微型工藝技術(shù)中的表面特征的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請(qǐng)是國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2006/011198,國(guó)際申請(qǐng)日為2006年3月23日的 PCT國(guó)際申請(qǐng)進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段后的申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)枮?00680017580. 9,發(fā)明名稱為"微型工 藝技術(shù)中的表面特征"的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002] 相關(guān)申請(qǐng)
[0003] 本申請(qǐng)是2005年3月23日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)順序號(hào)第11/089, 440號(hào)的部分 繼續(xù)申請(qǐng)。另外，根據(jù)35U.S.C.第119(e)條，本申請(qǐng)要求以下美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)： 2005年7月8日提交的第60/697, 900號(hào)，2005年10月13日提交的第60/727, 126號(hào)，以 及2005年10月27日提交的第60/731，596號(hào)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及微通道設(shè)備，其包括具有用來改善流動(dòng)的內(nèi)表面特征（feature)的微 通道；本發(fā)明還涉及使用所述微通道結(jié)構(gòu)的方法，以及具有這些特征的設(shè)備的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0005] 近年來，在工業(yè)和學(xué)術(shù)方面對(duì)微型設(shè)備表現(xiàn)出了極大的興趣。人們之所以產(chǎn)生這 些興趣是因?yàn)槲⒓夹g(shù)包括以下的優(yōu)點(diǎn)：尺寸減小、生產(chǎn)能力提高、能按大小排列具有任意所 需能力的系統(tǒng)（即〃增加 （number up) 〃通道的數(shù)目）、提高傳熱和提高傳質(zhì)。Gavrilidis 等已提供了涉及微型反應(yīng)器（微通道設(shè)備部分）的一些成果的評(píng)論，參見《微型工藝反應(yīng)器 的技術(shù)和應(yīng)用(Technology And Applications Of Microengineered Reactors)》Trans. IchemE，第80卷，A部分，第3-30頁(yè)（2002年I月）。
[0006] 表面特征已被用于微通道內(nèi)進(jìn)行混合?，F(xiàn)有技術(shù)在微流體應(yīng)用中使用表面特征來 增強(qiáng)極低雷諾數(shù)下兩股流體流的混合。通常雷諾數(shù)的數(shù)值小于1〇〇,更常約為0.1-10。良 好的混合器定義為：離開所述微混合器的物料在橫截面上的物質(zhì)組成差異很小。另外，現(xiàn) 有技術(shù)提出：在低雷諾數(shù)下使用表面特征是特別有效的，但是隨著雷諾數(shù)增大超過10或 100,混合效率會(huì)降低。
[0007] Svasek在1996首先討論了基于使用具有凹槽或凹入角（recessed angle)的壁的 現(xiàn)有技術(shù)微混合器，其中將一系列有角度的凹槽（每個(gè)特征具有一種固定角度的斜凹槽） 置于一壁中，用來將碘藍(lán)淀粉溶液與照相定影液混合。描述了與平坦的通道相比，混合獲得 提高，目標(biāo)是通過使得流體在主通道中彎曲而進(jìn)行混合，使得主流動(dòng)通道中的兩種液體的 擴(kuò)散距離減小，擴(kuò)散可完成最終的混合。凹槽深度與通道間隙之比為〇. 25。
[0008] Johnson, Ross和Locascio在2001年12月在網(wǎng)上又描述了使用具有凹槽的表面， 他們描述了使用使用四種斜凹槽（每個(gè)特征具有一種固定的斜凹槽）來增強(qiáng)微混合器主通 道中的混合。作者描述了對(duì)于所有評(píng)價(jià)的情況，在較低流速或較低雷諾數(shù)下都改進(jìn)了混合。 他們還描述了在四個(gè)重復(fù)的同樣凹槽的區(qū)之后對(duì)斜凹槽增加不同的角度。盡管性能獲得提 高，但是隨著雷諾數(shù)的增大，混合性能會(huì)降低。凹部或凹槽的深度與通道間隙之比為2. 74。
[0009] 在2002年1月，Strook等在Science中描述了兩種凹槽通道微混合器的使用，該 具有固定的斜角凹槽和第二圖案的微混合器被稱為交錯(cuò)人字形混合器（SHM)，其中所述有 角度的特征連續(xù)六個(gè)特征后就發(fā)生變化。該工作的中心是改進(jìn)通過所述微通道的兩種低雷 諾數(shù)（小于100)物流的液體的混合。作者描述了混合長(zhǎng)度隨著皮克里特準(zhǔn)數(shù)的對(duì)數(shù)值線 性增大。所述皮克里特準(zhǔn)數(shù)定義為速度X通道間隙+擴(kuò)散系數(shù)。在較高的速度下，所需 的混合長(zhǎng)度增大，表示不利于混合。對(duì)于SHM，凹槽深度與通道間隙之比的最大值為0.6。
[0010] 同樣在2002年，Strook等在Analytical Chemistry中描述了一系列類似的具有 固定角度的斜角，用來混合雷諾數(shù)為的流體混合物，所述凹槽深度與通道間隙之比的最大 值為1. 175。該作者描述了流動(dòng)為螺旋形，這與旋轉(zhuǎn)流體物流的螺距有關(guān)。作者聲稱交錯(cuò)的 人字形混合器將會(huì)通過在低雷諾數(shù)下產(chǎn)生拉格朗日混亂而加速微流體器件中的混合。
[0011] Johnson和Locascio在2002年6月描述了 一種微混合器，其具有四種連續(xù)的傾斜 凹槽，以增強(qiáng)總體流動(dòng)通道中的混合。作者聲稱當(dāng)凹部或凹槽深度增大到高達(dá)50微米時(shí)， 通道中的液體傳遞獲得提高，而超過該深度時(shí)，則不提高。更深的深度被稱為死區(qū)區(qū)域，流 體或分子可能會(huì)被俘獲在該區(qū)域內(nèi)而不是混合。雷諾數(shù)小于1。作者還聲稱具有凹部或凹 槽的通道的軸向分散高于平坦的或無凹部的壁的軸向分散。凹槽深度與通道間隙之比為 0.32-2. 74。作者提到當(dāng)比值超過1.6時(shí)，不會(huì)有進(jìn)一步的改進(jìn)。在所有的情況下，圖表顯 示混合流體幾乎沒有進(jìn)入凹槽的內(nèi)壁。
[0012] Strook 和 Whitesides 在 2003 年在 Accounts of Chemical Research 中討論了使 用交錯(cuò)的人字形混合器，通過以規(guī)律的間隔或周期改變凹槽的取向，使主通道中的流體拉 伸和彎曲。對(duì)于雷諾數(shù)小于1的情況，使用的凹槽深度與通道間隙之比為0.44。作者聲稱 混合長(zhǎng)度與流速的對(duì)數(shù)值成正比，這是因?yàn)榻诲e(cuò)的人字形混合器（SHM)促進(jìn)了主流動(dòng)通道 中的混亂的平流。在未混合的通道中，混合長(zhǎng)度與流速成正比。作者還聲稱SHM減小了微 通道中的泊蕭葉流動(dòng)的分散。
[0013] 在 2003 年，Aubin 等在 Chemical Engineering Technology 中描述了斜向混合 器，該斜向混合器會(huì)產(chǎn)生極少的對(duì)流混合，這是因?yàn)閲@通道的邊緣產(chǎn)生了強(qiáng)的螺旋流，但 是并沒有包括通道的中央流。與之相反，SHM產(chǎn)生了極好的通道內(nèi)混合。在此研究中，凹槽 深度與通道間隙之比小于0.6。雷諾數(shù)為2。作者聲稱，發(fā)現(xiàn)在通道凹槽中流體變形（表示 流體伸展或運(yùn)動(dòng)）的程度最低，但是這可能不是用來對(duì)混合性能進(jìn)行量化的良好的度量。
[0014] Wang等在2003年7月，在J. Micromech. Microeng中公開了大量對(duì)帶具有圖案的 凹槽的微通道的研究。凹槽深度與通道間隙之比為0.1-0. 86。所用的雷諾數(shù)為0.25-5。 該圖案由一系列同樣的斜角凹槽組成，每個(gè)凹槽具有固定的角度。作者聲稱凹槽的高寬比 (aspect ratio)是混合最重要的變量，該高寬比為0. 86時(shí)要優(yōu)于高寬比為0. 1的情況。在 主通道中的流動(dòng)圖案似乎是單一的渦流。從圖中可以看出，當(dāng)雷諾數(shù)增大時(shí)，剪切速率或定 義的螺旋性的幅度更低。循環(huán)中的平均剪切或螺旋性似乎與雷諾數(shù)無關(guān)。作者聲稱對(duì)于該 種幾何結(jié)構(gòu)不存在混亂的平流。作者聲稱微通道中具有圖案的凹槽產(chǎn)生了死體積，但是較 深的特征也可改進(jìn)混合和縮短混合的通道長(zhǎng)度。據(jù)稱這些混合器可以在較低的流速（Re〈5) 下工作，這減小了壓降。
[0015] Bennett和Wiggins在2003年，在網(wǎng)上公開了 SHM的各種幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)比。具體 來說，除去了短支段（short leg)，將凹槽的深度減半和加倍。雷諾數(shù)小于0.1。發(fā)現(xiàn)除去 短支段時(shí)，使用深度加倍的凹槽比原來的SHM改進(jìn)混合；凹槽的深度減半則混合略遜于原 來的SHM。作者聲稱混合器的效果是由于溝道混合造成的，一些流體在凹槽或溝道中，在通 道內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為流體增加了額外的剪切，從而增強(qiáng)了混合。由于提出了這種機(jī)理，作者認(rèn) 為可以除去SHM的短支段而幾乎沒有影響-從而產(chǎn)生僅有一個(gè)角度的特征。作者還聲稱有 凹槽的通道的壓降小于簡(jiǎn)單的無凹槽的通道，這是因?yàn)榘疾鄣拈_口有效地發(fā)揮作用，削弱 無滑動(dòng)邊界條件。最后，作者討論了混合長(zhǎng)度隨著Pe的對(duì)數(shù)值增大的函數(shù)關(guān)系。也即混合 長(zhǎng)度隨著速度或擴(kuò)散距離的增大而增大或隨著質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)的減小而增大。
[0016] Kim等在2004年4月公開了嵌入障礙的混亂微混合器的使用，所述障礙置于主流 動(dòng)通道內(nèi)，該主流動(dòng)通道內(nèi)還具有一系列有角度的凹槽的陣列，每個(gè)特征包括一個(gè)角度。作 者聲稱特征可以在通道的頂部和底部形成