主辅通道型微混合器的设计与制作

　　1　引　言

　　微流控芯片是MEMS研究的一个重要分支。微流控芯片通过微通道将微泵、微阀、微储液池、微混合器、微探测器等功能器件连接并集成于芯片之上,将传统生化检测过程中的分离、加样、混合、反应、检测等功能在芯片上得以实现[1]。微流控芯片可实现对从纳升到微升的流体流动的控制和驱动,可实现微量液体流量的精确控制,已广泛应用于化学分析、疾病诊断、药物筛选等许多领域[2]。

　　微混合器是微流控芯片中重要功能器件之一,在系统中起着降低待混合流体间非均匀性的重要作用。由于尺度的缩小,微通道中流体表面积与体积的比值相当的大,液体的流速和雷诺数较低,常处于一种层流的状态[3],使得微量液体的混合变得困难。人们对如何促进微通道中液体的混合做了大量的研究,诸如采用弯曲管道增加流体对流和流动的距离[4]、设置特殊沟道进行交叉分液增大接触面积[5]或在通道中制作微结构引起二次流[6-7]等方法来实现流体快速均匀的混合。这些研究主要是从拉伸流体或层流剪切以增大流体的接触面积和增加混沌效果两方面来改善液体的混合。然而小雷诺数下液体的流速很低,引起混沌对流的效果较弱,上述设计均存在所需混合管道长[8]、通道中易封入气泡和制作工艺复杂[9]等缺点。

　　为此,本文提出并设计一种可适用于低雷诺数条件下的新型微混合器结构,该混合器由双层通道构成。通过去离子水和红墨水的混合实验表明,该混合器在低雷诺数下可实现微量液体快速混合,同时还具有结构简单、制作方便、工作压降小、不易产生气泡和引起阻塞等优点。

　　2　混合器设计

　　图1是微通道中液体扩散的示意图,沿着x轴正向,y向的液体浓度梯度逐渐减小,依据Fick第一定律,两液体间的扩散通量也会越来越小,使得液体间的扩散更加困难,即通道中已经扩散的液体将会阻碍两侧未混合液体扩散的进行。

　　为此,本文提出一种新的设计思路,即针对y向液体的浓度梯度逐渐减小,两种液体扩散减弱的问题,设计了如图2所示的混合器结构,该结构由液体进样和混合两部分组成。在液体进样部分中,A、B为两种液体进样通道的入口,两进样通道的长度Lin和宽度Win分别为8 0 0μm和200μm,总深度为240μm。液体混合部分由上层主通道和下层辅通道组成,沿x正向,上层主通道宽度逐渐减小,处于主通道底部的下层辅通道宽度逐渐增加。当注入两种待混合液体后,主通道截面的连续减小促使主通道中已经混合的液体不断地涌入下层逐渐增宽的辅通道中,主通道中未混合的液体获得及时接触,这将促进主通道中组分间的分子扩散,进而增进液体的混合。设定混合器主通道入口处宽度Wm为400μm,出口处宽度wm为167μm,辅通道入口处的宽度Wa为20μm。图中Lch表示混合通道的长度,hm、ha分别表示主、辅通道的深度;wm、wa分别表示主、辅通道出口处的宽度。