一种基于射流原理的回流被动式微混合器的制作方法

本发明涉及微机电系统中的微流体分析领域，尤其涉及一种微混合器。

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取决于两种或多种流体能否快速、充分混合，因此关于微流体混合技术的研究已是微流体系统研究的热点之一。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（如将微流道形状进行优化，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。

在微尺度下，由于雷诺数很低，难以形成湍流，只能依靠两种流体接触面处的分子扩散实现混合，因此要实现两种流体的完全混合（混合效率大于90%）是很困难的。普通的微混合器是T型微混合器，只有在两种液体接触面处，依靠分子扩散进行混合，因而普通T型微混合器的中心面附近的混合效率比较高，而靠近微混合器壁面附近的流体几乎没有混合，这大大限制了T型微混合器的整体性能。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有普通T型微混合器只有中心面附近的混合效率比较高，靠近微混合器壁面附近的流体混合效率较低的不足，提出一种基于射流原理的回流被动式微混合器，以将微混合器壁面附近混合效率较低的流体通过反馈通道回流到混合区进行再混合，通过多次循环混合，从而促使两种液体实现完全混合。

本发明采用的技术方案是：本发明由上盖板以及与上盖板键合的混合板（24）组成，混合板的进口侧开有前后水平布置的第一、第二入口通道，混合板的出口侧开有左右水平布置的出口通道，第一、第二入口通道共同垂直连接左右水平布置的混合通道的进口，混合通道的出口连接出口通道，沿混合通道的中心轴方向上从左到右设有n组射流和回流结构，n≥4，每组射流和回流结构均由渐缩管、射流喷口、反馈通道以及渐扩管从左到右依次串联组成；每组射流和回流结构具有2个相对于中心轴前后对称布置的反馈通道，每个反馈通道是由反馈通道入口侧通道、反馈通道过渡通道、反馈通道出口侧通道以及混合区连接成的环形结构，2个反馈通道入口侧通道的入口和2个反馈通道出口侧通道的出口相接相通，共同形成混合区，混合区的入口连接射流喷口，混合区通过混合区出口连接渐扩管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是利用特殊射流和回流结构，在射流喷口附近产生低压区，而混合液经射流喷口射出进入混合区后，不断卷吸周围的流体进入射流，使得射流流速不断降低，流体压强不断升高。混合区出口附近的压强高于射流喷口附近的低压区压强，从而在反馈通道中产生回流，最终使得混合效率不高的流体通过反馈通道回流到射流喷口附近，再次被射流卷吸、掺混，如此循环，从而促使两种液体实现完全混合。与其他微混合器结构相比，本发明结构简单，便于加工和集成，反馈通道中流体的回流率高，微混合器综合性能好。

附图说明

图1为本发明一种基于射流原理的回流被动式微混合器的主体结构剖视图；

图2为图1中上盖板28的俯视图；

图3为图1中沿A-A方向混合板24的剖视图；

图4为图3中单个射流和回流结构的局部放大图；

图中：1.第一入口通道；2.第二入口通道；3.混合通道；4.渐缩管；5.射流喷口；6.混合区内环壁面；7.内圆倒角；8.反馈通道入口侧通道；9.内圆倒角；10.反馈通道过渡通道；11.内圆倒角；12.反馈通道出口侧通道；13.反馈通道出口侧通道的外环壁面；14.外圆倒角；15.反馈通道过渡通道的外环壁面；16.外圆倒角；17.反馈通道入口侧通道的外环壁面；18.混合区；19.反馈通道；20.混合区出口；21.渐扩管；22.出口通道；23.中心轴；24.混合板；25.第二进口孔；26.第一进口孔；27.出口孔；28.上盖板。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明由上盖板28以及与上盖板28键合在一起的混合板24组成，混合板24位于上盖板28的正下方。在上盖板28上开有上下垂直布置的第一进口孔26、第二进口孔25以及出口孔27，第一进口孔26和第二进口孔25的结构相同，位于进口侧，出口孔27位于出口侧。在混合板24的进口侧开有前后水平布置的第一入口通道1和第二入口通道2，在混合板24的出口侧开有左右水平布置的出口通道22。第一入口通道1、第二入口通道2和出口通道22的上下深度为H2，100μm≤H2 ≤200μm。第一进口孔26、第二进口孔25以及出口孔27均直接在pyrex7740玻璃上定位打孔，这三个孔均是垂直的通孔，这三个孔的位置分别位于其下方对应的第一入口通道1、第二入口通道2和出口通道22的正上方，这三个孔的直径与其下方对应通道的宽度相同。这三个孔的上下垂直高度为H1，400μm≤ H1 ≤600μm，等于上盖板28的上下厚度。混合板24由聚二甲基硅氧烷有机硅（PDMS）加工而成，其具体工艺流程为：首先，在PDMS上热生长SiO₂作为掩膜，掩膜厚度为2μm左右；然后在SiO₂掩膜上涂抹较厚光刻胶保护，采用光刻工艺并刻蚀SiO₂掩膜，从而在SiO₂上刻蚀出与掩膜版完全相同的微混合器平面结构；接着，采用Alcatel干法刻蚀工艺正面刻蚀，刻蚀深度H2；最后，干法去胶，去氧化层，清洗干净后与上盖板28对准并进行静电键合。

如图1和图3所示，第一入口通道1和第二入口通道2是两种不同流体的入口通道，它们的通道长度相同，均为L2，400μm≤ L2 ≤800μm。第一入口通道1和第二入口通道2的结构相同，共同垂直连接左右水平布置的混合通道3的进口，且关于混合通道3的中心线23前后对称，混合通道3的长度为L3，600μm≤L3≤800μm。混合通道3的出口连接出口通道22，与出口通道22共中心线23。第一入口通道1和第二入口通道2的通道宽度相等，均为L1，且恒等于混合通道3和出口通道22的通道宽度L7，L1=L7=200μm。

在混合通道3上，沿混合通道3的中心轴23方向上，从左到右等间距周期性地设有n组射流和回流结构，n≥4。参见图3和图4，每组射流和回流结构均由渐缩管4、射流喷口5、反馈通道19以及渐扩管21从左到右依次串联组成。

最左侧的第一组射流和回流结构的渐缩管4连接混合通道3，最右侧的最后一组射流和回流结构的渐扩管21连接出口通道22。出口通道22的长度为L6，1000μm≤ L6 ≤2000μm。

在相邻两组射流和回流结构中，左侧射流和回流结构的渐扩管21的末端连接右侧射流和回流结构的渐缩管4的始端，并且左侧射流和回流结构的渐扩管21的末端和右侧射流和回流结构的渐缩管4的始端这两者之间的通道长度为L4，600μm≤L4≤800μm，长度L4为相邻两组射流和回流结构之间的距离，每相邻两组射流和回流结构之间的距离均相同，如此首尾相接形成周期性的n组射流和回流结构。

如图3和图4所示，每组射流和回流结构有2个反馈通道19，这2个反馈通道19相对于中心轴23前后对称布置。每个反馈通道19是由反馈通道入口侧通道8、反馈通道过渡通道10、反馈通道出口侧通道12以及混合区18连接成的环形结构。每组射流和回流结构中对称的2个反馈通道入口侧通道8的入口和2个反馈通道出口侧通道12的出口相接相通，共同形成混合区18，即混合区18共同连接2个反馈通道入口侧通道8的入口和2个反馈通道出口侧通道12的出口，并且混合区18相对于中心轴23对称，与混合通道3具有共同的中心轴23。同时，混合区18的入口连接射流喷口5，混合区18通过混合区出口20连接渐扩管21。每组射流和回流结构中的射流喷口5与混合区出口20之间的距离为L5，也即混合区18的轴向长度是L5，L5 =400μm。

反馈通道入口侧通道8、反馈通道过渡通道10、反馈通道出口侧通道12这三个通道的通道宽度依次减小，即沿着反馈通道19内流体的流动方向，通道的宽度依次减小。反馈通道出口侧通道12的通道宽度是L11，L11=60μm。反馈通道过渡通道10的通道宽度是L12，L12=80μm。反馈通道入口侧通道8的通道宽度是L13，L13=100μm。

混合区18的轴向长度小于反馈通道过渡通道10的轴向长度，反馈通道入口侧通道8和反馈通道出口侧通道12分别与混合通道3成一定角度，倾斜于混合通道3，中间的反馈通道过渡通道10与混合通道3平行，也与混合区18平行。射流喷口5的通道宽度小于混合区出口20的通道宽度。

在反馈通道19容易产生死区的拐角区域均用圆倒角过渡连接，在混合区18的混合区内环壁面6与反馈通道入口侧通道8的内环壁面之间采用内圆倒角7连接，内圆倒角7的内圆半径为R1，R1=200μm；在反馈通道入口侧通道8的内环壁面与反馈通道过渡通道10的内环壁面之间采用内圆倒角9连接，内圆倒角9的半径为R2，R2=50μm；反馈通道入口侧通道8的外环壁面17与反馈通道过渡通道10的外环壁面15之间采用外圆倒角16连接，外圆倒角16的半径为R3，R3=125μm；在反馈通道过渡通道10的内环壁面与反馈通道出口侧通道12的内环壁面之间采用内圆倒角11连接，内圆倒角11的半径为R4，R4=50μm；在反馈通道过渡通道10的外环壁面与反馈通道出口侧通道12的外环壁面之间采用外圆倒角14的半径为R5，R5=100μm。

渐缩管4的倾角是θ1、反馈通道出口侧通道12的倾角是θ2、反馈通道入口侧通道8的倾角θ3，渐扩管21的倾角是θ4，并且θ1=θ2=θ3=θ4=135°；即渐缩管4的外壁面与反馈通道出口侧通道12平行，渐扩管21的外壁面与反馈通道入口侧通道8平行。射流喷口5的流道宽度为L8，L8=20μm，流道长度为L9，100μm≤L9≤200μm。混合区出口20的流道宽度为L15，L15=40μm，流道长度为L14，100μm≤L14≤200μm。混合区18的流道宽度L10等于第一入口通道1和第二入口通道2的通道宽度L1，以及等于混合通道3和出口通道22的通道宽度L7。反馈通道过渡通道的外环壁面15与中心轴23之间的距离为L16，L16=500μm，反馈通道过渡通道的外环壁面15与反馈通道入口侧通道的外环壁面17和反馈通道出口侧通道的外环壁面13均平滑过渡相接。

本发明混合过程如下，待混合液体A经上盖板28上的第二进口孔25进入混合板24的第二入口通道2，待混合液体B经上盖板28上的第一进口孔26进入混合板24的第一入口通道1；在混合过程中，为保证这两种不同的待混合液体A、B等量注入微混合器，需用注射泵严格控制两种液体的注入速度。两种液体在混合通道3中汇合成混合液，并在接触面上，通过分子扩散完成初步混合；而后，混合液进入周期性布置的射流和回流结构区域，通过渐缩管4对混合液加速，并通过射流喷口5产生高速射流，射流的喷出速度极快，在射流喷口5附近产生低压区；高速射流进入混合区18，不断卷吸周围混合效率较低流体进入射流；由于高速射流不断卷吸周围流体进入射流，导致射流流量沿程增加，射流速度不断降低，流体的压强也随之不断增加；混合液到达混合区出口20附近时，混合液的压强已明显高于射流喷口5附近由于高速射流形成的低压区。由于射流喷口5与混合区出口20在同一水平位置上，因而混合效率较高的中心面附近的混合液从混合区出口20直接流出，另一部分混合效率较低的流体在压差作用下进入反馈通道19，经反馈通道入口侧通道8、反馈通道过渡通道10、反馈通道出口侧通道12反流后又回到射流喷口5附近，并重新被射流喷口5产生的高速射流卷吸，掺混，进行二次混合，如此循环，促使两种液体实现完全混合，从而提高了流体的混合效率。反馈通道19中的反馈通道入口侧通道8、反馈通道过渡通道10、反馈通道出口侧通道12这三条通道的宽度沿着流体流动方向依次减小，有利于提高反馈通道19出口处流体的速度，进一步降低射流喷口5附近低压区压强，提高反馈通道中流体的回流率，增强混沌对流强度，从而达到提高混合效率的目的。在混合液经过n组这样的射流和回流结构作用后，从最后一组射流和回流结构流出的混合液，基本已经实现完全混合；从最后一组射流和回流结构的混合区出口20流出的混合液最后流入出口通道22，并从出口孔27流出微混合器，完成混合过程。