[发明专利]一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合系统

说明书

技术领域

本发明属于微混合技术领域，特别涉及一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合系统。

背景技术

近一个世纪以来，设备和系统的微型化以及功能的集成化已成为微电子技术、信息技术、生物技术、纳米技术等高科技领域的共同发展趋势之一。与宏观系统相比，微系统具有样品消耗量少、惯性小、响应速度快、反应污染物排放少等优点，已经在生命科学、生物技术及分析化学等领域受到广泛关注。微混合器是用来实现不同反应物在微尺度条件下充分混合的微器件，是各种生物、化学反应的前置级，不同反应物之间在微混合器内的充分预混合是各种物理、化学及生物反应的先决条件。因此，微混合器混合效率的高低直接影响到微生物化学反应系统的性能。

宏观尺度下的混合较易实现，如采用机械搅拌或通过提高运动流体的雷诺数使流动处于湍流区从而增加混合效果等。但微小尺度下流体混合的难点在于：微通道内的流动通常为低雷诺数的层流流动，不同流体之间的混合只能通过分子扩散来实现，往往需要较长的混合时间和较长的混合长度。

在微观尺度下，各种促进微混合方法的共性在于产生垂直于待混合流体界面的扰动。目前，已有微混合器可分为两类，即主动式微混合器和被动式微混合器。主动式微混合器需要在微混合器内部集成运动部件，具有混合效率高的优点，但是其加工工艺复杂，存在运动部件导致可靠性降低；被动式微混合器采用具有复杂几何结构的通道来形成混沌流以强化流体混合，混合效率通常比主动式混合器低，同时复杂通道结构会造成流动阻力的增大，需要较大的泵功，容易出现封装泄露问题。因此，微尺度下的流体混合尚未得到很好的解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合系统.，其特征在于：该微汽泡泵环路驱动的脉动流微混合系统由直流脉冲激励电压系统通过连接导线连接至微混合器主体的薄膜电阻微加热器两端的金属电极，供液泵系统通过流体输送管路系统与微混合器主体接通。

所述微混合器主体由上层盖板和下层基底键合而成；在上层盖板上沉积有薄膜电阻微加热器及其两端的金属电极，并且薄膜电阻微加热器位于液体a环路中的喷嘴结构正上方；在下层基底上有液体a入口和液体b入口分别通过各自的液体a流道、液体b流道汇合在一起连接主混合微通道，主混合微通道再连接混合流体出口；主混合微通道的连接通道与液体a环路上接通，液体a环路的一段形成葫芦状腔体，葫芦状腔体小端为喷嘴结构，喷嘴结构和连接通道接口之间设置气泡过滤器；在液体a环路内并排两个电极引线孔。

所述供液泵系统泵送液体a和液体b两种待混合流体；在微混合器主体内首先由所述供液泵系统通过流体输送管路系统从液体a入口完全充满液体a，继而通过液体b入口充入液体b，液体a和液体b在主混合微通道内平行流动，最终混合流体通过混合流体出口流出；

所述直流脉冲激励电压系统通过连接导线将脉冲激励电压施加在金属电极上，从而在薄膜电阻微加热器上产生脉冲热功率，在该脉冲热功率的作用下，薄膜电阻微加热器上产生液体a的蒸汽泡，该蒸汽泡的快速生长和收缩由所述直流脉冲激励电压系统控制，当输出脉冲高电平时，蒸汽泡生长；当输出零电平时，蒸汽泡收缩。从而在喷嘴结构处产生沿渐扩方向的流体泵送效应，使得所述薄膜电阻微加热器附近的受热流体在所述液体a环路内逆时针循环流动而冷却；同时，冷流体的冲刷使得蒸汽泡在所述直流脉冲激励电压系统输出零电平时能够快速收缩，使得所述喷嘴结构周围的流场受到扰动，从而在所述连接通道内形成周期性脉动流；该脉动流使得所述主混合微通道内的液体a和液体b受到垂直流动方向的扰动，从而强化混合；因此通过控制所述直流脉冲激励电压系统的电压输出频率可实现所述薄膜电阻微加热器上的液体a蒸汽泡的胀缩频率，继而控制a环路内的液体循环流速以及所述连接通道内垂直于所述主混合微通道流动方向上脉动流的频率，从而满足多种不同条件下流体混合的需要。

所述液体a环路上的汽泡过滤器用于防止所述薄膜电阻微加热器上产生的高温蒸汽泡在生长阶段进入所述连接通道。

所述薄膜电阻微加热器的有效加热区域为沿喷嘴结构渐扩方向的长条形。

所述上层盖板、下层基底材质为硅或耐热玻璃；聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯；所述薄膜电阻微加热器的材质为铂或铝；所述金属电极的材质为金。

所述液体a流道、液体b流道、主混合微通道及液体a环路的截面形状为矩形或正方形。