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SOR微型混合器的設計及實驗研究

微流體系統是微電子機械系統( micro electr o- 控制、微量化學分析、微量醫學注射和分析等[ 1] . 微 mechanical sy stem, MEM S) 的一個重要分支, 微流 化學分析系統的功能一般包括取樣、預處理、混合、體系統可以簡單定義為驅動和控制從微升到納升範 化學反應、分離、後處理和識别等. 微混合器是實現圍的流體的微系統, 可實現氣體和液體流量的精确 不同試劑或試樣分子級混合的微流控器件, 混合處
理的目的是降低非均勻性. 微混合器根據其工作原理的不同, 可分為靜态混合器和動态混合器.
 
微尺度下實現混合是困難的, 因為它的特征尺寸一般小于 1 m m, 屬于小雷諾數流動, 所以在沒有外加擾動的情況下, 流體保持層流狀态. 目前國内外研究的靜、動态微混合器, 主要是利用增強分子擴散作用的原理, 通過流道的結構設計、外加機械的或其他方式的擾動以加強對流作用, 增加不同液體之間的接觸面積, 減小流體微元的體積, 實現分子級混合. 現有的微混合器, 由于加工工藝的限制, 多數是平面結構[ 2] , 這樣的微混合器占用空間大, 效率較低; 其他的還有采用複雜的加工工藝[ 3, 4] , 這樣的結構不僅占用空間大, 而且加工工藝複雜, 難于集成,成本也較高, 因此本文提出一種采用标準的玻璃濕法刻蝕微加工工藝的靜态混合器, 由于其結構簡單,可以很容易地集成于微化學分析系統中.
 
1 微混合器結構設計與加工工藝
 
本文論述的微混合器屬于靜态混合器. 靜态混合器不需要運動部件, 是利用液體流過混合單元時産生的自然運動來完成混合. 相對于動态混合器, 靜态混合器的結構簡單、體積小, 更易于集成. 微混合器選用玻璃作為加工材料, 主要原因是基于玻璃優良的光學和化學處理特性.
 
根據層流混合理論, 産生混合的主要原因是由于對流作用而形成的不同流體之間相對位置的重新分布, 從而導緻各種流體相互混雜的過程, 這是一個機械過程, 由混合器内流場的流動特性決定, 同時在分子尺度, 分子的布朗運動而産生擴散作用, 驅動流體分子從濃度高處向濃度低處擴散, 促使流體達到分子級均勻混合. 分子擴散作用依賴于物質的熱物理特性, 也即混合可以分為 2 個過程: 機械攪拌和分子擴散. 機械攪拌加強混合, 在于可增加不同試樣之間的接觸面積, 從而減少分子擴散距離. 根據分子擴
 
散的菲克定律, 擴散長度與特征尺寸 Dt 成正比, D 為分子擴散系數, 與含有物質及流體的性質、溫度與壓強有關, 其量級一般為 10- 5 cm2 / s, t 為在微管道内的停留時間, 可見即使微管道的特征尺寸為幾十微米, 完全混合所需要的擴散時間也是很可觀的, 層流剪切流、延伸流、分布混合是層流狀态下産生機械攪拌作用的主要因素[ 5] .
 
為減小擴散混合長度, 可以采用誘發橫向速度分量的方式來實現機械攪拌的作用, 即在管道的橫截面方向對流體元産生拉伸和折疊, 縮短不同試樣
 

液面間的距離, 從而減少分子擴散距離. 基于上述機理, 本文設計的三維交叉導流式( stagg ered o riented ridges, SOR) 微靜态混合器, 通過在管道内設置周期交替排列的導流塊, 軸向的壓力梯度可産生橫向的速度分量, 使流場内誘發強剪切流, 并産生分布混合, 同時增加了不同流體間的界面面積, **終實現分子級的均勻混合.
 
SOR 微混合器的整體結構示意圖如圖 1( a) 所
 
示 , 其幾何結構是三維的, 包括相交于一個 Y 型接口的輸入通道、由多個混合單元組成的混合通道、輸出通道、以及輸入、輸出外接口, 其中# 1、# 5、# 8 是指第 1、5、8 個混合單元. 圖 1( b) 中所示的微結構組成一個混合單元, 由微管道與 4 個如圖所示的導流塊 R1 、R2 、R 3 、R4 組成. 其中 R1 與 R4 在上層平面内, R2 與 R 3 在下層平面内, 導流塊與微管道側壁面的夾角為 H. R1 與 R 2 的相切面和 R3 與 R4 的相切面, 偏離微管道的中心線, 如圖 1( c) 中陰影面所
 
示 . 若混合通道的寬度為 b, R1 與 R2 相切面的中心線與較近管道側壁的距離為 s1 , 定義: D= s1 / 6, 則 D 在 0~ 0. 5 範圍内, 這種結構可稱之為 SOR- Ⅰ微混合器.
 
通過流場仿真和混合性能的可視化實驗, 對 SOR- Ⅰ微混合器的結構進行了改進, 在圖 1( b) 中
 
所示的每個混合單元中, 将 R3 置于上層平面, R4 置于下層平面, 就形成了如圖 2 所示的一個混合單元
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 1  SOR- Ⅰ微型混合器的結構示意圖
 
F ig . 1 Schematic of SO R- Ⅰ micr omix er
 

 
 
 
 
 
 
 
 
圖 2  SOR- Ⅱ微混合器混合單元的三維結構示意圖
 
Fig . 2 Schematic o f t hr ee- dimensional g eometr y of o ne mix ing seg ment in SO R- Ⅱ micr omix er
 
的結構, 這種微混合器稱之為 SOR- II 微混合器, 其整體結構與圖 1( a) 中完全相同.
 
SOR 微混合器的加工采用标準的光刻及玻璃濕法刻蝕加工工藝, 首先将 2 塊玻璃同時進行以化學濕法刻蝕工藝為基礎的平面加工, 然後将 2 片玻璃鍵合在一起, 形成封閉的三維管道, 其中一片玻璃上刻蝕輸入通道、上部混合腔和輸出通道, 同時加工輸入接口及輸出接口; 另外一片玻璃上刻蝕下部混合腔, 就形成如圖 1( a) 中所示的結構.
 
2 微混合器流場仿真
 
流場仿真是檢驗微混合器結構設計的有效方法之一, 通過對流場的分析可揭示混合管道内的流動規律. 流場仿真隻針對一個混合單元, 選擇三維層流模型. 通過仿真計算, 獲得一個混合單元内不同位置處的 x- z 平面流速場分布, 若在一個混合單元内
y 坐标範圍為[ 0, 0. 76] , 選取 4 個橫截面 y = 0. 55、
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 3  微型混合器一混合單元内不同橫截面處的流速分布
 
F ig . 3 Velocit y in cr oss section of micro mix ers. s mix-ing segment
 
y = 0. 49、y = 0. 20、y= 0. 14 分析微混合器内速度場特征, 如圖 3 所示. 當流體進入混合腔後, 由于上下導流塊的作用, 一部分流體要繞過上層的導流塊 R1 , 另一部分流體也要繞過下層導流塊 R2 , 由于導流塊的存在, 産生橫向的速度分量, 産生剪切流; 圖 3( a) 、(b) 的Ⅱ中, 為上下層導流塊相切處, 上層流體的流動方向與下層流體的流動方向不同, 可産生分布混合, 且此時形成的橫向速度分量**大. 對照圖 3 中的結果, 可以認為 D= 0. 5 的 SOR- I 微混合器, 在 x-z 平面前半個單元和後半個單元内相對應的流場是對稱的, 此時的混合效果應是**差的, 因為後半個混合單元對于前半個混合單元産生的機械攪拌作用是逆轉、恢複; 當 DX 0. 5 時, 在 x-z 平面内, 導流塊 R1 與 R2 誘發的流場與下遊導流塊R 3 與R4 誘發的流場不對稱, 在一定程度上破壞了逆轉. 然而對于 SOR- Ⅱ微混合器, 後半個混合單元對于前半個混合單元産生的機械攪拌作用是同方向的加強, 當 DX 0. 5 時, 可以破壞流場運動的規律性. 根據流場仿真可以推斷 SOR- Ⅱ微混合器的 混合性能要好于
 
SOR- Ⅰ微混合器.
 
3 微混合器的性能實驗
 
微混合器的混合性能檢測有 2 個基本要求: 在線和對流場無幹擾, 因此本文采用流場可視化技術進行分析. 在微尺度條件下, 多采用觀察染色劑或酸堿指示劑在流過混合器時的顔色或強度變化的方式來評價其性能. 本文通過羅丹明溶液與去離子水的混合實驗直觀地檢測微混合器的性能. 微混合器通過矽膠管與雙通道微量注射泵連接, 泵的流量可精确調節, 當泵的流量小于 2 mL/ h 時, 輸出精度降低, 此時采用重力法提供壓力, 當水槽高于微混合器芯片 5 cm 時, 可提供約 0. 7 mL/ h 的流量. 顯微鏡的物鏡作為放大裝置, 電子目鏡代替顯微鏡的目鏡,可以直接獲取圖像, 然後通過 USB 接口将圖像輸入計算機. 微混合器置于顯微鏡的 XY 移動尺上, 利用夾具固定, 旋轉移動尺的旋鈕, 就可以拍攝微混合器内不同位置的圖像. 在試驗中雙通道注射泵的 2 路輸入的流量相同, 其中一路輸入紅色的羅丹明水溶液, 另外一路輸入去離子水. 圖 4、5 為 SOR- Ⅰ和 SOR- Ⅱ微混合器在流量為 10、40 m L/ h 時得到的在第 1、5、8 個混合單元的混合效果圖. 從圖 5 中可看出, 當流量比較高( 40 m L/ h) 時, 有新的條紋狀流束産生, 如虛線箭頭所示, 表明發生了分布混合, 同時條紋狀流束随縱向的流動逐漸變形, 流量比較高
 



時 2 種混合器的混合性能幾乎相同. 從圖 4 中可看出, 當流量比較低( 10 mL/ h) 時, 沒有條紋産生, SOR- Ⅱ微混合器的性能要明顯好于 SOR- Ⅰ微混合器的性能.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 4 qv = 10 mL/ h, SOR 微型混合器在不同混合單元混合效果圖
 
Fig. 4 Photog r aphs of m ix ing at q v = 10 mL/ h in differ ent seg ments of m icromixer s
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 5   qv = 40 mL/ h, SOR 微型混合器在不同混合
 
單元混合效果圖
 
F ig . 5 Phot og raphs of mix ing at q v = 40 mL/ h in different segments o f micro mix ers
 
4 試驗結果與分析
 
4. 1 結構參數的選擇
 
影響微混合器性能的主要參數包括: 混合單元
 
的數目 N 、導流塊與微管道側壁面的 H夾角及參數 D. 取值如下: 1) N = 11, 混合單元數 N 越多, 混合效果越好, 但會相應增大壓力損失, 要根據實際情況确
 


定 N , 本文論述的性能實驗中 2 種混合器的混合單元數都為 11 個, 實際混合管道的長度 L = 8. 5 mm; 2) H= 45b, 實驗證明 H在40b~ 50b範圍内混合效果較好; 3) D= 0. 41, 對于 D值, 受所采用的加工工藝的影響, D值的範圍在 0. 4~ 0. 5 之間, 在此範圍内 D值越小, 混合性能越好.
 
4. 2 流量對微混合器性能的影響
 
由于結構特征尺寸為微米級, 因此微混合器的雷諾數很小, 這也是微流控器件所具備的普遍特征.對于采用玻璃濕法刻蝕工藝得到的微管道, 可以假設橫截面為長方形. 非圓截面的管道其雷諾數 Re 可用下式計算: R e= ude / v, 其中 de 為通流截面的當量直徑, de = 4A/ X , A 為液流的有效截面積, X 為濕周, 即有效截面的周界長度, u 為平均流速, v 為流體的動力黏度. 當微混合器流量為 10 m L/ h 時, 混合區入口處的平均流速約為 167 mm/ s, 若以水的動力黏度計算, 此時雷諾數約為 12. 3, **終實驗表明,混合均勻程度與雷諾數有關.
 
為了定量評價微混合器的性能與雷諾數( 流量)的關系, 可以通過計算微混合器出口處圖像灰度分布值的标準差方法來進行分析, 标準差的計算如下:
 
    1 NM    
R=   E [ A nm  - AÇ] 2 . ( 1)
 
  NM n= 1 , m= 1  
 
式中: AÇ 為 A nm 的平均值. A nm 為圖像灰度值歸一化處理後得到的值, 0 [ A nm [ 1, 其計算公式為 A nm =
( I nm - I min ) / ( I max - Imin ) , 其中 I nm 為原始的圖像灰度值, 0 [ I nm [ 255. 在歸一化處理中, I min 與 Imax 為相應的試驗中微混合器入口處去離子水與羅丹明染料得到的灰度值. 根據公式( 1) 可知, 若羅丹明染料與水完全混合, 則可得到 R= 0; 若完全未混合時, 則
 
R= 0. 5.
 
圖 6 為 2 種微混合器出口處圖像灰度值的标
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 6 微型混合器及微管道出口處圖像灰度值的标準差- 雷諾數曲線
 
F ig. 6 Standar d deviatio ns o f g ray scale distr ibution in micromixer s fo r v ario us Rey no lds num-ber s
 
準差與雷諾數的關系曲線. 對于 SOR- Ⅰ微混合器,随着雷諾數的增加, R值減小, 即随着的流量增大,混合效果越好, 流速的增大使産生的橫向速度分量也越大, 同時機械攪拌作用就增強. 對于 SOR- Ⅱ微混合器, 當 R e 12 時, R值随雷諾數的增大而減小,即混合性能越來越好, 機理與 SOR- Ⅰ微混合器的相同; 當R e< 12 時, R值随雷諾數的減小而減小, 此時分子擴散作用逐漸增強, 混合器性能也越好. 這 2 種混合器混合性能的差異, 在于每個混合單元中導流塊位置的差異, 與流場仿真分析得到的結果相同.
 
5 結 語
 
本文提出一種靜态微混合器, 它利用液體流過混合單元時産生的自然運動來達到混合的目的. 以玻璃作為加工材料, 采用标準的光刻及化學濕法刻蝕加工工藝, 具有結構簡單、加工方便、易集成等優點, 可在微化學分析系統中用作預處理或直接作為微反應器. 本文以仿真和試驗結合的方法, 分析了微混合器内流場的運動規律以及結構參數、流量與混合性能之間的關系, 并對微混合器的結構進行了優化.
 
( 1) 每個混合單元由 2 組位于不用平面的導流塊及微管道組成, 導流塊的分布位置是影響微混合器性能的關鍵因素. 仿真和實驗都證明 SOR- Ⅱ微混合器的混合性能要好于 SOR- Ⅰ微混合器.
 
( 2) 雷諾數( 流量) 是影響微混合器性能的一個主要因素, 2 種微混合器都是通過微通道内設置的導流塊誘發的橫向速度分量來達到增強機械攪拌的

作用, 流量越大, 産生的橫向速度分量就越大; 但由于結構的不同, 雷諾數對 SOR- Ⅰ和 SOR- Ⅱ混合器混合性能的影響有明顯不同. 雷諾數在 0. 8~ 75 範圍内, 對于 SOR- Ⅰ混合器, 雷諾數越大, 混合的效果就越好, 而對于 SOR- Ⅱ混合器, 當 Re 12 時, 随雷諾數的增大混合性能越好, 當 Re< 12 時, 混合器性能随雷諾數的減小而變好.
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