致可靠 性降低；被動式微混合器採用具有複雜幾何結構的通道來形成混沌流以強化流體混合，混 合效率通常比主動式混合器低，同時複雜通道結構會造成流動阻力的增大。因此，微尺度下 的流體混合尚未得到很好的解決。

發明內容
本發明的目的是提供一種氣泡擺動式微混合系統。
—種氣泡擺動式微混合系統，其特徵在於該氣泡擺動式微混合系統包括雙路直 流脈衝電壓系統、供液泵系統、流體輸送管路系統，微混合器主體及連接導線；
所述微混合器主體由上層蓋板和下層基底鍵合而成； 所述下層基底上加工有主混合微通道、氣體入口 、氣體入口微通道、液體a入口 、 液體a入口微通道、液體b入口 、液體b入口微通道、混合液體流出通道、混合液體流出出 口 、氣泡流出通道、氣泡流出出口 、漸擴噴嘴和柵格過濾器，氣體入口微通道、液體a入口微 通道和液體b入口微通道匯聚於主混合微通道入口處，用於將氣體、液體a和液體b傳遞至 主混合微通道，在主混合微通道的入口處設置漸擴噴嘴，氣體、液體a和液體b在漸擴噴嘴 處形成匯聚流，該匯聚流在氣液界面張力和粘性剪切力的共同支配下形成氣泡序列，主混 合微通道出口處分別加工有混合液體流出通道和氣泡流出通道，在混合液體流出通道的入口處加工有柵格過濾器，混合液體經柵格過濾器後濾除氣泡，經混合液體流出通道後由混
合液體流出出口流出，含氣泡的廢液經氣泡流出通道後由氣泡流出出口排出； 所述上層蓋板面向下層基底一側沉積有薄膜電阻微加熱器層，薄膜電阻微加熱器
層分為兩部分，分別為薄膜電阻微加熱器a和薄膜電阻微加熱器b，且在薄膜電阻微加熱器
層與上層蓋板之間沉積有絕緣薄膜，絕緣薄膜用於薄膜電阻微加熱器層與上層蓋板之間的
電絕緣，在薄膜電阻微加熱器a和薄膜電阻微加熱器b上再沉積金屬引線將薄膜電阻微加
熱器a和b的大部分覆蓋，未被金屬引線覆蓋的部分為薄膜電阻微加熱器a和b的有效加
熱區域，薄膜電阻微加熱器a和薄膜電阻微加熱器b的有效加熱區域均沿主混合微通道長
度方向設置，位於主混合微通道內，並且分布於主混合微通道的上方兩側； 所述供液泵系統通過流體輸送管路向微混合器主體內提供氣體及待混合的兩種
液體； 所述雙路直流脈衝電壓系統通過連接導線與微混合器主體上層蓋板上的金屬引 線相連，為微混合器主體上的薄膜電阻微加熱器a和薄膜電阻微加熱器b提供周期性直流 交替脈衝激勵電壓，從而使混合液體內產生沿主混合微通道寬度方向上的周期性反向溫度 梯度，液體向低溫側移動，氣泡向高溫測移動，主混合微通道內的周期性反向溫度梯度導致 氣泡序列在該微通道寬度方向上做周期性擺動，使液體充分混合。 所述上層蓋板的寬度大於所述下層基底的寬度，以便於金屬引線與雙路直流脈衝 電壓系統相連接。 所述薄膜電阻微加熱器a和薄膜電阻微加熱器b有效加熱區域的形狀均為沿主混 合微通道長度方向的長條形。 所述薄膜電阻微加熱器a和薄膜電阻微加熱器b有效加熱區域的寬度均小於主混 合微通道寬度的三分之一。 所述上層蓋板、下層基底材質為矽、耐熱玻璃、聚二甲基矽氧烷(P匿S)或聚甲基 丙烯酸甲酯(PMMA)。 所述絕緣薄膜材質為二氧化鈦。 所述薄膜電阻微加熱器a和薄膜電阻微加熱器b材質為鉬或鋁。
所述金屬引線材質為金。 所述氣體入口微通道、液體a入口微通道、液體b入口微通道、漸擴噴嘴、主混合微 通道、混合液體流出通道和氣泡流出通道的截面形狀為矩形或正方形。 本發明的工作原理為來自供液泵系統的氣體、液體a和液體b經流體輸送管路系 統進入微混合器主體內的氣體流入通道、液體a流入通道和液體b流入通道，在主混合微通 道入口的漸擴噴嘴處形成匯聚流，該匯聚流在氣液界面張力和粘性剪切力的共同支配下形 成氣泡序列，通過控制氣體、液體a和液體b的流量可以控制該氣泡序列的尺寸大小及生成 頻率。在液體a和液體b流量相等條件下，生成的氣泡序列位於主混合微通道的中心(即 待混合液體a和液體b的界面處)並跟隨液體a和液體b流動。雙路直流脈衝電壓系統通 過金屬引線在位於主混合微通道上方兩側的薄膜電阻微加熱器上施加周期性交替直流脈 衝電壓(即當在某一側的薄膜電阻微加熱器上施加電壓時，另一側微加熱器上施加的電壓 為零)。在該周期性交替直流脈衝電壓的激勵下，所述主混合微通道上方兩側的薄膜電阻微 加熱器上產生周期性交替溫升，從而在所述主混合微通道相應寬度方向上形成周期性反向溫度梯度。在所述主混合微通道內的氣液界面上，溫度梯度導致界面張力梯度從而引起氣 液界面的Marangoni對流，即液體向低溫側移動，氣泡向高溫測移動。因此，主混合微通道 內的周期性反向溫度梯度將導致氣泡序列在該微通道寬度方向上做周期性擺動，其擺動頻 率取決於所施加周期性交替直流脈衝電壓的頻率。當所施加的激勵電壓頻率為千赫茲時， 氣泡在主混合微通道寬度方向(即垂直液體a和液體b界面方向)上的擺動頻率亦可達千 赫茲，從而極大的強化液體a和液體b之間的混合。在所述混合液體流出通道內，氣泡被所 述柵格過濾器阻擋，僅混合液體能通過，含氣泡的廢液從氣泡流出通道排出。
本發明與現有微混合技術相比，具有以下優點在已有主動式微混合器中，往往通 過在微混合器內部集成微壓電晶體或微攪拌裝置等可運動部件來強化流體之間的混合，具 有較高的混合效率，但由於採用了運動部件，不僅導致其加工工藝複雜，而且使其可靠性和 使用壽命大大降低；在已有被動式微混合器中，往往採用具有複雜幾何結構的通道使得待 混合流體流經複雜結構通道時產生混沌流從而強化流體混合。被動式微混合器具有無需集 成運動部件、可靠性高的優點，但其混合效率較主動式微混合器低，並且由於採用複雜幾何 結構通道增大了流動的壓降，需要較大的泵送壓力並對系統密封提出更高要求。本發明採 用匯聚流流過漸擴噴嘴產生氣泡序列，該氣泡序列在主混合微通道內高頻脈衝電壓的激勵 下，產生通道寬度方向的高頻擺動，從而極大的強化流體之間的混合。本發明所提供的微混 合器，在沒有集成運動部件的條件下，僅通過外部高頻交替電壓激勵，實現了待混合流體界 面的高頻擾動。因此，本發明所提供的微混合器既具有主動式微混合器混合效率高的優點， 又具有被動式微混合器無需集成運動部件、可靠性高的優點，提供了一種新穎、高效、可靠 性高的強化微流體混合的方法、裝置和系統，具有廣闊的應用前景。


圖1為本發明的氣泡擺動式微混合系統實施示意圖；
圖2為本發明所述氣泡擺動式微混合器主體的結構示意圖；
圖3為柵格過濾器局部放大圖；
圖4為漸擴噴嘴局部放大圖； 圖5為絕緣薄膜、薄膜電阻微加熱器及金屬引線電極相對位置示意圖；
圖6為薄膜電阻微加熱器a和b的有效加熱區域示意圖； 附圖標記說明1、雙路直流脈衝電壓系統，2、供液泵系統，3、流體輸送管路系統， 4、微混合器，5、連接導線，6、氣體入口 ， 7、液體a入口 ， 8、液體b入口 ， 9、混合液體流出出口 ， 10、氣泡流出出口，41、上層蓋板，411、絕緣薄膜，412、薄膜電阻微加熱器a，413、薄膜電阻微 加熱器b，414、金屬引線，42、下層基底，421、氣體入口微通道，422、液體a入口微通道，423、 液體b入口微通道，424、漸擴噴嘴，425、主混合微通道，426、混合液體流出通道，427、氣泡 流出道通，428、柵格過濾器，4120、薄膜電阻微加熱器a的有效加熱區域，4130、薄膜電阻微 加熱器b的有效加熱區域。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明 —種氣泡擺動式微混合系統，如圖1所示，該氣泡擺動式微混合系統包括雙路直流脈衝電壓系統1、供液泵系統2、流體輸送管路系統3，微混合器主體4及連接導線5 ;
所述微混合器主體4由上層蓋板41和下層基底42鍵合而成；如圖2所示；
所述下層基底42上加工有主混合微通道425、氣體入口 6、氣體入口微通道421、液 體a入口 7 、液體a入口微通道422 、液體b入口 8 、液體b入口微通道423 、混合液體流出通 道426、混合液體流出出口 9、氣泡流出通道427、氣泡流出出口 10、漸擴噴嘴424和柵格過 濾器428，氣體入口微通道421、液體a入口微通道422和液體b入口微通道423匯聚於主 混合微通道425入口處，用於將氣體、液體a和液體b傳遞至主混合微通道425，在主混合 微通道425的入口處設置漸擴噴嘴424，漸擴噴嘴424的局部放大圖如圖3所示，氣體、液 體a和液體b在漸擴噴嘴424處形成匯聚流(flow focusing)，該匯聚流在氣液界面張力和 粘性剪切力的共同支配下形成氣泡序列，氣泡序列跟隨液體a和液體b流入主混合微通道 425，所形成氣泡序列的頻率和尺寸可通過供液泵系統1的流量控制進行調節，主混合微通 道425出口處分別加工有混合液體流出通道426和氣泡流出通道427，在混合液體流出通道 426的入口處加工有柵格過濾器428，柵格過濾器428的局部放大圖如圖4所示，該柵格過 濾器為採用微加工工藝製作的方柱陣列，來自主混合微通道425的混合流體中所含氣泡在 該柵格過濾器處被濾除，僅混合液體能通過，混合液體經柵格過濾器428後濾除氣泡，經混 合液體流出通道426後由混合液體流出出口 9流出，含氣泡的廢液經氣泡流出通道427後 由氣泡流出出口 10排出； 所述上層蓋板41面向下層基底42—側沉積有薄膜電阻微加熱器層，薄膜電阻微 加熱器層分為兩部分，分別為薄膜電阻微加熱器a412和薄膜電阻微加熱器b413，且在薄膜 電阻微加熱器層與上層蓋板41之間沉積有絕緣薄膜411，絕緣薄膜411用於薄膜電阻微加 熱器層與上層蓋板41之間的電絕緣，在薄膜電阻微加熱器a412和薄膜電阻微加熱器b413 上再沉積金屬引線414將薄膜電阻微加熱器a412和b413的大部分覆蓋，未被金屬引線414 覆蓋的部分為薄膜電阻微加熱器a412和b413的有效加熱區域，如圖6所示，薄膜電阻微加 熱器a412的有效加熱區域4120為未被金屬引線414覆蓋的部分，薄膜電阻微加熱器b413 的有效加熱區域4130為未被金屬引線414覆蓋的部分，薄膜電阻微加熱器a412和薄膜電 阻微加熱器b413的有效加熱區域4120、4130均沿主混合微通道425長度方向設置，位於主 混合微通道425內，並且分布於主混合微通道425的上方兩側；如圖5所示，圖5中示出了 上層蓋板41面向下層基底42側的二氧化鈦絕緣薄膜411，薄膜電阻微加熱器a412、薄膜電 阻微加熱器b413及金電極引線414的相對位置圖，在製作時，首先最底層沉積絕緣薄膜，然 後再沉積薄膜電阻微加熱器層將絕緣薄膜覆蓋，最上層為金屬電極引線，將薄膜電阻微加 熱器的大部分覆蓋，只保留正對主混合通道的長條區域作為有效加熱區域；
所述供液泵系統2通過流體輸送管路3向微混合器主體4內提供氣體及待混合的 兩種液體； 所述雙路直流脈衝電壓系統1通過連接導線5與微混合器主體4上層蓋板41上 的金屬引線414相連，為微混合器主體4上的薄膜電阻微加熱器a412和薄膜電阻微加熱器 b413提供周期性直流交替脈衝激勵電壓，從而使混合液體內產生沿主混合微通道425寬度 方向上的周期性反向溫度梯度，液體向低溫側移動，氣泡向高溫測移動，主混合微通道425 內的周期性反向溫度梯度導致氣泡序列在該微通道寬度方向上做周期性擺動，使液體充分 混合。該雙路直流脈衝激勵電壓的頻率、幅度及相位可根據需要由雙路直流脈衝電壓系統l進行設定。 所述上層蓋板41的寬度大於所述下層基底42的寬度，以便於金屬引線414與雙 路直流脈衝電壓系統1相連接。 所述薄膜電阻微加熱器a412的有效加熱區域4120和薄膜電阻微加熱器b413的
有效加熱區域4130的形狀均為沿主混合微通道425長度方向的長條形。 所述薄膜電阻微加熱器a412的有效加熱區域4120和薄膜電阻微加熱器b413的
有效加熱區域4130的寬度均小於主混合微通道425寬度的三分之一。 所述上層蓋板41、下層基底42材質均為矽。 所述絕緣薄膜411材質為二氧化鈦。 所述薄膜電阻微加熱器a412和薄膜電阻微加熱器b413材質為鉑。
所述金屬引線414材質為金。 所述氣體入口微通道421 、液體a入口微通道422、液體b入口微通道423、漸擴噴 嘴424、主混合微通道425、混合液體流出通道426和氣泡流出通道427的截面形狀為矩形。
權利要求
一種氣泡擺動式微混合系統，其特徵在於該氣泡擺動式微混合系統包括雙路直流脈衝電壓系統(1)、供液泵系統(2)、流體輸送管路系統(3)，微混合器主體(4)及連接導線(5)；所述微混合器主體(4)由上層蓋板(41)和下層基底(42)鍵合而成；所述下層基底(42)上加工有主混合微通道(425)、氣體入口(6)、氣體入口微通道(421)、液體a入口(7)、液體a入口微通道(422)、液體b入口(8)、液體b入口微通道(423)、混合液體流出通道(426)、混合液體流出出口(9)、氣泡流出通道(427)、氣泡流出出口(10)、漸擴噴嘴(424)和柵格過濾器(428)，氣體入口微通道(421)、液體a入口微通道(422)和液體b入口微通道(423)匯聚於主混合微通道(425)入口處，用於將氣體、液體a和液體b傳遞至主混合微通道(425)，在主混合微通道(425)的入口處設置漸擴噴嘴(424)，氣體、液體a和液體b在漸擴噴嘴(424)處形成匯聚流，該匯聚流在氣液界面張力和粘性剪切力的共同支配下形成氣泡序列，主混合微通道(425)出口處分別加工有混合液體流出通道(426)和氣泡流出通道(427)，在混合液體流出通道(426)的入口處加工有柵格過濾器(428)，混合液體經柵格過濾器(428)後濾除氣泡，經混合液體流出通道(426)後由混合液體流出出口(9)流出，含氣泡的廢液經氣泡流出通道(427)後由氣泡流出出口(10)排出；所述上層蓋板(41)面向下層基底(42)一側沉積有薄膜電阻微加熱器層，薄膜電阻微加熱器層分為兩部分，分別為薄膜電阻微加熱器a(412)和薄膜電阻微加熱器b(413)，且在薄膜電阻微加熱器層與上層蓋板(41)之間沉積有絕緣薄膜(411)，絕緣薄膜(411)用於薄膜電阻微加熱器層與上層蓋板(41)之間的電絕緣，在薄膜電阻微加熱器a(412)和薄膜電阻微加熱器b(413)上再沉積金屬引線(414)將薄膜電阻微加熱器a(412)和b(413)的大部分覆蓋，未被金屬引線(414)覆蓋的部分為薄膜電阻微加熱器a(412)和b(413)的有效加熱區域，薄膜電阻微加熱器a(412)和薄膜電阻微加熱器b(413)的有效加熱區域均沿主混合微通道(425)長度方向設置，位於主混合微通道(425)內，並且分布於主混合微通道(425)的上方兩側；所述供液泵系統(2)通過流體輸送管路(3)向微混合器主體(4)內提供氣體及待混合的兩種液體；所述雙路直流脈衝電壓系統(1)通過連接導線(5)與微混合器主體(4)上層蓋板(41)上的金屬引線(414)相連，為微混合器主體(4)上的薄膜電阻微加熱器a(412)和薄膜電阻微加熱器b(413)提供周期性直流交替脈衝激勵電壓，從而使混合液體內產生沿主混合微通道(425)寬度方向上的周期性反向溫度梯度，液體向低溫側移動，氣泡向高溫測移動，主混合微通道(425)內的周期性反向溫度梯度導致氣泡序列在該微通道寬度方向上做周期性擺動，使液體充分混合。
2. 根據權利要求1所述的一種氣泡擺動式微混合系統，其特徵在於所述上層蓋板 (41)的寬度大於所述下層基底(42)的寬度，以便於金屬引線(414)與雙路直流脈衝電壓系 統(1)相連接。
3. 根據權利要求1所述的一種氣泡擺動式微混合系統，其特徵在於所述薄膜電阻 微加熱器a(412)和薄膜電阻微加熱器b(413)有效加熱區域的形狀均為沿主混合微通道 (425)長度方向的長條形。
4. 根據權利要求1所述的一種氣泡擺動式微混合系統，其特徵在於所述薄膜電阻微加熱器a(412)和薄膜電阻微加熱器b(413)有效加熱區域的寬度均小於主混合微通道 (425)寬度的三分之一。
5. 根據權利要求1所述的一種氣泡擺動式微混合系統，其特徵在於所述上層蓋板 (41)、下層基底(42)材質為矽、耐熱玻璃、聚二甲基矽氧烷(P匿S)或聚甲基丙烯酸甲酯 (P薩)。
6. 根據權利要求1所述的一種氣泡擺動式微混合系統，其特徵在於所述絕緣薄膜(411)材質為二氧化鈦。
7. 根據權利要求1所述的一種氣泡擺動式微混合系統，其特徵在於所述薄膜電阻微加熱器a(412)和薄膜電阻微加熱器b(413)材質為鉑或鋁。
8. 根據權利要求1所述的一種氣泡擺動式微混合系統，其特徵在於所述金屬引線 (414)材質為金。
9. 根據權利要求1所述的一種氣泡擺動式微混合系統，其特徵在於所述氣體入口微 通道(421)、液體a入口微通道(422)、液體b入口微通道(423)、漸擴噴嘴(424)、主混合微 通道(425)、混合液體流出通道(426)和氣泡流出通道(427)的截面形狀為矩形或正方形。
全文摘要
本發明公開了屬於微混合器技術領域的一種氣泡擺動式微混合系統。氣泡擺動式微混合器中，氣體、液體a和液體b在主混合微通道入口的漸擴噴嘴處形成匯聚流，該匯聚流在氣液界面張力和粘性剪切力的共同支配下形成氣泡序列，在周期性交替直流脈衝電壓的激勵下，主混合微通道上方兩側的薄膜電阻微加熱器上產生周期性交替溫升，在主混合微通道相應寬度方向上形成周期性反向溫度梯度，溫度梯度導致界面張力梯度，液體向低溫側移動，氣泡向高溫測移動，周期性反向溫度梯度使氣泡在通道寬度方向上高頻擺動，從而強化流體之間的混合。本發明能夠快速高效地實現兩種不同流體在微尺度下的充分混合，具有廣闊的應用前景。
文檔編號B01F3/08GK101757864SQ20101010962
公開日2010年6月30日 申請日期2010年2月9日 優先權日2010年2月9日
發明者張偉, 徐進良 申請人:華北電力大學