[發明專利]一種壓電驅動微混合器及其制作方法和控制方法

無效

• 申請號: 201210175152.6
• 申請日: 2012-05-31
• 公開（公告）號: CN102671572A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 劉國君;楊志剛;劉建芳;王浩;李思明
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B01F13/00
• 分類號: B01F13/00;B01F15/02;F04B49/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于微流體混合技術領域，具體涉及一種壓電驅動微混合器及其制作方法和控制方法。

背景技術

微混合器作為微流控系統的重要部件，用于實現不同反應物在微尺度條件下的充分混合，在微量分析化學、微化工系統、生命科學等領域應用越來越廣泛，顯示著良好的應用前景。

微尺度下實現微流體的快速有效混合是困難的，因為微流控系統的特征尺寸屬于微米級，雷諾數較小(Re＝0.1～100)，流體保持層流狀態，混合完全依賴于分子擴散作用，需要很長的距離與時間才能混合均勻。特別在處理包含大分子的試劑時，實現完全混合將變得更難。

許多研究人員通過改變流道結構或施加外部干擾等措施來打亂流場，增大流體中的湍流比例，提高微混合效率。目前根據是否需要外部能量誘發混合，微混合器通常被分為主動微混合器和被動微混合器兩種。被動微混合器通常采用具有復雜幾何結構的通道來形成混沌流，增強微流體間的分子擴散和對流，從而增加其有效接觸面積，提高流體的混合效率。缺點：加工難度大，混合效率低，混合可控性差；主動微混合器需要外部能量誘發進行混合，包括：微攪拌、壓力擾動、聲波擾動、電流體動力及磁流體動力驅動等。雖然主動微混合方式具有混合效率高、混合時間短、混合可控性高等優點，但在眾多的基于不同混合機理的主動混合器中，仍存在如：工作電壓高、對混合液體有介電性或可極化要求、工作中發熱、結構及制作工藝復雜、不易集成化等諸多問題。

經對現有技術的文獻檢索發現：美國專利號為：US007942568B1，專利名：基于聲表面波的主動微混合器(ACTIVE?MICROMIXER?USING?SURFACE?ACOUSTIC?WAVE?STREAMIGN)，該專利公開了一種利用聲表面波的主動式微混合器，作用聲波為瑞利波，通過對位于壓電基板上的交叉指型換能器施加射頻激勵而發生，在壓電基板上傳播從而導致微流道內流體聲流產生。該微混合器可以混合靜止液體或低Re數的層流流體。但仍存在以下缺點：整體結構復雜，除了聲表面波發生裝置外，仍需要注射泵驅動；體積較大，不易于集成及微小型化；制作成本較高；存在工作噪聲等。美國專利號為：US20060219307A1，專利名：微混合裝置和混合方法(MICROMIXER?APPARATUS?AND?METHOD?THEREFOR)，公開一種用于微流體系統的主動微混合器。該微混合器結合往復泵和流體器件可以完成至少兩種流體的混合。當往復泵處于前進沖程時，微混合器利用兩組脈沖流的影響進行混合。而當往復泵處于向后沖程時，微混合器利用渦流進行混合，同時兩組流體也可以通過類薄片結構利用質量擴散進行混合。但存在以下缺點：對輸出背壓敏感；微泵無截止性；混合初期，需灌泵等調試操作；混合容量及混合模式有限；混合可控度不高等。因此，微尺度下的流體混合尚有大量問題需要解決。

發明內容

本發明的目的在于克服目前主動微混合器存在的不足，提出一種壓電驅動微混合器及其制作方法和控制方法，以提高微尺度下流體的混合效果和速率，充分發揮主動式微混合器混合高效、過程可控等優勢，同時具有結構和制作方法簡單、成本低、體積小、易于集成化等優點。

本發明所述的壓電驅動微混合器，包括PDMS基板、玻璃底板、單晶片壓電振子和單向閥片，其特征在于：由一整體PDMS基板將微流體驅動單元(即：壓電泵)和微混合單元(即：混合流道)集成于一體，單晶片壓電振子及單向閥片同PDMS基板封裝構成壓電泵，玻璃底板同PDMS基板封裝構成混合流道；壓電振子采用不同電壓、頻率、不同波形及相位交錯式驅動電信號予以激勵，實現微流體在微混合流道內高頻脈動錯位式混合。

本發明所述壓電驅動微混合器，由至少兩組以上壓電泵布置于微混合器輸入端，可實現至少兩種以上流體的充分混合。

本發明所述混合器基板，采用PDMS材料，結構設計及制作時，混合器基板一面設有試劑進口緩沖腔，緩沖腔長度略長于壓電泵出口管長度，為PDMS模鑄時留有脫模空間。

本發明所述壓電泵，可采用單腔體單壓電振子、單腔體雙壓電振子、至少兩個壓電振子形成的多腔體串并聯等結構。

本發明所述壓電泵，采用變剛度閥片設計及布置，輔以拋物面腔體結構，大幅度提高壓電泵輸出壓力及流量。其特征在于：入口閥剛度最低，中間閥剛度最高，出口閥剛度居中。

本發明所述單向閥片，采用懸臂梁式結構，閥片形似倒“8”字，便于裝配時對中定位，同時降低腔體容積變化過程中的死角容積。

本發明所述單向閥片，其變剛度設計是通過改變閥片厚度或懸臂長度來實現。