晶片內微流體動態混合器、混合池模具及其驅動方法

2023-05-29 21:28:46 4

專利名稱：晶片內微流體動態混合器、混合池模具及其驅動方法
技術領域：
本發明屬於微機電系統技術領域，涉及晶片內微量液體動態混合器。
背景技術：
微流體系統可應用在化學分析、生物及化學傳感、分子分離、核酸排序及分析、環境監測等領域。充分混合是進行生化反應的必要條件，但傳統靠攪拌混合的動力混合方法顯然不適用於生化晶片。因此已由許多學者探討能夠實現晶片內微升或納升量級液體混合的新方法。
目前國際上已有的不同類型微混合器，大致可分為動態混合器和靜態混合器。
在動態混合器中，它主要通過微流體通道、微型反應器和外加力場等來實現對樣品的混合操作。1991年，Moroney和White使用超聲波泵驅動流體形成流體迴路，實現了極好的混合。Evan在1997年用高溫產生的水蒸氣泡在多重循環的混合艙(面積為1.6×0.6mm，100μm深)內來回流動。使相鄰的流體粒子在混沌流場(其起始條件對流體分子的運動軌跡和最終位置起很大作用)中大量的分離、聚合，流體分子形成混沌對流，使流體充分的混合。Miyake在1993年利用流體通過微型噴口的特徵，設計出了一種能產生許多小流的微混合器。它用微管道作為流體管道，在試劑的入口處有2.2mm×2mm×330μm的混合區域，底部有間隔為15μm的400個微型噴口。通過這些噴口，上面的樣品被注入到下面的試劑中，形成了很多微小的噴流，即噴流陣列。噴流會大大增加兩種混合流體表面的接觸面，通過擴散來加速擴散的速度。
在靜態混合器中，它主要靠拉長或剪切層流(增大液體間的接觸面積)或分流(將大的液流分裂成許多小的液流，使液體的厚度大大降低)達到有效的混合。以上目標的實現主要通過改變混合器中微型管道的幾何形狀或產生液流間的相對運動來達到。目前使用較多的方法是根據微流體力學原理設計較為複雜的連續或平行流路系統，以增強微流體的對流和分子擴散，增加微流體的有效接觸面積，提高液體的混合效率，減少混合所需的時間及空間。Alcatel Optronics Netherlands公司研製了一種分層式混合器結構，液體經多次分流，多次匯合，從而達到良好的混合效果。1996年Branebjerg和Larse又研製了一種重複分層的混合器。在微結構中，由於雷諾數很低，流體往往呈層流狀態。如果在不影響流體性質的情況下，將兩種流體通過「重疊」或「迭加」進行混合。經過n次這樣的混合後，混合流體被分為2n層。這樣就大大增加了流體間的接觸面，混合效果得到了極大的改善。1997年，A.Desai等研製了一種T型混合器，應用於雷諾數為2000-6000的次毫秒級液體混合。中心晶片由兩個T型混合器組成，中間通過一條作為反應腔的微管道連接，液體匯合後進入第三條管道，再次形成T字型狀，以達到液體的均勻混合。
本發明的詳細內容綜上所述，微流體靜態混合器大多在雷諾數較高的情況下使用，混合機理仍是以擴散為主，只能在局部微管道內引起小範圍混沌對流，混合時間較長、速度慢，層流現象不易從根本上解決。且注入設備一般為外置，無法集成。動態混合在雷諾數較低的情況下仍能實現快速、均勻的混合，但往往結構複雜不利於集成製作。針對上述背景技術中混合時間長、速度慢、結構複雜、集成度差、採用矽片材料成本高、生物兼容性差的問題，本發明將提供晶片內微流體動態混合器、混合池模具及其驅動方法。
本發明晶片內微流體動態混合器包括混合池1、準直器2、光纖3、定位襯底4、支架5、振動薄膜6、交流電源7、平面線圈8、永磁薄片9、光纖10與準直器11，支架5的凹槽中心固定有平面線圈8，平面線圈8的輸入端與交流電源7連接，在支架5的凸起處固定有定位襯底4，準直器2與準直器11耦合對準後其下部固定在定位襯底4上，混合池1的下平面與定位襯底4的上平面固定連接，準直器2和準直器11其上部嵌入混合池1中，在準直器2和準直器11的兩端分別固定連接有光纖3和光纖10，混合池1的底部與振動薄膜6的上部固定連接，在振動薄膜6的下部與永磁薄片9的上部固定連接，永磁薄片9的下部與平面線圈8的上部有空隙。
定位襯底4如附圖2所示包括襯體12、槽13、通孔14和槽15，在襯體12本體上中心對稱製備有兩個槽13、槽15和一個通孔14，在通孔14的兩個平面端分別有槽13和槽15；準直器2與準直器11其下部分別固定在槽13和槽15中。
混合池1如附圖3所示包括支撐體16、槽17、混合腔18和槽19，在支撐體16本體上製備有槽17、混合腔18和槽19，在混合腔18的兩個平面端分別有槽17和槽19，混合腔18與槽17和槽19之間有薄的支撐體16作為混合腔18的壁；準直器2和準直器11其上部分別嵌入槽17和槽19中。
在支撐體16本體上的混合腔18採用通孔或盲孔。混合腔18採用通孔時，在通孔的底部固定振動薄膜6；混合腔18採用盲孔時，盲孔的底部厚度為10μm-300μm。
本發明晶片內微流體動態混合器的驅動方式首先利用交流電源在平面線圈中通入方波形式的電流，使平面線圈產生交變磁場，再利用永磁薄片形成磁場與交變磁場相互作用，來帶動振動薄膜往復運動，使混合腔的體積引起變化，從而實現晶片內微流體動態混合器的驅動。
本發明混合池的敞模成型模具如附圖4所示，包括凹槽20、敞模體21、方柱22、凹槽23、柱體24和方柱25，在敞模體21的本體上對稱分布凹槽20、方柱22、凹槽23、柱體24，方柱22、方柱25是槽17、槽19的外形，凹槽20、凹槽23是支撐體16的外形，在方柱22和方柱25的端部與柱體24的平面端有間隙為混合腔18的內壁，敞模體21與柱體24通過螺紋連接，柱體24位於敞模體21中心。
如附圖5所示和如附圖6所示本發明混合池的凸凹模具包括凸模體26、柱體27、起模螺孔28、起模螺釘29、起模螺孔30、起模螺釘31、凹模體32、凹槽33、定位平面34、方柱35、凹槽36、底部凹槽37和方柱38，在凸模體26本體上製備有柱體27、起模螺孔28和起模螺孔30，起模螺孔28和起模螺孔30對稱分布於凸模體26上，柱體27位於凸模體26的中心，起模螺釘29、起模螺釘31分別與凸模體26固定連接，柱體27對應著混合腔18的外形；在凹模體32本體上製備有凹槽33、定位平面34、方柱35、凹槽36、底部凹槽37和方柱38，方柱35和方柱38的上平面與定位平面34在一個平面上且對稱分布，在方柱35和方柱38的兩側對稱分布有凹槽33、凹槽36，在凹槽33和凹槽36的中心製備有底部凹槽37。
晶片內微流體動態混合器工作時光纖3與光源相連，光纖10與光譜儀相連，先在混合腔中注入樣品與試劑，然後打開交流電源，在平面線圈中通入方波形式的電流，利用平面線圈和永磁薄片形成磁場與交變磁場相互作用，來帶動振動薄膜往復運動產生諧振驅動，使流場產生周期性擾動形成有旋流動使混合腔的體積引起變化，從而實現晶片內微流體的動態混合。
本發明的優點本發明採用電磁激勵駐波的方法，解決了驅動電壓高、操作複雜、混合時間長、速度慢等問題；本發明採用混合池設計有槽，採用接插的方式，準直器內置於槽內解決了集成度難的問題。本發明採用敞模成型模具具有結構簡單、工序少的優點。本發明採用凹、凸模模具使振動薄膜與混合池為一體結構，減少了工序、工時。由於本發明利用了模具製備晶片內微流體動態混合器，則可以採用生物兼容性好、價格低的聚合物材料，解決了背景技術採用矽片材料成本高、生物兼容性差的問題。


圖1本發明晶片內微流體動態混合器示意圖；圖2本發明定位襯底；圖3本發明晶片內微流體動態器的混合池；圖4本發明晶片內微流體動態混合器的混合池敞模成型模具；圖5本發明晶片內微流體動態混合器的混合池凸模；圖6本發明晶片內微流體動態混合器的混合池凹模；
具體實施例方式本發明晶片內微流體動態混合器如附圖1所示，包括混合池1、準直器2、光纖3、定位襯底4、支架5、振動薄膜6、交流電源7、平面線圈8、永磁薄片9、光纖10與準直器11。
混合池1如附圖3所示，包括在支撐體16本體上有槽17、混合腔18和槽19。混合池1與振動薄膜6可採用PDMS、環氧樹脂等透光性好、彈性好的聚合物材料製成。混合池1和振動薄膜6可採用注塑成型法。
準直器2與準直器11可採用自聚焦透鏡等光學器件。光纖3和光纖10可採用單模光纖或多模光纖。
定位襯底4如附圖2所示，包括襯體12、槽13、通孔14和槽15，通孔14有兩個平行的平面，分別與槽13、槽15相連。定位襯底4可採用矽、玻璃、金屬和有機聚合物等材料製成。
支架5可採用矽、玻璃、金屬和有機聚合物等材料製成。交流電源7可選用12伏電壓。平面線圈8可選用10匝或15匝或20匝。永磁薄片9可採用釹鐵硼、鐵氧體等永磁材料製成。
準直器2、準直器11分別採用一片透鏡。準直器2、準直器11耦合對準後用502膠等瞬間凝固膠固定在定位襯底4的槽13、槽15中支架5凹槽的中心用聚二甲基矽氧烷(俗稱PDMS，以下稱PDMS)、502膠等粘結平面線圈8，支架5凸起處與定位襯底4的下平面用PDMS、502膠等粘結，平面線圈8的輸入端與交流電源7通過接插件連接。永磁薄片9的上平面用PDMS、502膠等粘結在振動薄膜6的下平面。
以PDMS為例，先稱取PDMS預聚物與固化劑按質量比10∶1混合，靜放或放在真空乾燥器中，直到混合物中的氣泡完全沒有為止。在支撐體16本體上的混合腔18採用通孔時，採用如附圖4所示的晶片內微流體動態混合器的混合池敞模成型模具。將PDMS倒入混合池敞模成型模具中，靜放，待其均勻、平整(如有氣泡，要放在真空乾燥器中抽氣直到混合物中的氣泡沒有為止)。在混合池敞模成型模具上放一平整隔層，用載玻片壓住(注意不要移動)。用夾具將混合池敞模成型模具與載玻片夾緊，然後將其移入烘箱中高溫烘烤若干時間。烘乾固化後，敞模成型模具上的混合池圖形就轉移到了固化後的PDMS上。將PDMS從敞模成型模具上小心剝離下來，切除邊緣部分，就得到了混合腔18為通孔時的PDMS混合池1。用PDMS、502膠等把粘有永磁薄片9的振動薄膜6粘貼在混合池的下平面，注意永磁薄片9應在混合腔18的中心。在支撐體16本體上的混合腔18採用盲孔時，採用如附圖5、6所示的晶片內微流體動態混合器的混合池凸模、凹模模具。將PDMS倒入混合池凹模中，靜放，待其均勻、平整(如有氣泡，要放在真空乾燥器中抽氣直到混合物中的氣泡沒有為止)。將混合池凸模插入到凹模中，以定位平面34定位，注意不要移動。用夾具將混合池凹凸模夾緊，然後將其移入烘箱中高溫烘烤若干時間。烘乾固化後，凹凸模上的混合池圖形就轉移到了固化後的PDMS上。先利用起模螺釘29、31把凹凸模分開，注意用力均勻，再將固化後的PDMS小心剝離下來，切除邊緣部分，就得到了混合腔18為盲孔時的PDMS混合池1。通過控制夾具的鬆緊可調節盲孔的底部厚度，可控範圍為10μm-300μm。夾具最松時，即凹凸模間隙最大時，底部厚度最大為300μm；夾具最緊時，即凹凸模間隙最小時，底部厚度最小為10μm；夾具控制凹凸模間隙在100μm時，即可得到100μm的底部厚度。
本發明晶片內微流體動態混合器驅動方法如附圖1所示首先利用交流電源7在平面線圈8中通入方波形式的電流，使平面線圈8產生交變磁場，再利用永磁薄片9形成磁場與交變磁場相互作用，來帶動振動薄膜6往復運動產生諧振驅動，使流場產生周期性擾動形成有旋流動，從而形成強對流並以此提高混合速度和效率。
當混合腔18用通孔時，本發明可以採用敞模成型模具來實現混合池的製作，如附圖4所示，包括凹槽20、敞模體21、方柱22、凹槽23、柱體24和方柱25，可採用金屬等材料製成。柱體24有兩個與方柱22、方柱25端面平行的平面，這兩個平面對稱分布，柱體24的橫斷面周邊的其它部分可採用直線或圓弧。柱體24與方柱22、方柱25之間有間隙，即混合腔18的壁。柱體24與敞模體21通過螺紋連接。
當混合腔1用盲孔時，本發明可以採用凸凹模具來實現混合池的製作，如附圖5所示和如附圖6所示，包括凸模體26、柱體27、起模螺孔28、起模螺釘29、起模螺孔30、起模螺釘31、凹模體32、凹槽33、定位平面34、方柱35、凹槽36、底部凹槽37和方柱38，可採用金屬等材料製成。柱體27有兩個與方柱35、方柱38端面平行的平面，這兩個平面對稱分布，柱體27的橫斷面周邊的其它部分可採用直線或圓弧。底部凹槽37有兩個與方柱35、方柱38端面平行的平面，這兩個平面對稱分布，底部凹槽37的橫斷面周邊的其它部分可採用直線或圓弧。
權利要求
1.晶片內微流體動態混合器，包括光纖(3)、支架(5)、交流電源(7)、光纖(10)，其特徵在於還包括混合池(1)、準直器(2)、定位襯底(4)、振動薄膜(6)、平面線圈(8)、永磁薄片(9)、準直器(11)，支架(5)的凹槽中心固定有平面線圈(8)，平面線圈(8)的輸入端與交流電源(7)連接，在支架(5)的凸起處固定有定位襯底(4)，準直器(2)和準直器(11)耦合對準後其下部固定在定位襯底(4)上，混合池(1)的下平面與定位襯底(4)的上平面固定連接，準直器(2)和準直器(11)其上部嵌入混合池(1)中，在準直器(2)和準直器(11)的兩端分別固定連接有光纖(3)和光纖(10)，混合池(1)的底部與振動薄膜(6)的上部固定連接，在振動薄膜(6)的下部與永磁薄片(9)的上部固定連接，永磁薄片(9)的下部與平面線圈(8)的上部有空隙。
2.根據權利要求1所述的晶片內微流體動態混合器，其特徵在於定位襯底(4)包括襯體(12)、槽(13)、通孔(14)和槽(15)，在襯體(12)本體上中心對稱製備有兩個槽(13)、槽(15)和一個通孔(14)，在通孔(14)的兩個平面端分別有槽(13)和槽(15)；準直器(2)與準直器(11)其下部分別固定在槽(13)和槽(15)中。
3.根據權利要求1所述的晶片內微流體動態混合器，其特徵在於混合池(1)包括支撐體(16)、槽(17)、混合腔(18)和槽(19)，在支撐體(16)本體上製備有槽(17)、混合腔(18)和槽(19)，在混合腔(18)的兩個平面端分別有槽(17)、槽(19)，混合腔(18)與槽(17)、槽(19)之間有薄的支撐體(16)作為混合腔(18)的壁；準直器(2)和準直器(11)其上部分別嵌入槽(17)和槽(19)中。
4.根據權利要求3所述的晶片內微流體動態混合器，其特徵在於在支撐體(16)本體上的混合腔(18)採用通孔或盲孔；混合腔(18)採用通孔時，在通孔的底部固定振動薄膜(6)；混合腔(18)採用盲孔時，盲孔的底部厚度選擇為10μm-300μm。
5.晶片內微流體動態混合器的驅動方法，其特徵在於首先利用交流電源在平面線圈中通入方波形式的電流，使平面線圈產生交變磁場，再利用永磁薄片形成磁場與交變磁場相互作用，來帶動振動薄膜往復運動，使混合池的體積引起變化，從而實現晶片內微流體動態混合器的驅動。
6.晶片內微流體動態混合器的混合池敞模成型模具，其特徵在於包括凹槽(20)、敞模體(21)、方柱(22)、凹槽(23)、柱體(24)和方柱(25)，在敞模體(21)的本體上對稱分布凹槽(20)、方柱(22)、凹槽(23)和方柱(25)，在方柱(22)和方柱(25)的端部與柱體(24)的平面端有間隙，敞模體(21)與柱體(24)通過螺紋連接，柱體(24)位於敞模體(21)中心。
7.晶片內微流體動態混合器的混合池凸凹模具，其特徵在於包括凸模體(26)、柱體(27)、起模螺孔(28)、起模螺釘(29)、起模螺孔(30)、起模螺釘(31)、凹模體(32)、凹槽(33)、定位平面(34)、方柱(35)、凹槽(36)、底部凹槽(37)和方柱(38)，在凸模體(26)本體上製備有柱體(27)、起模螺孔(28)和起模螺孔(30)，起模螺孔(28)和起模螺孔(30)對稱分布於凸模體(26)上，柱體(27)位於凸模體(26)的中心，起模螺釘(29)和起模螺釘(31)分別與凸模體(26)固定連接，在凹模體(32)本體上製備有凹槽(33)、定位平面(34)、方柱(35)、凹槽(36)、底部凹槽(37)和方柱(38)，方柱(35)和方柱(38)的上平面與定位平面(34)在一個平面上且對稱分布，在方柱(35)和方柱(38)的兩側對稱分布有凹槽(33)和凹槽(36)，在凹槽(33)和凹槽(36)的中心製備有底部凹槽(37)。
全文摘要
本發明涉及晶片內微流體動態混合器包括混合池1、準直器2、光纖3、定位襯底4、支架5、振動薄膜6、交流電源7、平面線圈8、永磁薄片9、光纖10與準直器11。驅動方法利用交流電源在平面線圈中通入方波形式的電流，使平面線圈產生交變磁場，再利用永磁薄片形成磁場與交變磁場相互作用，來帶動振動薄膜往復運動，使混合池的體積引起變化，實現晶片內微流體動態混合器的驅動。模具包括凹槽20、敞模體21、方柱22、凹槽23、柱體24和方柱25；模具包括凸模體26、柱體27、起模螺孔28、起模螺釘29、起模螺孔30、起模螺釘31、凹模體32、凹槽33、定位平面34、方柱35、凹槽36、底部凹槽37和方柱38。
文檔編號G01N35/00GK1598589SQ20041001106
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月27日 優先權日2004年8月27日
發明者吳一輝, 張平, 李淑嫻, 李鋒 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所