一种隔板式电渗微混合器的制作方法

本实用新型涉及一种隔板式电渗微混合器。该混合器的混合方式为交流驱动主动式。

背景技术：

随着时代发展，微流控技术日趋成熟，微混合器作为微流控系统的一个分支，广泛地运用在了化学分析、医学临床、生物环境监测等领域的试剂混合中。有许多生化反应是建立在不同种反应物充分混合的基础上的，而对于微混合器内的流体，雷诺数较低，忽略了惯性效应的流体流动缓慢，这种情况下试剂间的混合基本依靠分子间的扩散，难以实现试剂间的完全混合。

国内外许多研究者提出了许多不同微尺度下的混合器结构，这些微混合器根据结构和工作原理的不同可以分为主动式微混合器和被动式微混合器。主动式微混合器有电磁驱动型、热驱动型、超声波驱动型、电驱动型、机械扰动型等类型，其特点是流体可控性强，试剂混合速度快、混合效率高、混合效果好，但是需要外部的能量驱动，部件结构较大，很难运用到一些条件苛刻的试剂分析中；被动式微混合器主要是通过改变微通道的结构，增大试剂间的扰动从而增加混合效率，并且结构简单，无需外部驱动输入，适用于大部分环境条件，但流体的控制性较差，比较依赖微管道的结构。

本文研究了一种新型的主动式电渗流微混合器，使流体单元发生拉伸和折叠从而增强了流体的混合效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、使用方便的主动式微流体混合器，用于进一步缩短混合时间，提升混合的效率。

本实用新型的技术方案是：一种隔板式电渗微混合器，包括进口管、出口管、主混合管道，其中主混合管道包含两对电极和对称分布的第一隔板、第二隔板，该隔板式电渗微混合器的特征在于：两种待混合流体并列由进口管进入混合管道，在两对电极的作用下产生电渗效应并经过第一隔板、第二隔板扰动后从出口管中流出；主混合管道为环形管状结构，在管道外环对称分布四个电极，分别为第一电极、第二电极、第三电极、第四电极，第一电极与第三电极为一对，第二电极与第四电极为一对，两对电极分别施加交流电场；所述的进口管、出口管和主混合管道的管径为10微米。

本实用新型的收益在于：流体在混合管道内由于交流电场而产生电渗效应同时发生电渗运动，混合过程中在电极附近会生成由电渗流引起的旋转涡流，这些涡流扰乱了混合器内的主流，增强了流体的对流运动，使得流体混合更为充分；同时，由于微管道内绝缘挡板的作用，对流体流动产生干扰，涡流和隔板作用下共同扰乱了混合器内的主流，极大程度上加强了混合器内的两种流体的非均匀性，使对流作用更加强烈，流体单元也产生折叠和拉伸，从而达到增强混合器的混合效果。

本实用新型所设计的结构为单层结构，通过一次光刻就可以制造模具，和传统的多层结构相比具有结构简单、便于大规模生产配置组装、成本较低的特点，并且本实用新型的优势在于，相比于其他微流体混合器具有更优化的单层结构，能够使流体之间完成较快、效率更高的混合，所适用的雷诺数范围广，能满足大部分实验的需求。

附图说明

图1为隔板式电渗微混合器的结构示意图，其中包括进口管1、第一隔板2、出口管3、第二隔板4，第一电极5、第二电极6、第三电极7、第四电极8，主混合管道9，通道入口AB，混合器结构出口CD；在管道外环对称分布四个电极，分别为第一电极5、第二电极6、第三电极7、第四电极8，其中，第一电极5和第三电极7的电势相同，第二电极6和第四电极8的电势相同。

图2为施加交流电场前、后微混合器内流体流线图；其中，图2a是未施加交流电场时，隔板式电渗微混合器内的流体流线图；图2b是施加交流电场后，隔板式电渗微混合器内的流体流线图。

图 3为隔板式电渗微混合器内流体浓度图。图3a为未施加交流电场时，隔板式电渗微混合器内的流体浓度分布图；图3b是施加交流电场后，隔板式电渗微混合器内的流体浓度分布图。

图 4是混合效率指标随时间的变化曲线图。

具体实施方式

一种微流体混合器，采用PDMS为材料，经过光刻、显影等工艺步骤制得SU8模具；然后将与固化剂混合过的PDMS材料涂于模具上，经过加热固化后脱模制得PDMS阴模；再将与固化剂混合过的PDMS材料涂于PC片上，再加热固化后脱模制得PDMS平板；PDMS阴模与平板键合所得微结构即为所述微流体混合器结构。

未施加交流电场的流体流线如图2a，流场内的流体流动主要由入口驱动，可以看出通道内流体分层运动，两种流体的流线互不干扰，但在经过绝缘隔板时流线变得密集，这是因为隔板迫使流体由狭小的通道流过，类似于收缩—扩张管道，在狭小的通道中流体流速增加。而在施加交流电场后，管道内的流线发生了明显的变化，如图2b，由于电场强度在流场内并不一致，故微管道壁面的电渗流速度不同，进而使得通道内待混合的两种流体发生对流运动。

如图3a，在未施加交流电场前，浓度分别为1和0，并且两种流体之间有着明显的分界线。绝缘隔板的作用下，迫使原本充斥在环形管道的流体从隔板和管道壁之间的狭小通道流过，使得靠近内管壁的流体流速加快。当施加交流电场后，随着电场逐渐变化，在混合器通道内会形成一定的电势差，使流场壁面产生电渗速度并驱动通道内的流体发生电渗运动，即非均匀变化的电场强度带来了非均匀的壁面电渗流速度，扰乱了混合器内的流场，进而驱使待混合的流体发生对流运动，如图3b。可以看出在两对电极附近的扰动尤其剧烈，同时利用隔板的收缩—扩张效应，加强了流体间的对流效应，使混合器内的流体单元产生相互拉伸和折叠，促进了待混合流体向完全混合进行，进一步提高混合效率。

以隔板为界，隔板左侧的流体混合已经初步进行，但待混合的两种试剂仍具有一定的分界，流体浓度以1和0为主；在隔板右侧，流体在经过狭小通道后流速加快，在交流电场的作用下流体发生进一步混合，混合流体浓度介于0与1之间，大部分混合浓度在0.5左右，达到了良好的混合效果。

图4是混合效率随混合时间变化的曲线，该曲线表明了混合效率指标随着混合时间的增加而呈波浪式下降，指标的波动幅度逐渐减小。混合指标的每一个波动都代表了流体混合浓度的快速变化，此时流体界面扭曲变形，形成了对流体介质的强烈拉伸和折叠，在交流电场的作用下产生不规则的旋转，使混合效率指标逐渐趋于0值，完成流体的完全混合，提升了微混合器的混合效果。