（机械电子工程专业论文）交叉导流式微型混沌混合器的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 现代分析仪器的一个发展趋势就是设备的微型化、集成化与便携化。微流控芯 片则主要以分析化学和分析生物化学为基础，以m e m s 加工技术为依托，以微管道 网络为结构特征，连接具有流体致动、控制以及检测等功能的元器件，是当前微全 分析系统发展的重点。微混合器是一种重要的微流控器件，不但要实现不同试剂或 试样分子级混合的功能，还应兼具结构简洁易加工，以及易于集成于微流控系统中， 操作条件易于控制，设备体积小，内在安全性能好等特点。 本论文针对微尺度混合的特点，提出了一种以玻璃湿法刻蚀加工技术为基础， 基于混沌对流混合机理的三维静态微混合器_ s o r 微混合器。通过在微管道内设 置周期交替排列的导流块，轴向的压力梯度可产生横向的速度分量，诱发混沌对流。 在流场数值仿真的基础上分析了s o r 微混合器内速度场的分布规律。利用计算可视 化和实验可视化技术相结合的研究方法，确定了最佳的结构参数，并分析了雷诺数 对混合效果的影响。同时采用与相同横截面和长度的微直管道相比较的方法，来度 量s o r 微混合器的压力损失大小。以微混合器中三维速度场作为动力系统，采用拉 格朗日跟踪法研究了$ o r 微混合器的混沌混合特征。研究结果表明：微管道内周期 交替排列的导流块，完全可以诱发混沌现象来实现微尺度条件下的层流混合。s o r 微混合器的结构简单，加工工艺与m e m s 技术兼容，而且加工材料不限制于玻璃，为 微流控系统中被动混合提供了一种新的选择。 论文的主要内容如下： 第一章，综述了微流控系统的背景以及相关知识，重点阐述了微流控系统典型 器件微混合器的分类及微尺度混合方法、加工技术以及主要研究进展，在此基 础上提出论文的主要内容。 第二章，简述了微尺度流动特征以及微流体混合的物理本质，并对流体混沌混 合过程中相关的基本概念进行了阐述。结合本课题研究的特点，提出了研究微流体 混沌混合的方法。 第三章，针对微尺度条件下，低雷诺数层流混合的特点，提出了一种以玻璃湿 法刻蚀加工技术为基础，基于混沌对流混合机理的三维静态微混合器- s 0 i t 微混合 器，论述了微混合器的结构设计原理。详细阐述了微混合器的几何结构特点以及加 工过程。 第四章，利用流场数值仿真技术直接对s o r 微混合器进行数值模拟，求解两种 物质混合时的对流扩散模型。通过对微混合器内的流场进行数值模拟，可以得到 微混合器内流场的速度矢量分布、任意空间位置上某种流体介质所占的质量百分比、 压力分布等，分析了不同流动条件对混合效果的影响，得到了最佳的几何结构参数。 第五章，利用实验可视化技术对s o r 微混合器的混合性能进行了综合分析，比 浙江大学博士学位论文 较了不同结构参数、雷诺数对混合效果的影响。由于微混合器自身的特点，我们采 用间接对比的方法对实验结果和仿真结果进行了比较，证明了我们用数值仿真方法 研究s o r 微混合器是可行的。采用重力法研究了s o r 微混合器与微直管道的压力损 失，并与数值模拟结果进行了比较。 第六章，采用周期性边界条件，获得s o r 微混合器每个混合单元内精确的速度 场分布，在此基础上利用拉格朗日跟踪技术分析流体物质线和物质面在混沌对流作 用下的变形情况，并通过计算平均线拉伸来比较雷诺数对混沌混合效果的影响，以 此来表征s o r 微混合器的混沌混合特征。 第七章，对本论文的研究工作进行了总结，给出主要的研究性结论，并对未来 的研究工作进行展望。 关键词：微流控器件；微混合器；流场可视化：流场仿真：混沌对流；平均线拉伸； 微管道 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t h el e a d i n gd e v e l o p m e n tt r e n do fm o d e ma n a l y t i c a li n s l l l n e n ti sm i n i a t u r i z a t i o n , i n t e g r a t i o na n dp o r t a b i l i t ym i e r o f l u i d i ec h i pi sp r i m l yb a s e do na n a l y t i c a lc h e m i s t r y , a n a l y t i c a lb i o c h e m i s t r y , a n ds t l p p o l t e db yt h em a n u r e - t a r i n gt e c h n o l o g yo fm e m s m i c r o c h a n n e ln e ti st h es t r u c t u r ee h a z a c t e r i s t i eo fm i c r o f l u i d i ec h i p ，w h i c hc o n n e c t s f u n c t i o n a le l e m e n t so fa c h i a l c c o n t r o l 出l dd e t 枷o l lm i c r o f l u i d i cc h i pi st h ed e v e l o p i n g f o c u so fm i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m am i c r o m i x e ri sa ni m p o r t a n tp a r to fm i e r o f l u i d i e s y s t e m , w h o s ef u n c t i o ni st or e a l i z ee f f e c t i v em 瑰t h em i c r o m i x e rs h o u l dp o s s e s s c o m p a c ts l u c t u r et ob ee a s yf a b r i c a t e da n di n t e g r a m ti n t om i e r o f l u i d i es y s t e m t h e m i e r o m i x e rs h o u l da l s ot a k eu p 鹊t i t t l es p a c ea sp o s s i b l e t h eo u t p u tf l o wr a t ea n d e o n c e n u 砸o ns h o u l db o t hb ea d j u s t a b l es ot h eo u t p u ti se x a c t l yw h a ti sd e s i r e d f i n a l l y , t h e m i c r o m i x e rs h o u l dd e m o n s t r a t eg o o di n h e r e n ts e c u r i t y an o v e lt t l r e e - d i m e n s i o n a ls t a t i cm i e r o m i x e r , c a l l e ds o rm i e r o m i x e r , i sp u tf o r w a r d w h i c hw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ee l w a a e t e r i s t i eo f m i x i n gl i q u i d so nt h em i e r o s c a l e t h e d e v i c ew i l l sf a b r i c a t e do ng l a s ss u b s t r a t e su s i n gw e t - e t c h i n gt e c h n i q u e u n d e ras t e a d ya x i a l p r e s s u r eg r a d i e n t , s t a g g e r e do r i e n t e dr i d g e sa r r a n g e dp e r i o d i c a u yi nm i c r o c h a n n e lc a n g e n e r a t el l d n s v c l s e a n dt h r e e - d i m e n s i o n a lf l o w c h a o t i ca d v e e t i o ni si n d u c e di nt h e m i c r o c h a n n d , w h i c hs t r e t c h e sa n df 0 l d sm a t e r i a li n t e r f a c ea n dp a s s i v e l ye n h a n c e sf l u i d m i x i n g t h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a n l i c l 5m e t h o d ( c f d ) w a su s e d t oa n a l y z ed i s t r i b u t i o n r u l eo fv e l o c i t yf i e l di nt h es o rr n i c r o m i x e r t h r o u g hc o m p u t a t i o na n de x p e r i m 咖 v i s u a l i 蕊o nm e t h o d s ，t h eo p t i m a ls t n l e t u r ep a r a m e t e r sh a v eb e e nf o u n da n dt h ei m p a c to f r e y n o l d sn u m b e r o i lm i x i n gp e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d t h ev a l u eo f p r e s s u r ed r o po f t h e m i c r o m i x e rw a se v a l u a t et h r o u g ht h em e t h o dw h i c hc o m p u t i n gt h er a t i oo fp r e s s u r ed r o p b e t w e e l l lt h em i e r o m i x e ra n dt h es 砌g h tm i e r o c h a n n e lw i t ht h es a m ec r o s ss t a t i o na n d l e n g t ha st h em i e r o m i x e r f i n a l l y , t h et h r e e - d i m e n s i o n a lv e l o c i t yf i e l di nt h em i e r o m i x e r w a sr e g a r d e da sn o n l i n e a rd y n a m i cs y s t e m , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fc h a o t i cm i x i n gi nt h e m i e r o m i x a r w a ss t u d i e d w i t h t a g r a n g i a n t r a c e r i r a c l d n g t e c h n i q u e s a c c o r d i n g t o t h es t y 9 s t a g g e r e do r i e n t e dr i d g e sa r r a n g e dp e r i o d i c a l l y i nm i e r o e h a n n e ls u r e l yi n d u c ec ：h a o s p h e n o m e n at oa c h i e v em i x i n gi nm i c r o s c a l e t h em i e r o m i x e rp o s s e s s e sc o m p a c ts t n l c t u l 9 a n di t sf a b r i c a t i o np r o c e s si sc o m p a t i b l ew i t ht h et e c h n o l o g yo f m e m s a tt h es a m et i m e , t h es u b s u a t em a t e r i a li sn o tl i m i tt og l a s s s oan e wc h o i c eo f g o o dp l l s s i v em i x i n gl n e t h o d w a sp r o v i d e d i nc h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n do f t h em i c r o f l u i d i es y s t e ma n dt h er e l e v a n tk n o w l e d g eo f m e m sw e r er e v i e w e d t h ed i f f e r e n tt y p e so fm i c r o m i x e r , d e s i g n i n gm e c h a n i s m s , - 3 浙江大学博士学位论文 f a b r i c a t i n gt e c h n o l o g ya n de t n r e n tr e s e a r c hp r o g r e s sw c l em a i n l yd e s c r i b e d t h em a i n r e s e a r c hs u b j e c t sw e r ep r e s e n t e d i n c h a p t e r2 ，c h a r a c t e r i s t i c s o fm i e r o s c a l ef l o wa n dt h ep h y s i c a le 蟠e n c eo f m i e r o f l u i d i em i x i n gw e r em , i e w e d , a n db a s i cc o n c e p t sa b o u tf l u i dc h a o t i cm i x i n gw e r e p r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h ep 硎c t l l a r i t yo f t t l i ss t u d y , t h em e t t h o ds t u d y i n gc h a o t i cm i x i n g i nm i e r o m i x e rw a s p u tf o r w a r d i nc h a p t e r3 ，a c c o r , 】i 1 1 9t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fl a m i n a rm i ) d i l g0 1 3 t h em i e r o s c a l e , a t h r e e - d i m e n s i o n a ls t a d em i c r o m i x e rb a s e d0 1 1 c h a o t i ca d v e e t i o n , c a l l e ds o rm i c r o m i x e r , w a sp u tf o r w a r d t h es t r u e t t 聆d e s i g nm e c h a n i s mw a se x p l a i n e di nd e t a i l t h em i e r o m i x e r w a sf a b r i c a t e do ng l a s ss u b s t r a t e su s i n gw e t - e t c h i n gt e c h n i q u e , 锄dt h ef a b r i c a t i o np r o c e s s w a sg i v e nd e t a i l e d l y i nc h a p t e r4 c f dw a su s e dt os i m u l a t el l l ef l u i df l o wi nt h es o rm i e r o m i x e r t h e s t a l l d a r dn a v i e r - s t o k e se q u a t i o nw a ss o l v e dt od e t e m a i n et h es l x e a m l i n e s , a n dt h e c o n v e c t i o n - d i f f u s i o ne q u a t i o nw a ss o l v e df o rt h ec o n c e n t r a t i o np r o f i l e s b yt h es i m u l a t i o n , t h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t y v i c t o ri nt h em i e r o m i x e r , p 飘期姆o fs o l n es p e c i e c o n c e n t r a t i o ni na n ys p a c ep o s i t i o na n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 啪b ea c h i e v e d a tt h es a l n e t i m e ，t h ei m p a c to fd i f f e r e n tf l o wf a c t o ro nm i ) d 1 1 9p e r f o n m n c ew a sa m l r t 目t , a n dl h e o p l i m a l s t l u e t u r ep a r a m e t e r sh a v eb e e nf o u n d i nc h a p l e t5 ，t h em i x i n gr , e r f o n n a n e eo ft h es o rm i e r o m i x e rw a si n v e s t i g a t e db y m e a n so ff l o wv i s u a l i z a t i o n , a n dt h em i x i n ge f f i c i e n c yh a sb e e nc o m p a r e da td i f f e r e n t s m l e t u a el a m e t e r sa n dr e y n o l d sn u m b e r s b e c a u s eo f l h es p e c i a l t i e so f t h em i c r o m i x e r , t h er e s u l t so f e x p e r i m e n ta n dc f dw e l ec o m p a r e du s i n g 趾i n d i r e c tm e t h o d i tp r o v e dt h a t 咖d y i n gt h em i e r o m i x e rb ym e a n so f c f d i sf e a s i b l e t h ep l - e * s s u r ed r o po f t h em i c r o m i x e r a n ds t r a i g h tm i e r o e h a n n e lw e r em e a s u r e d u s i n gg r a v i m e t r i em e t h o d , a n dc o m p a r e dw i t ht h e r e s u l to f c f d i nc h a p t 盯6 ，a p p l y i n gp e r i o d i cb o u n d a r yc o n d i t i o n sa tt h ei n l e ta n do u t l e to f o n ts i n g l e m i x e rs e g m e n t , v d o e i t yf i e l d sw e i ec o m p u t e da tv a r i o u sr e y n o l d sn u m b e r s t h e n , t h e d i s t o r t i o no ff l u i dl i n ea n df l u i da r e aw a ss i m u l a t e dw i t ht a 鲫g i a nt r a c e rt r a c k i n g t e c h n i q u e s t h ea l t l o u r l to fm e a nl i n e a ls l r e t e h i n gw a sc o m p u t e d , a n dt h ee t t i c i e n e yo f c h a o t i cm i x i n go f t h es o rm i c r o m i x e rw a s c o m p a r e da td i f f e r e n tr e y n o l d sn u m b e r i nc ：h a p t c r7 ，s o m es t u d yc o n t e n t si nt h i st h e s i sw e r es l m m r i z c d ，a n dp r i m a z y c o n c l u s i o n sw e r e 画v e i lt h e n , t h ef u t u r er e s e a x e hp r o p o s a l sw e r e s u g g e s t e d 1 嘶w o r d s ：m i e r o f l u i d i ec h i p , m i e r o m i x e r , f l o wv i s u a l i z a t i o n , c f d , c h a o t i cc o n v e c t i o n , m e a nl i n e a ls t r e t c h i n g , m i e r o e h a r a a e l - 4 - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：i t 】素艿签字日期：2 0 0 5 年f f 月f 牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸望盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权堂鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：灵tj 末苟 导师签名 签字日期：l o o s 年| f 月牛日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址； 电话 邮编 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 摘要：本章综述了微流控系统的相关知识，重点阐述了微流控系统典型器件微混合器的分 类、加工技术以及主要研究进展，在此基础上提出论文的主要内容 1 1m e m s 相关技术介绍 1 1 1m e m s 的发展 微机电系统( m i c r oe l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 是指可批量制作的， 集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通 信和电源等于一体的能完成特定功能的微型器件或系统。m e m s 技术是多学科交 叉的新兴领域，涉及到微电子学、自动控制、材料学、光学、流体力学、声学、 磁学以及生物医学等多种领域，是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机 械加工技术的发展而发展起来的，具有体积微小、耗能低，能进入一般机械无法 进入的微小空间进行工作，能方便地进行微细操作等优点。m e m s 不仅仅是传统 机械在尺度上的微小型化，它已远远超出了传统机械的概念和范畴，而是基于现 代科学技术，并作为整个纳米科学技术的重要组成部分【“】。 由于硅材料微制造技术的迅速发展，早在2 0 世纪7 0 年代末期斯坦福大学就 开发出硅微加工的气相色谱仪。8 0 年代初，m i d d l e h o e k 著文预示微机电系统的 出现和发展前景，他于1 9 8 9 年出版的专著，对微机电系统的研究起着重要的推 动作用。美国在1 9 8 7 年举行的i e e em i c r or o b o t sa n dt e l e o p e r a t o r s 研讨会的主 题报告标题为s m a l lm a c h i n e s ，l a r g eo p p o r t u n i t i e s ，首次提出了m e m s 一词，开 创了微机电系统研究。美国在该领域标志性的研究成就是加州大学伯克利分校用 硅片刻蚀工艺开发出静电直线和旋转微电机，引起科技界极大轰动，对微机电系 统研究产生很多的鼓舞。美国有关微机电系统的研究是由微电子技术发展而来。 在欧洲，1 9 8 9 年在荷兰特文蒂( t w e n t e ) 以m i c r om e c h a n i c s 的名称首次召开有 关微系统的研讨会。1 9 9 0 年，在柏林召开的研讨会改称为m s t ( m i c r o s y s t e m t e c h n o l o g y ) 。此后，多沿用此名称。欧洲在该领域的重要贡献是开发出扫描隧道 显微镜和原子力显微镜以及l i g a ( l i g a 是德文l i t h o g r a p i e 一光刻、 g a l v a n f o r m u n g 一电铸和a b f o r m u n g 铸塑三个词的缩写) - r 艺，它是利用x 射线 光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。由于利用l i g a 可以加 工各种金属、塑料和陶瓷等材料，而且利用该技术可以得到高深宽比的精细结构， 浙江大学博士学位论文 它的加工深度可以达到几百微米，因此l i g a 技术也是一种比较重要的m e m s 加 工技术。l i g a 技术自八十年代中期由德国开发出来以后得到了迅速发展，利用 该技术已经开发和制造了微齿轮、微马达、微加速度计等。与其它国家相比，日 本关于微机电系统的研究，在材料、制造技术和工业应用等方面都强调机械背景， 对该领域的研究采用m i c r om a c h i n e 一词，多利用传统机械加工手段，即利用大 机器制作小机器，再利用小机器制造微机器的方法，研究加工一些在特殊场合应 用的微机械装置，如微型机器人、微型手术台等；并于1 9 8 8 年正式建立微机械 研究组织p “。 我国开展m e m s 研究始于2 0 世纪8 0 年代末，在国家“八五”、“九五” 计划期间，得到了国家自然科学基金委员会、科技部、教育部、中国科学院和总 装备部的积极支持。m e m s 研究在我国已形成如下几个方向：微型惯性器件和惯 性测量组合；机械量微型传感器和致动器；微流量器件和系统；生物传感器、生 物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅微加工工艺等l 引。 1 1 2m e m s 系统的特征 顾名思义，微机电系统具有两个基本特征，即微小尺度与系统集成 9 1 。 微小尺度是微机电系统的重要特征，但并不是定量的特征。事实上，现代传 统机械有的也已达到微米甚至纳米的特征尺寸，例如，当今精密轴承和齿轮传动 的油膜厚度已经达到亚微米或纳米量级：又如一般光学显微镜以光波长为极限， 而近场光学显微镜和原子力显微镜可达到纳米尺度，都是商品化的精密仪器。对 于微小尺度的理解应当作为一种技术特征，即微型化不仅是解决微观技术问题的 有效途径，而且通过微型化能够创造出具有新功能的装置。大体上说，微系统是 微米量级的特征尺寸、毫米量级的器件尺寸。 微机电系统另一个基本特征是系统集成。在微系统的发展过程中，微电子技 术比微机械技术发展时间较早，因而也比较成熟。1 9 8 7 年人们利用表面微制造技 术首次制造出可运动的微机械构件，第二年制造出静电微电机和微执行器。由于 表面微制造技术与微电子技术之间高度兼容，将微机械与微电子集成就诞生了微 机电系统。所以，单独的微机械器件或单独的微传感器都不是完整的微机电系统。 总体上说，微机电系统表现了高性能低损耗的技术方向。由于微型化降低了 装置的体积、质量和材料损耗；采用硅材料和微电子制造技术，可以大批量生产， 同时，减少采用贵重金属或稀缺材料，从而降低生产成本；通常微机电系统使用 寿命长，不含有对生态环境有害的材料，而且废弃后容易处理，因而大幅度降低 对环境的污染。同时，微机电系统充分利用现代信息技术，而信息本身又具有无 2 浙江大学博士学位论文 质量和无尺寸的特点，微系统最适合对信息的收集、处理、传输、显示和存储， 可以进一步提高信息检测质量和存储密度，是未来信息技术不可缺少的手段。由 于微机电系统对未来人类社会发展所具有的潜在作用，因而受到世界各国政府和 科技部门的高度重视。 1 - 2 微流体系统及微全分析系统简介 当前许多发达国家己把现代科学仪器当作信息社会的源头和基础纳入未来 发展的战略重点，而分析仪器又是其中最重要的组成部分之一。面临着2 1 世纪 科技发展中提出的众多挑战，分析仪器和分析科学也正经历着深刻的变革，其中 一个日益明显的发展趋势就是化学分析设备的微型化、集成化与便携化。在当前 发展较快的微分析系统中，以1 9 9 0 年由瑞士的m a n z 和w i d m e r 首先提出的。微 全分析系统”( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，即i _ t t a s ) 和目前媒体报道较多 的“生物芯片”( b i o c h i p s ) 或称。微阵列芯片”( m i c r o a r r a y c h i p s ) 的发展势头最 为猛烈。在i _ t t a s 中，微流控芯片系统( m i c r of l u i d i cc h i p ss y s t e m s ) 也通俗地称 为“建在芯片上的实验室”( l a bo n ac h i p ) 或简称芯片实验室( l a b c h i p ) ，正处 于当前发展的前沿，也最具广阔的发展前景 1 0 j h ，其最终目的是通过化学分析设 备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备 中，实现分析实验室的“个人化”和“家用化”。 微阵列( 生物) 芯片主要以生物技术为基础，以亲和结合技术为核心，以在 芯片表面固定一系列可寻址的识别分子阵列为结构特征。它使用方便，测定快速， 但一般是一次性使用，并有很强的生物化学专用性。这类芯片在前几年发展较快， 在国外已实现深度产业化，生产技术已趋于成熟，生产生物芯片的企业数以百计。 微流控芯片则主要以分析化学和分析生物化学为基础，以微机电加工技术为 依托，以微管道网络为结构特征，连接微泵、微阀、微混合器、微储液器、微电 极、微检测元件等具有流体输送功能以及光、电检测元器件，是当前微全分析系 统发展的重点。它把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、混合，反应、 分离、检测等集成在微芯片上，且可多次使用，因此具有更广泛的适用性【10 3 1 。 图1 1 为一种典型的集成有微泵、微阀、微混合器及检测元件 目前，微流控分析芯片的大小约几个平方厘米，微管道宽度和 米和亚微米级。微流控分析芯片的加工技术起源于半导体及集 加工，但它又不同于以硅材料二维和浅深度加工为主的集成电 近来，作为微流控分析芯片基础的芯片材料和加工技术的研究 家的重视。 浙江大学博士学位论文 图1 1 一种典型的集成有微泵、微阀、微混合器及检测元件的微流控系统 微流控芯片分析系统的出现不仅可使珍贵的生物试样与试剂消耗大大降低 到微升甚至纳升级，而且使分析速度成十倍百倍地提高，费用成十倍百倍地下降， 从而为分析测试技术普及到千家万户创造了条件。微流控芯片分析系统除涉及到 大量的微j n - r 技术和芯片材料的知识外，还涉及到广泛的基础理论和应用基础知 识，例如微米通道中的混合、传质、导热、吸附及微区反应规律等。这些都对相 关的研究提出了挑战。 1 3 微流体混合技术进展 1 3 1 概述 微混合器主要用作生物化学分析( b i o c h e m i s t r ya n a l y s i s ) 仪器的微传感器以 及用于生物芯片和微量化学分析与检测系统中的不同检体、不同试剂之间的混 合；还用于药物的快速混合和微量注射；在第二代能源系统中的微燃烧器和微燃 气透平等方面，微混合器也有着广阔的应用前景；还可应用于传统的化学工程以 及生物化学的反应过程，替代现有的反应器，从而极大地提高反应速度，减小设 备体积和降低成本；在l a b - o n - a - c h i p 平台中，对于复杂的化学反应，均匀混合也 是必要的；此外，微混合器的研究也是微尺度条件下理解传递现象的基础 i s q t 。 微混合器不是以个体存在的，是要应用于微流控系统中，因此理想微混合器 应具有如下的特点：( 1 ) 混合效率高、停留时间短、能耗低。( 2 ) 设备结构简单， 易于集成，与m e m s 加工技术兼容。( 3 ) 输出流量和浓度可调，操作条件易于控 4 7 浙江大学博士学位论文 制。( 4 ) 设备体积小，内在安全性能好等特点【1 l 1 8 l 。 流体混合是将两种或多种不同的流体掺杂在一起，经搅拌( 或其他的方式) 以形成一种均匀混合物的过程。常规的流体混合过程可以从微观与宏观两个不同 的角度来理解。从宏观上看，流体混合则是由于流场的对流作用而形成的不同流 体之间相对位置的重新分布，从而导致各种流体相互混杂的过程，这一类混合的 动力均来自于外加的机械搅拌或其他的一些混合操作。微观上，混合实际上就是 不同的流体分子之间的相互混杂过程，其混合的动力主要来源于分子的布朗运 动，这一类混合称之为扩散。分子扩散始终存在，但在流体元变得足够小之前， 其比表面积的大小不足以使扩散速率成为重要因素。流体元本身的大小随着混合 的进行，因流动或再分配而逐渐减小。与此同时，不同流体元之间的浓度差也由 于分子扩散而减小，这在很大程度上是由于供扩散用的面积随流体元尺寸的减小 而增大【1 蚴】。 在微尺度条件下，不同物质组分间的扩散作用是促进混合的一个主要因素。 但理论和实验都证明，在微尺度条件下单纯依赖分子扩散作用是无法达到快速混 合的【l 耵。因此在需要快速混合的微流控系统中，必须采取某些特殊的技术和方法。 虽然微混合器的特征尺度只有几百微米，微混合过程也可以借鉴上述宏观尺度混 合的概念，亦即混合可以分为两个过程；对流和分子扩散。 许多混合问题的传统解决方法是增加过程的能量输入，通过湍流来产生有效 混合。而在微尺度下，获得湍流是非常困难的【挪5 1 。其它的常规混合方法例如利 用搅拌器，或是一些典型的静态混合器( 是由预先布置在管道中的一系列互成镜 象的结构组成) ，但由于m e m s 技术的特点，不可能加工出类似的结构；同时还要 求设计加工出的微混合器易于集成到微流控系统中，因此微混合器的设计研究必 须寻求新思路。由于微尺度本身的特点，层流混合是最可能的混合方式。 1 3 2 微混合器分类及微尺度混合方法 微混合器可分为两大类：被动微混合器( p a s s i v em i c r o m i x e r ) 和主动微混合 器( a c t i v em i c r o m i x e r ) 2 6 , 2 7 。 被动微混合器又称静态混合器( s t a t i cm i c r o m i x e r ) ，是通过流体的被动流动 实现混合的，在微混合器系统内除了驱动流体运动的动力，不需要外加的动力， 混合过程完全依赖对流和扩散作用。根据对被混合液体的排布方式，被动微混合 器可分为分层复合式、注射式( i n j e c t i o n ) 、混沌对流式( c h a o t i ca d v e c t i o n ) 、 液滴式( d r o p l e t ) 等。 主动混合器利用外来作用力产生的扰动作用促进混合，因此可以根据外加作 浙江大学博士学位论文 用的类型来进行分类，例如压力扰动式、电液式、介电泳式、动电式、磁致液动 力式、超声波式、热致式。由于主动混合器需要驱动源、外加扰动装置以及相应 的集成部件，所以主动混合器的结构通常都非常复杂，且需要繁复的加工过程。 同时，将主动混合器集成于微流控系统中亦是复杂而昂贵的。 被动混合器除了驱动流体运动的致动装置外，再不需要其他的外加的动力， 因此被动混合器相对主动混合器，是更稳定，且易于集成于复杂的微流控系统中。 1 3 2 1 被动微混合器， 被动微混合器的管道直径通常为微米量级，雷诺数较小，一般不会有涡流产 生。在被动混合器中，因为没有微驱动器驱动流体发生扰动而实现混合，所以由 流体质量浓度差异造成的分子扩散在流体的混合过程中起着重要的作用。但仅仅 依靠分子扩散作用实现流体混合会导致混合时间过长，或需要特别长的混合管 道。现有的被动微混合器主要依靠改变混合器中微型管道的几何形状等方法来增 强流体的对流、增加流体间的有效接触面积，从而缩短分子扩散距离，提高流体 的混合效率。 分层复合式微混合器( p a r a l l e ll a m i n a t i o nm i e r o m i x e r s ) ，其混合机理是减少混 合距离( m i x i n gp a t h ) ，增加不同流体间的界面面积。例如先将输入流体分成n 束， 然后再将其并行地合并成一束流体。当n = 2 时，就是最常见的t - m i x e r 或 y _ m i x e r 【n - 3 0 l ，也是结构最简单的微混合器。因为微通道相当狭窄，流体产生的 雷诺数非常小，几乎不能发生流线之间的彼此干扰而导致零对流混合，所以其混 合主要借助流体间的分子扩散作用。作为微流体系统中最基本的设计，t - m i x e r 也 是微尺度条件下研究传递现象的最理想模型。在通常的微流体系统的工作条件下 ( 雷诺数小于1 0 0 ) ，t - m i x e r 的混合完全依赖分子扩散运动，因此需要一个很长的 混合管道。但当雷诺数接近5 0 0 ( 此时平均流速接近7 4 0r l a s 1 ) 的时候，在t - m i x e r 中也可以产生二次流和漩涡，可以在不到l 毫秒的时间内达到完全混合，而且混 合管道也大大缩短( 小于6m m ) 【3 l l 还有利用结构简单的二维管道，2 0 0 1 年b i n g h 利用多个交叉微管道组成微混 合器，5 扯m 宽的微管道与流动方向相同，2 7g m 宽的微管道与流动方向成4 5 0 角 “之”字型分布，以增加流体间的有效接触面积【3 2 l 。 其他分层复合式微混合器相对比较复杂，多为三维结构，利用在水平和垂直 两个方向的分流和合并，增加微流体的有效接触面积。2 0 0 1 年g u e n to t 研制的混 合器，利用多层混合方法，将液体a f f q b 逐渐分流成1 6 份，( 2 4 8 1 6 ) ，液体 a 位于液体b 上层，成垂直分布，然后通过微孔汇合于三角形混合腔内【1 4 1 。 6 浙江大学博士学位论文 国内的研究者徐溢，通过管路的几何交叉形状设计，将液流裂分成小组分， 并以小的分流重新汇合，从而产生更大的界面区域【3 3 l 。 注射式微混合器( i n j e c t i o nm i x e r ) ，其混合机理与分层复合式微混合器相似。 它不是将所有输入流体分割，而是先将一路流体分割成许多流束，然后再将其注 入到另外一种流体中。1 9 9 3 年m i y a k e 发表了一种多层结构混合器刚，包括一个 2 2 m m 2 m m 3 3 0 p r o 的混合区，混和区的底部加工了4 0 0 个微喷嘴 ( 1 5 p m 1 5 t t m ) ，通过这些微喷嘴将一种液体注入另一种液体，形成许多微小的 羽状体( m i c r o p l u m e s ) ，这些羽状体可以大大增加两种液体之间的界面面积，促 进分子扩散作用，加快混合速度。 v o l d m a n 等人利用悬臂式被动微阀控制试剂向载体液中的注射过程，以达到 混合的目的p 5 1 。 混沌微混合器，近年来在微流动研究领域倍受重视。混沌对流可以通过混合 管道中特殊的几何结构或外部作用力来产生，因此静态微混合器大多采用三维的 几何模型来诱发混沌对流。基于混沌对流的微混合器的设计思路常常是来自于常 规的混沌混合，其基础就是改变