[發明專利]一種階梯形通道加工字形擋板的平面被動式微混合器

在審

• 申請號: 201711038722.6
• 申請日: 2017-10-29
• 公開（公告）號: CN107583551A
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 劉趙淼;王文凱;逄燕
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B01F13/00
• 分類號: B01F13/00;B01F15/00;B01F5/06
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明屬于生物芯片和微全分析系統中液體微混合的技術領域，技術涉及流體縮放、分離重組和附壁效應的平面被動式微混合器，特別提供一種階梯形通道加工字形擋板的平面被動式微混合器。

背景技術

微流控是在尺寸為幾至幾百微米的通道內操作微納體積樣品的系統科學和技術，通常在一片幾平方厘米的芯片上構建生化分析或檢測系統，因此也稱為芯片實驗室。微流控集成了生物與化學領域中常涉及的樣品制備、混合、分離、反應、檢測等功能單元，以可控流體貫穿微流道形成的整個系統，最終實現常規生化實驗室同類功能。微流控芯片技術以其所需樣品體積小、效率高、成本低、易于集成等優勢，在生物和化學領域有著廣泛的應用前景。微流控芯片技術涉及的微型反應系統主要包括微混合器、微流道、微型熱交換器等。微混合器作為微流控系統的重要組成部分，憑借其高效快速的混合性能，廣泛地用于生物分析、化學合成和臨床測試等領域。由于微流控芯片通道結構在微米量級，通道中的流體通常處于層流狀態，因此實現微尺度下流體的快速混合變得至關重要。在不同雷諾數條件下，通道中的流體通過分子擴散和對流混合的途徑實現混合。盡管前者的混合效率極高，但過小的流速導致其需要較長的混合時間，所以在微尺度下實現流體的快速且高效混合仍具有一定的挑戰。

微混合器根據有無外界能量驅動可分為兩類：一類是主動式微混合器，另一類是被動式微混合器。主動式微混合器的機理是通過外場的作用產生液體間的相對運動來達到混合的效果。被動式微混合器則借助改變或布置不同形狀和結構的微通道來控制混合過程。相比主動式微混合器而言，被動式微混合器易于加工，使用更加方便。而在加強被動式微混合器中流體擴散和混合效率的方法上，優化通道結構和強化混沌對流是目前所公認的最優方式。

當前，微流體混合器中微通道的尺寸在幾十到幾百微米的范圍內，微尺度流動的典型特征是流動雷諾數非常低，大都處于層流區，分層不摻混的流動造成了混合較為困難。因此通過優化微通道結構來增加液體間的接觸面積或加強對流，對于提高微混合器的混合性能具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種結構相對簡單，能提高混合效率，縮短混合時間的階梯形通道加工字形擋板的平面被動式微混合器。

本發明采用的技術方案為一種階梯形通道加工字形擋板的平面被動式微混合器，包括一個十字形進口通道、一個收縮通道和若干個混合單元；每個混合單元由依次連接的窄縫直通道、階梯形通道和工字形擋板組成，工字形擋板布置在階梯形通道內；各個混合單元依次串接組成混合單元組，混合單元組設置在收縮通道和直通道出口之間，混合單元組端部混合單元的階梯形通道的出口寬度與直通道出口的寬度相同，除混合單元組端部混合單元外的階梯形通道的出口寬度均與窄縫直通道出口寬度相同；十字形進口通道的出口與收縮通道的入口連接，收縮通道的出口與混合單元組另一端混合單元的狹窄直通道的入口連接；第一副通道入口和第二副通道入口設置在主通道入口的兩側。

第一副通道入口和第二副通道入口與主通道入口垂直連接。

第一副通道入口的通道寬度和第二副通道入口的通道寬度相等，且二者之和恒等于主通道入口所連通的通道寬度，十字形通道出口布置在主通道入口對應的主通道上，且十字形通道出口寬度與收縮通道入口寬度相同。

布置在階梯形通道內的工字形擋板的中心線與階梯形通道的中心線一致，工字形擋板的外邊緣與階梯形通道的內壁之間具有間隙；階梯形通道的階梯個數取決于流道內的流體阻力，階梯個數越多，流體的流動阻力越大。

十字形進口通道上連接的主通道入口、收縮通道、窄縫直通道和階梯形通道的軸向中心軸一致，每個混合單元都關于中心軸對稱，多個混合單元沿微混合器中心軸的軸向等間距布置，混合單元的個數不少于兩個。

兩種不同組分的流體分別從主通道入口、第一副通道入口和第二副通道入口等速流入微混合器，第一副通道入口和第二副通道入口注入同組分的流體，以保證不同組分流體等量注入微混合器的通道，流體經過收縮通道和各個混合單元完成混合后，從通道出口流出。

本發明采用上述技術方案后具有下列優點：

1.本發明能使流體在通過狹窄直通道后形成射流，使流體速度增加。流體在階梯形通道里先被逐漸擴放，經過工字形擋板后又被逐漸壓縮，有助于增加不同流體間的接觸面積，并且流體易在階梯直角處形成渦，進而促進混合。