[发明专利]基于压电式合成射流技术的微流体混合器及其混合方法

说明书

本发明公开了一种基于压电式合成射流技术的微流体混合器及其混合方法。该混合器从下到上依次包括基板、盖板、压电振子三部分；基板依次设有进样口、混合通道、出样口；混合通道两侧分别设有合成射流激励器；合成射流激励器包括合成射流腔体和合成射流喷口，合成射流喷口和混合通道相连，合成射流腔体由基板的凹槽、盖板的通孔和压电振子组成。当向压电振子施加交流电压时，压电振子的伸缩将带动混合通道两侧腔体体积出现周期性变化，从而在合成射流喷口处交替形成吹、吸射流。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、加工性好、强化混合效果好、可调节能力强、易于集成等显著优势。

技术领域

本发明涉及微流体化学分析技术领域，具体地，涉及一种基于压电式合成射流技术的微流体混合器及其混合方法。

背景技术

在化学、生物领域，两种流体的混合是常见的传质过程。由于传统的宏观混合设备存在混合效率低、试剂消耗量大、安装体积大等诸多缺陷，越来越多的技术人员开始研究微小尺度下的快速混合技术。目前，微混合技术及其设备已经成为微流体分析领域的研究热点。微混合系统可以被定义为处理微升量级的微机电系统，其具有如下优点：①安装空间小；②能量消耗少；③比表面积大；④试剂用量少；⑤可控性好，安全性高。

对于微流体混合系统，由于尺度较小、流速较低，因此流体雷诺数较低，流体的运动状态为层流。于是，在微尺度下，为实现试剂间快速、有效的混合，微型混合器的设计应当设法增大两种流体间的接触面积。

为了实现较好的混合效果，现有的技术大多采用增加被动式扰流元件的方式改变流动结构、增大流体接触面积。CN2650109Y公开了一种三维交叉导流式微型混合器，其核心部件是加工有周期性交叉排列的导流块，通过在流场内产生剪切流和延伸流，增加不同流体间的界面面积以实现传质过程的强化。然而，该结构较为复杂，对加工工艺的要求比较高，并且存在压降较大的问题。

理想情况下，微流体混合器除混合效率高外，还应当具备混合效果可实时调节这一特征。传统技术大多采用改变试剂流量的方式调节混合效果，该方法虽然可行，但是对驱动流体运动的微泵的性能有较高的要求。CN109772222A公开了一种搭载压电式合成射流激励器的气体混合器。在该专利申请中，合成射流配合微阀技术，形成了高集成度微泵系统，可高效地泵送样品并具有实时可控的特点，然而，该专利申请的样品混合部分仍采用了被动设计，混合效率较低。专利申请CN103638852A公开了一种基于压电式合成射流的微混合器，该混合器将压电式合成射流激励器布置在混合通道下方，并且合成射流激励器的喷口位于混合通道下壁面的正中间。采用该方案虽然在一定程度上可以增强样品的混合效果，但是该方案存在两个缺陷：①多层堆叠结构在制造时需要用到多次刻蚀，这极大地增大了系统的复杂度和制造成本；②喷口位于混合通道上壁面的正中间，合成射流喷射形成的旋涡向左右两侧对称卷吸，卷吸区域的对称分布特性恰好与样品的对称分布一致，因此合成射流形成的纵向涡并没有直接促进两种的输入样品的对流掺混，混合增强效果较差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种基于压电式合成射流技术的微流体混合器及其混合方法，本发明结构简单、设计合理，具有集成性好、混合效率高、可实时调节混合效果等显著优势。

一种基于压电式合成射流技术的微流体混合器，从下到上依次包括基板、盖板、压电振子三部分；基板依次设有进样口、混合通道、出样口；混合通道两侧分别设有合成射流激励器；合成射流激励器包括合成射流腔体和合成射流喷口，合成射流喷口和混合通道相连，合成射流腔体由基板的凹槽、盖板的通孔和压电振子组成。

所述的压电振子包括下层的激振片和上层的压电片，激振片密封覆盖在盖板的通孔上，对称设置的两个压电振子的振幅和频率相等相位相反。

所述的进样口为一个或者多个，多个时相对于混合通道对称或者非对称设置。

所述的进样口和混合通道之间进一步设有进样通道。

所述的合成射流喷口的竖直深度不超过混合通道竖直深度的一半。