專利名稱：一種壓電微混合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流體泵送與混合的微機(jī)械領(lǐng)域，尤其涉及一種壓電無(wú)閥微混合器。
背景技術(shù)：
微流芯片是MEMS研究的一個(gè)重要分支，可將傳統(tǒng)生化檢測(cè)過(guò)程的分離、加樣、混合、反應(yīng)、檢測(cè)等功能在芯片上得以實(shí)現(xiàn)，微流芯片可以實(shí)現(xiàn)從納升到微升的流體流動(dòng)的控制和驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)微量液體流量的精確控制，已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析、疾病診斷、藥物篩選等許多領(lǐng)域；而微混合器是微流控芯片中的重要功能器件之一，由于尺度的縮小，微通道中流體表面積與體積的比值相當(dāng)?shù)拇螅后w的流速和雷諾數(shù)較低，常處于一種層流的狀態(tài)，使得微量液體的混合變得困難，人們對(duì)如何促進(jìn)微通道中液體的混合做了大量的研究，依據(jù)有無(wú)外界動(dòng)力源，微混合器大致可以分為被動(dòng)式微混合器和主動(dòng)式微混合器兩種，被動(dòng)式微混合器是指不需要外部動(dòng)力源，主要依賴于通道幾何形狀對(duì)流體進(jìn)行混合，如開槽通道、流體分層流(在通道中加障礙物)，蛇形通道、誘發(fā)混沌對(duì)流等，例如Schonfeld等設(shè)計(jì)的新型的SAR微混合器；Str00Ck等利用在通道底部刻蝕交錯(cuò)漁鼓形槽道制成了 SHM微混合器，除此之外還有SLM，SGM，CGM等通道結(jié)構(gòu)。還有通過(guò)使通道在空間范圍內(nèi)彎曲進(jìn)行流體混合，如C型，Z型，彎弧管道，L型，T型，修改的tesla結(jié)構(gòu)，扭曲管道等通道結(jié)構(gòu)，主動(dòng)式微混合器按作用原理分可分為電動(dòng)力式、磁動(dòng)力式、超聲波式、分支注入式、壓電式、磁致式、射流式、機(jī)械式等；例如Yang等研究的超聲制動(dòng)微混合器的震動(dòng)源來(lái)源于壓電陶瓷(PZT)7Frederic Bottausci小組研制了一種蜘蛛式微混合器等,被動(dòng)式微混合器無(wú)需外部能量的輸入，混合效果穩(wěn)定，便于集成在微流控系統(tǒng)中，但通道往往很長(zhǎng)或體積很大，需要加工復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，且對(duì)于雷諾數(shù)特別低的流動(dòng)，混合效果不佳、可控性差。現(xiàn)有的主動(dòng)式混合器混合時(shí)間較被動(dòng)式混合器短、可控性較好，但需要外部激勵(lì)或擾動(dòng)、可靠性有待提高，針對(duì)現(xiàn)有微混合器存在的問(wèn)題，本專利設(shè)計(jì)出同時(shí)含有主動(dòng)和被動(dòng)元素的壓電無(wú)閥微混合器，以提高混合效果大大縮短混合時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種能使流體混合更加充分、高效的壓電無(wú)閥微混合器，使混合的速度相對(duì)更快，混合的效果更好，在混合過(guò)程中對(duì)介質(zhì)無(wú)損傷，適合針對(duì)涉及活體細(xì)胞或高分子物質(zhì)的混合。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:壓電無(wú)閥微混合器由兩個(gè)泵進(jìn)口通道、進(jìn)口緩沖腔、進(jìn)口渦旋管、壓電振子、上基體、泵體、由基體泵腔和泵體泵腔組成的泵腔、出口渦旋管、出口緩沖腔和一個(gè)泵出口通道組成，上基體上設(shè)有兩個(gè)泵進(jìn)口通道、基體泵腔和一個(gè)泵出口通道，泵體上設(shè)有進(jìn)口緩沖腔、進(jìn)口渦旋管、泵體泵腔、出口渦旋管、出口緩沖腔；泵的兩進(jìn)口通道在進(jìn)口緩沖腔入口相交匯并與進(jìn)口緩沖腔相通，進(jìn)口緩沖腔與進(jìn)口渦旋管相通，進(jìn)口渦旋管與泵體泵腔相通，泵體泵腔與出口渦旋管，出口渦旋管與出口緩沖腔相通，出口緩沖腔與位于出口緩沖腔上方的泵出口通道相通；基體泵腔和泵體泵腔相通，共同組成了泵腔；壓電振子位于上基體的基體泵腔之上，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如附圖1所示。所述的兩個(gè)泵進(jìn)口通道與豎直方向的夾角為β/2，O5 < β ≤90=,相交連通，所
述的泵進(jìn)口通道的直徑分別為Cl1, djdi > d2)，其值與所需混合樣本的體積流量相關(guān)，所述的兩個(gè)泵進(jìn)口通道的直徑平方之比等于各自通入泵進(jìn)口通道的不同液體的體積流量之比。所述進(jìn)口緩沖腔，出口緩沖腔，進(jìn)口渦旋管，出口渦旋管以及泵體泵腔的高度均為b Cd2/2 < b < d2)。所述進(jìn)口緩沖腔和出口緩沖腔為圓形，直徑為2 d2，高度為b。所述進(jìn)口渦旋管或出口渦旋管為由連續(xù)對(duì)稱設(shè)置的三角體組成的特殊結(jié)構(gòu)管道，所述進(jìn)口渦旋管或出口渦旋管的最小寬度為D2,擴(kuò)散角為Θ ,所述的進(jìn)口渦旋管小端與進(jìn)口緩沖腔和所述的出口渦旋管小端與泵體泵腔分別通過(guò)半徑為r的圓角連接，從圓角的切點(diǎn)處開始設(shè)置直角三角體；所述進(jìn)口渦旋管或出口渦旋管的管邊Cf，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)I，沿Cf方向，直角三角體的長(zhǎng)直角底邊長(zhǎng)度均為L(zhǎng)2，三角體長(zhǎng)直角底邊間的距離為L(zhǎng)3，直角三角體的頂點(diǎn)同在一條線上，此直線與所述進(jìn)口渦旋管或出口渦旋管的中心線的夾角為α/2，所述進(jìn)口渦旋管或出口渦旋管的最小寬度端兩對(duì)稱三角體頂點(diǎn)距離為Dl，Dl小于等于三角體的短直角邊長(zhǎng)度，渦旋管深度為b，渦旋管的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如圖2所示，相關(guān)尺寸取值范圍如下:150ym < L2 < 750 μ m, IOym < L3 < 50 μ m, 10 μ m < Dl < 50 μ m, 50 μ m < D2 <250 μ m，20 Um < r < 100 μ m，IOOOum < LI < 5000 μ m。所述渦旋管的擴(kuò)散角為Θ (1°彡Θ彡10° )。所述基體泵腔和泵體泵腔為圓形泵腔，直徑Φ為常規(guī)取值，小于壓電振子的彈性基底直徑，大于壓電振子的壓電陶瓷直徑，基體泵腔和泵體泵腔的高度之和h為常規(guī)取值。所述壓電振子由壓電陶瓷、彈性基底和電極層組成，壓電陶瓷通過(guò)粘結(jié)劑粘結(jié)在彈性基底上，壓電陶瓷上面設(shè)有電極層，所述粘結(jié)劑為導(dǎo)電環(huán)氧樹脂，所述彈性基底為黃銅(或其他彈性材料)，所述彈性基底的直徑比泵腔的直徑大I 2mm，所述壓電陶瓷的的直徑可以根據(jù)相關(guān)規(guī)定得到。本專利采用兩個(gè)與豎直方向有一定夾角β/2 (0s < β彡90s)的進(jìn)口通道(如圖1
中A-A圖所示)，并且這兩個(gè)進(jìn)口通道相交于進(jìn)口緩沖腔入口，傾斜的兩個(gè)進(jìn)口圓柱形通道的直徑分別為屯，d2 Cd1 > d2);圖1的A-A圖為兩個(gè)等直徑的傾斜進(jìn)口通道；如混合時(shí)要求兩種液體的劑量不同，可以根據(jù)劑量的要求調(diào)整進(jìn)口通道直徑的大小，例如若需要兩種
溶液體積流量之比為，則兩進(jìn)口通道的直徑比值為、,.ζ:進(jìn)口緩沖腔的高度為
b ;兩種流體經(jīng)進(jìn)口通道流入進(jìn)口緩沖腔便進(jìn)行了第一次混合，之后流體進(jìn)入進(jìn)口渦旋管，此處我們采用在擴(kuò)散管內(nèi)增加三角體的方法促使流動(dòng)產(chǎn)生對(duì)稱渦流，渦流的交匯流動(dòng)促成了第二次混合的發(fā)生；計(jì)算證明，只要利用3 5對(duì)三角體結(jié)構(gòu)的渦旋管即可獲得流體的高效混合，渦旋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示，流體流經(jīng)進(jìn)口渦旋管后便進(jìn)入了泵腔，壓電振子的周期性振動(dòng)使得被混合液體進(jìn)行了第三次混合，最后在與出口緩沖腔相連的出口渦旋管中進(jìn)行最后一次混合，本發(fā)明中由于兩傾斜相交的進(jìn)口通道以及有利于渦流形成的進(jìn)出口渦旋管和壓電振子的結(jié)合應(yīng)用使得流體能夠進(jìn)行高效充分混合，此壓電微混合器耗電量低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工制作且適合微小劑量流體的混合及輸送。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的俯視 圖3是圖1的B-B剖面圖 圖4為圖2的A-A剖面 圖5為渦旋管的結(jié)構(gòu)示意 圖6為壓電振子結(jié)構(gòu)不意 圖7為本發(fā)明設(shè)計(jì)的無(wú)閥微混合器的工作原理圖。其中:1、進(jìn)口通道 2、進(jìn)口緩沖腔 3、進(jìn)口渦旋管 4、壓電振子 5、基體泵腔
6、出口通道7、上基體8、出口緩沖腔9、出口渦旋管10、泵體泵腔11、泵體。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明包括兩個(gè)泵進(jìn)口通道1、進(jìn)口緩沖腔2、進(jìn)口渦旋管3、壓電振子4、上基體7、泵體11、泵腔(基體泵腔5和泵體泵腔10)、出口渦旋管9、出口緩沖腔8和一個(gè)泵出口通道6 ;上基體7與壓電振子4，泵體11與上基體7通過(guò)陽(yáng)極鍵和工藝結(jié)合，上基體7上具有兩個(gè)泵進(jìn)口通道1、基體泵腔5和一個(gè)泵出口通道6 ;壓電振子的結(jié)構(gòu)如圖3所示，將壓電陶瓷通過(guò)粘結(jié)劑(導(dǎo)電環(huán)氧樹脂)粘結(jié)在彈性基底(黃銅材料)上，壓電陶瓷上面有一層很薄的電極層，壓電振子4為圓形復(fù)合型，作為驅(qū)動(dòng)元件，其振動(dòng)模式采用徑向伸縮振動(dòng)，支撐方式為周邊支撐；壓電振子半徑為R，泵腔的半徑為r，泵腔高度為h，上基體7的加工材料為玻璃，在上基體7上鉆出兩個(gè)進(jìn)口通道、一個(gè)出口通道和基體泵腔，泵腔的直徑大于壓電陶瓷片直徑而小于銅片直徑；泵體11的加工材料為硅片，在泵體11上用干法刻蝕工藝加工進(jìn)口緩沖腔2、進(jìn)口渦旋管3、泵體泵腔10、出口渦旋管9、出口緩沖腔8 ;渦旋管正反向流阻系數(shù)比J大于I ;本發(fā)明利用交變電壓驅(qū)動(dòng)壓電微混合器，該發(fā)明工作時(shí)，壓電振子4會(huì)產(chǎn)生彎曲變形并隨著電壓頻率上下振動(dòng)，該振動(dòng)帶動(dòng)腔內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)，可將振子運(yùn)動(dòng)分為向上位移和向下位移運(yùn)動(dòng)，則其腔內(nèi)流動(dòng)過(guò)程可分為吸入過(guò)程和排出過(guò)程。微混合器的工作原理:如圖7所示，當(dāng)壓電振子4向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，泵腔容積增大，腔內(nèi)壓強(qiáng)減小，流體會(huì)從兩端吸入，即流體分別經(jīng)進(jìn)、出口渦旋管3、9流入泵腔，由于渦旋管的正向流阻小于反向流阻，所以流體從左端的進(jìn)口渦旋管流入泵腔的流量遠(yuǎn)大于從右端出口渦旋管流入的流體量，故這時(shí)流體主要從左端流入，微混合器處于吸入狀態(tài)；相反，當(dāng)壓電振子4向下振動(dòng)時(shí)，流體分別經(jīng)進(jìn)、出口渦旋管3、9，流出泵腔，從右端出口渦旋管流出的流體量遠(yuǎn)大于從左端進(jìn)口渦旋管流出的流體量，故流體主要從右端流出，微混合器處于泵送狀態(tài)，如圖7所示，兩個(gè)渦旋管相當(dāng)于流阻大于I的擴(kuò)散管和收縮管，使壓電微混合器實(shí)現(xiàn)了液體從左端流進(jìn)，從右端流出，進(jìn)、出口渦旋管3、9相當(dāng)被動(dòng)混合結(jié)構(gòu)，流體流經(jīng)渦旋管時(shí)將產(chǎn)生如圖7所示的旋渦，在本發(fā)明中，傾斜相交的進(jìn)口通道、進(jìn)口渦旋管、出口渦旋管以及壓電振子的周期振動(dòng)均起到了促使流體混合的作用。
權(quán)利要求
1.一種壓電微混合器，由兩個(gè)泵進(jìn)口通道、進(jìn)口緩沖腔、進(jìn)口渦旋管、壓電振子、上基體、泵體、由基體泵腔和泵體泵腔組成的泵腔、出口渦旋管、出口緩沖腔和一個(gè)泵出口通道組成，上基體上設(shè)有兩個(gè)泵進(jìn)口通道、基體泵腔和一個(gè)泵出口通道，泵體上設(shè)有進(jìn)口緩沖腔、進(jìn)口渦旋管、泵體泵腔、出口渦旋管、出口緩沖腔；泵的兩進(jìn)口通道在進(jìn)口緩沖腔入口相交匯并與進(jìn)口緩沖腔相通，進(jìn)口緩沖腔與進(jìn)口渦旋管相通，進(jìn)口渦旋管與泵體泵腔相通，泵體泵腔與出口渦旋管，出口渦旋管與出口緩沖腔相通，出口緩沖腔與位于出口緩沖腔上方的泵出口通道相通；基體泵腔和泵體泵腔相通，共同組成了泵腔；壓電振子位于上基體的基體泵腔之上，其特征在于:所述進(jìn)口渦旋管或出口渦旋管為由連續(xù)對(duì)稱設(shè)置的三角體組成的特殊結(jié)構(gòu)管道。
2.如權(quán)利要求1所述的一種壓電微混合器，其特征在于:所述三角體為3 5對(duì)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種壓電微混合器，其特征在于:所述進(jìn)口渦旋管或出口渦旋管的最小寬度為D2，擴(kuò)散角為Θ，所述的進(jìn)口渦旋管小端與進(jìn)口緩沖腔和所述的出口渦旋管小端與泵體泵腔分別通過(guò)半徑為r的圓角連接，從圓角的切點(diǎn)處開始設(shè)置直角三角體；所述進(jìn)口渦旋管或出口渦旋管的管邊Cf，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)I，沿Cf方向，直角三角體的長(zhǎng)直角底邊長(zhǎng)度均為L(zhǎng)2，三角體長(zhǎng)直角底邊間的距離為L(zhǎng)3，直角三角體的頂點(diǎn)同在一條線上，此直線與所述進(jìn)口渦旋管或出口渦旋管的中心線的夾角為α /2,所述進(jìn)口渦旋管或出口渦旋管的最小寬度端兩對(duì)稱三角體頂點(diǎn)距離為Dl，Dl小于等于三角體的短直角邊長(zhǎng)度，渦旋管深度為 b,相關(guān)尺寸取值范圍如下:150ym < L2 < 750 μ m, IOym < L3 < 50 μ m, 10 μ m < Dl< 50 μ m, 50 μ m < D2 < 250 μ m, 20 μ m < r < 100 μ m，1000 μ m < LI < 5000 μ m;所述潤(rùn)旋管的擴(kuò)散角1°彡θ彡10°。
4.如權(quán)利要求1所述的一種壓電微混合器，其特征在于:所述的兩個(gè)泵進(jìn)口通道與豎直方向的夾角為β/2，05< β <90、相交連通；所述的兩個(gè)泵進(jìn)口通道的直徑分別為屯，Cl25Cl1 > d2，其值與所需混合樣本的體積流量相關(guān)，所述的兩個(gè)泵進(jìn)口通道的直徑平方之比等于各自通入泵進(jìn)口通道的不同液體的體積流量之比。
5.如權(quán)利要求1所述的一種壓電微混合器，其特征在于:所述進(jìn)口緩沖腔，出口緩沖腔，進(jìn)口渦旋管，出口渦旋管以及泵體泵腔的高度均為b，d2/2 < b < d2。
6.如權(quán)利要求1所述的一種壓電微混合器，其特征在于:所述進(jìn)口緩沖腔和出口緩沖腔為圓形，直徑為2 d2，高度為b。
7.如權(quán)利要求1所述的一種壓電微混合器，其特征在于:所述基體泵腔和泵體泵腔為圓形泵腔，直徑Φ為常規(guī)取值，應(yīng)小于壓電振子的彈性基底直徑并大于壓電振子的壓電陶瓷直徑，基體泵腔和泵體泵腔的高度之和h為常規(guī)取值。
全文摘要
本發(fā)明涉及微流體泵送與混合的微機(jī)械領(lǐng)域，尤其涉及一種壓電無(wú)閥微混合器。包括兩個(gè)進(jìn)口通道，進(jìn)口緩沖腔，進(jìn)口渦旋管，泵腔，壓電振子，上基體，泵體，出口渦旋管，出口緩沖腔，出口通道。本發(fā)明結(jié)構(gòu)中兩個(gè)進(jìn)口通道在進(jìn)口緩沖腔相交匯，且其中心線夾角小于等于90度，渦旋管是利用在擴(kuò)散管內(nèi)增加三角體的辦法制成。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是在本發(fā)明中，利用兩個(gè)進(jìn)口通道的交匯使擬混合的流體在進(jìn)口緩沖腔中進(jìn)行首次混合，然后在特殊設(shè)計(jì)的渦旋管中進(jìn)行進(jìn)一步地有效混合，大幅縮短了混合所需的時(shí)間，提高了混合效率。
文檔編號(hào)B01F5/00GK103170265SQ201210559760
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者何秀華, 鄧志丹, 韋丹丹, 蔡盛川, 禚洪彩 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)