LIGA技术制作微反应器的研究

　　1　引言

　　微反应器是一种集成度高的微电子机械系统(MEMS)。其内部单元结构宽度的典型尺寸在微米量级,整机尺寸在厘米量级[1-2]。它包括集成的微流体系统、热交换系统、传感器、控制系统和反应界面,以完成化学反应全过程(合成、分离和分析),并进行实时的监测和控制。微反应器的最大特点就是具有非常大的表面积与体积之比,当容器尺寸从米减小到微米量级,反应容器的表面积与容积之比将增大106[3],这可以给化学反应带来良好的传热,使得剧烈的化学反应可以安全、高产率的进行。同时,由于微反应器的反应体积很小(几μl),给反应带来了内在的安全性。一些不宜运输和储存的高毒性、爆炸性的化学品,可以利用微反应器实现在线生产,降低实验的危险性。另外,微反应器还可以用于组合化学,进行材料和反应路线的选择。在精细化工和制药业中,新产品的开发需要巨大的投资,利用微反应器的小体积和并行反应,可以高效、安全和廉价地进行新的化学产品的开发。近年来,微反应器的研制正逐渐成为MEMS研究的一个热点,它在化工、制药等方面有着巨大的市场潜力和广阔的应用前景。

　　催化反应在工业上有着广泛的应用,很多重要的化工原料来自于催化反应。由于微反应器具有非常大的表面积与体积之比,利用微反应器进行催化反应有着内在的优越性,可以大大地增加反应的界面和热质传递本领,提高反应的效率。本文介绍了利用LIGA技术制造一种用于催化反应的微反应器的初步研究结果。

　　2　微反应器的设计

　　微反应器是一个复杂的微系统,其设计涉及微动力学、微摩擦学、微流体力学、微传热学、微电子学、化学等多门学科,需要对微反应器的各个集成单元以及它们之间的相互关系分别研究。本文主要讨论了提供热质传递和反应界面的微管道的设计。

　　2.1　微管道形状的设计

　　微管道的形状对其热质交换与传递有很大的影响。微管道的传质与其形状的关系较为复杂。流体在微米量级宽度的管道中流动,雷诺数很小,流体为层流状态。对一个稳定的层流和完全发展流来说,流量 可以表示为:

　　其中A为微管道截面积,Δp为微管道上的压降,η和L分别为流体的粘度和微管道的长度,CR为微管道的几何系数。对于一个截面积和流体固定的微管道来说,要增大流量,可以增大压降,减小管道长度和几何系数。压降太大是不合适的,这会给反应带来较大的压力梯度,影响反应的均匀性,也会给微管道的封装带来一定的困难。微管道需要提供反应的界面,其长度至少要满足化学反应的需要,不能太短。CR是由微管道截面的几何形状决定的^[4] 。可以表示为: