基于硅结构的微混合器研究进展与应用

　　微混合器是生物医学微机电系统(BioMEMS)的重要组成部分。随着微机电系统(MEMS)的快速发展，基于硅结构的微流体控制系统(MieroFluidieControllings邓tem，简称产Fes)由于其尺寸微小、无效体积小、功耗低、控制精度高、响应速度快、易于小型化和自动化、效率高等特点[l]，得到了科学家们的广泛青睐，并己成为MEMS研究应用中的一个重要分支。这种微型化、集成化的微流体控制系统在微量化学分析与检测(微总分析系统，拌TAS)、微量液体或气体配给、打印机喷墨阵列、Ic芯片的散热与冷却、微型部件的润滑等领域有着广阔的应用前景川。微混合器已经在国内外引起了广泛的研究兴趣。本文介绍了微混合器及其分类，综述了微混合器的国内外研究现状，对微混合器的应用作了简要说明，展望了微混合器的研究前景。

　　1微混合器及其分类

　　微米到毫米级的微混合器是一种利用现代微制造技术在硅晶片和薄塑料片上制作成千上百个微通道或者微喷嘴，使流体分成数千股细微流束并迅速混合的微型流体混合机械，它可以在极短时间内(小于1ms)实现不同流体的混合。这些微混合器一般来说都是平面结构。由于微型混合器的体积小、结构复杂且紧凑，需要一些特殊的加工方法来实现设计的要求，目前常用的加工技术主要有:硅的湿式和干式蚀刻、Liga过程、注模技术、玻璃湿式蚀刻法，另外还要采用表面切割、打磨、钻孔、冲压。以及线切割、电弧切割、激光加工等技术。微混合器的类型很多，如两股液流的混合、高速喷射混合、多股支流混入主液流的混合、多次分流和混流的混合、交叉流等，还有使用外部设备进行搅拌的微型混合反应器，这些外部搅拌设备主要有超声波、热电搅拌和磁力搅拌等。所有微混合器的分类，按其混合的动力来源来分，一般分为被动微混合器和主动微混合器两类，按其混合机理来分，一般分为层流扩散混合器和对流紊乱混合器。被动式微混合器则是通遗流体的被动流动实现迅速混合，按流体流动的方向一般有平行混合式和交叉混合式;主动式微混合器是通过外界的作用如超声波振动或动电(electrokinetic)诱导循环来实现流体的迅速混合，需要增加较大体积的动力装置和消耗较大的能量。层流扩散混合器主要是基于多层流扩散混合原理，在硅片上蚀刻成大量的平行或者垂直的微流道将流体细分，因为微流道相当狭窄，流体产生的雷诺数相当小，流束之间的彼此干扰几乎不能发生而导致零对流混合，所以其混合主要借助微流体分成大量互相交叉的子流束间的分子扩散，产生跨越薄层流束扩散的时间与流束宽度的平方成正比。当流动被分裂成大量的微米尺度的子流束时，混合过程被快速完成，这种“多层结构”技术已被广泛应用于被动式微混合器的设计;对流紊乱混合器是在分子扩散的同时流体之间还有对流，主要借助于对流来提高流体间的混乱度从而提高混合效率。由于狭窄微流道的流体的雷诺数很难得到提高，这给微流体产生对流带来困难，于是考虑在保证反应时间的同时，减少微流道数量，稍微加宽流道，并改变微流道的几何形状或者在微流道旁边设置紊乱源(例如超声波振动或电动诱导等)使流体产生对流而达到混乱混合的效果。