[发明专利]一种压电驱动微混合器及其制作方法和控制方法

说明书

技术领域

本发明属于微流体混合技术领域，具体涉及一种压电驱动微混合器及其制作方法和控制方法。

背景技术

微混合器作为微流控系统的重要部件，用于实现不同反应物在微尺度条件下的充分混合，在微量分析化学、微化工系统、生命科学等领域应用越来越广泛，显示着良好的应用前景。

微尺度下实现微流体的快速有效混合是困难的，因为微流控系统的特征尺寸属于微米级，雷诺数较小(Re＝0.1～100)，流体保持层流状态，混合完全依赖于分子扩散作用，需要很长的距离与时间才能混合均匀。特别在处理包含大分子的试剂时，实现完全混合将变得更难。

许多研究人员通过改变流道结构或施加外部干扰等措施来打乱流场，增大流体中的湍流比例，提高微混合效率。目前根据是否需要外部能量诱发混合，微混合器通常被分为主动微混合器和被动微混合器两种。被动微混合器通常采用具有复杂几何结构的通道来形成混沌流，增强微流体间的分子扩散和对流，从而增加其有效接触面积，提高流体的混合效率。缺点：加工难度大，混合效率低，混合可控性差；主动微混合器需要外部能量诱发进行混合，包括：微搅拌、压力扰动、声波扰动、电流体动力及磁流体动力驱动等。虽然主动微混合方式具有混合效率高、混合时间短、混合可控性高等优点，但在众多的基于不同混合机理的主动混合器中，仍存在如：工作电压高、对混合液体有介电性或可极化要求、工作中发热、结构及制作工艺复杂、不易集成化等诸多问题。

经对现有技术的文献检索发现：美国专利号为：US007942568B1，专利名：基于声表面波的主动微混合器(ACTIVE MICROMIXER USING SURFACE ACOUSTIC WAVE STREAMIGN)，该专利公开了一种利用声表面波的主动式微混合器，作用声波为瑞利波，通过对位于压电基板上的交叉指型换能器施加射频激励而发生，在压电基板上传播从而导致微流道内流体声流产生。该微混合器可以混合静止液体或低Re数的层流流体。但仍存在以下缺点：整体结构复杂，除了声表面波发生装置外，仍需要注射泵驱动；体积较大，不易于集成及微小型化；制作成本较高；存在工作噪声等。美国专利号为：US20060219307A1，专利名：微混合装置和混合方法(MICROMIXER APPARATUS AND METHOD THEREFOR)，公开一种用于微流体系统的主动微混合器。该微混合器结合往复泵和流体器件可以完成至少两种流体的混合。当往复泵处于前进冲程时，微混合器利用两组脉冲流的影响进行混合。而当往复泵处于向后冲程时，微混合器利用涡流进行混合，同时两组流体也可以通过类薄片结构利用质量扩散进行混合。但存在以下缺点：对输出背压敏感；微泵无截止性；混合初期，需灌泵等调试操作；混合容量及混合模式有限；混合可控度不高等。因此，微尺度下的流体混合尚有大量问题需要解决。

发明内容

本发明的目的在于克服目前主动微混合器存在的不足，提出一种压电驱动微混合器及其制作方法和控制方法，以提高微尺度下流体的混合效果和速率，充分发挥主动式微混合器混合高效、过程可控等优势，同时具有结构和制作方法简单、成本低、体积小、易于集成化等优点。

本发明所述的压电驱动微混合器，包括PDMS基板、玻璃底板、单晶片压电振子和单向阀片，其特征在于：由一整体PDMS基板将微流体驱动单元(即：压电泵)和微混合单元(即：混合流道)集成于一体，单晶片压电振子及单向阀片同PDMS基板封装构成压电泵，玻璃底板同PDMS基板封装构成混合流道；压电振子采用不同电压、频率、不同波形及相位交错式驱动电信号予以激励，实现微流体在微混合流道内高频脉动错位式混合。

本发明所述压电驱动微混合器，由至少两组以上压电泵布置于微混合器输入端，可实现至少两种以上流体的充分混合。

本发明所述混合器基板，采用PDMS材料，结构设计及制作时，混合器基板一面设有试剂进口缓冲腔，缓冲腔长度略长于压电泵出口管长度，为PDMS模铸时留有脱模空间。

本发明所述压电泵，可采用单腔体单压电振子、单腔体双压电振子、至少两个压电振子形成的多腔体串并联等结构。

本发明所述压电泵，采用变刚度阀片设计及布置，辅以抛物面腔体结构，大幅度提高压电泵输出压力及流量。其特征在于：入口阀刚度最低，中间阀刚度最高，出口阀刚度居中。

本发明所述单向阀片，采用悬臂梁式结构，阀片形似倒“8”字，便于装配时对中定位，同时降低腔体容积变化过程中的死角容积。

本发明所述单向阀片，其变刚度设计是通过改变阀片厚度或悬臂长度来实现。