mems微混合微混合器的设计与应用

mems微混合微混合器的设计与应用

1微混合器的发展与应用

20世纪90年代以来，随着纳米和微电机系统的快速发展，人们对小型和快速过程领域进

行了大量研究。微化工技术是随之兴起的多学科交叉的科技前沿领域之一,它是集微机电

系统设计思想和化学化工基本原理于一体并移植集成电路和微传感器制造技术的一种高新

技术，涉及化学、材料、物理、化工、机械、电子、控制学等各种工程技术和学科。微化

工系统主要包括微热、微反应、微分离、微分析等。

最近的发展表明，由瑞士的Manz和Widmer提出的微全分析系统预计在未来10年内将对分

析科学乃至整个科学技术的发展起着重要的推动作用。微全分析系统的目的是实现化学分

析系统从试样处理到检测的微型化、自动化、集成化与便携化。它具备独特的优越性，如

较短的响应时间、较少的试剂和试样消耗量、易于小型化和自动化、效率高等。而微混合

器正是一种可以实现上述优越性的微器件。

对于微结构中混合行为的研究是最近几年才得到重视的，本文将对微混和器的发展现状、

研究内容及进展进行较系统的介绍和讨论。

2微型混音器的设计和加工

2.1小集成微混合器组成

微混合器的设计目标主要有：

•能耗低

•反应物消耗低

•体积小

•易于制造

•分析时间短

•效率高

­能够集成到更复杂的系统中

集成微混合器主要组成部分通常有：

・输入单元

•流体驱动单元/流体控制单元

•混合单元

•反应室

•传感器

•输出单元等

2.2高分子聚合物微管道加工工艺

微混合器一般以微管道为网络,将其它功能元器件如微泵、微阀、微电极、微检测元件、

连接器等集成起来。

到目前为止，微混合器的加工材料己经从最初的硅片发展到玻璃、石英、金属和有机高分

子聚合物等，如环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和聚二甲基硅氧烷

(PDMS)等。

硅及二氧化硅具有良好的化学惰性和热稳定性,硅单晶生产工艺成熟,在半导体和集成电路

上得到广泛应用，而且硅的微细加工技术已日趋成熟。目前的工艺水准已经能够在硅片上

使用光刻技术高精度地复制复杂的二维图像，并可以使用集成电路加工工艺进行加工及批

量化生产，而即便是复杂的三维微结构，也能够使用整体及表面微加工技术进行高精度的复

制，因此，硅及二氧化硅材料首先被用于制作微流体通道。硅材料的缺点在于易碎、成本高、

不透光、电绝缘性不够好且表面化学行为复杂。这些缺点限制了其在微流体通道中的广泛

应用。当然，由于其良好的光洁度和成熟的加工工艺，可用于加工微泵、微阀等微流体驱动

及控制元器件，此外在制作高分子聚合物微通道芯片时常用来制作相应的模具。

玻璃和石英具有良好的电渗性和优良的光学性质，且表面性质如润湿能力、表面吸附和表

面反应性等都有利于使用不同的化学方法对其进行表面改性。使用光刻和蚀刻技术可以将

微通道网络复制在玻璃或石英基片上，因此玻璃和石英材料已广泛地应用于制作微流体通

道。

高分子聚合物种类多、选择面广、易于加工成型而且价格便宜，非常适于大批量制作一次

性微通道网络。在微流体系统中常用电场力驱动液流，用光学、电化学和质谱检测器进行

分析。而不同高分子材料的物理化学性质不同，因此需要根据加工工艺、应用环境及检测

方法等诸多因素和高分子聚合物的光电、机械及化学性质，选择适用的类型。并注意娶合

物材料应具有良好的光学性质、易于加工、在所使用的环境下是惰性的、具有良好的电绝

缘性和热性能、表面要有合适的修饰改性方法等。

在硅、玻璃、石英基片上制作微结构通常采用光刻和刻蚀技术，该技术起源于制作半导体

及集成电路芯片所用IC工艺，由薄膜沉积、光刻和刻蚀三个工序组成。IC工艺有如下优

点：⑴微细化；⑵大批量生产；⑶可使用多种材料；⑷可制出电、磁、光等回路；(5)不需

单独的装配工序即能制得运动机构；（6）工艺已实现了自动化。其缺点是：小批量生产的经

济性不良，即周期长、成本高、设备投资大;制得的形状和获得的运动是准平面型的。

在高分子聚合物基片上制作微结构技术有L1GA技术、模塑法、热压法、激光烧灼法和软

光刻等。

模塑法加工微管道，首先要用光刻和刻蚀的方法制出微管道部分突出的阳模,然后在阳模上

浇注液态高分子材料,将固化后的高分子材料与阳模剥离后就得到微管道基片,接着再与盖

片进行封接。

热压法（hotembossing）是一种快速复制微管道的技术，一般由钢架、加热与冷却系统、模

具、基片平台及加压系统组成整套装置。热压法也需要先制出阳模,在加热装置中将聚合

物基片加热至软化温度,通过在阳模上施加一定压力并保持30~60s,便可在聚合物基片上压

制出与阳模凹凸互补的微管道结构。

激光烧蚀法（Laserablation）直接根据计算机CAD数据在金属、塑料、陶瓷等材料上加工

复杂的微结构,是一种非接触式的加工工具。

软光刻（Softlithography）是相对于微制造领域中占主导地位的光刻而言的微图形转移和

微细加工新方法，克服了光刻技术不能在曲面上加工微结构的缺点，而且无需昂贵的设备与

超净的实验室环境。以自组装单分子层、弹性印章和高聚物模塑技术为基础，其核心是图

形转移元件一一弹性印章,方法一般有微接触印刷法、毛细微模塑法、转移微模塑法和复

制微模塑法等。

3混合过程的控制

在宏观体系中，对于高雷诺数的低黏度流体,通常采用产生湍流的方法,利用对流效应形成

微区分散结构进行混合,而对于高黏度流体或微结构中，液流雷诺数很小使得液流很难产生

湍动，扩散效应在微结构混合过程中成为主要的控制因素。

微混合一般采用层流的混合机理。在层流条件下达到有效混合的方法有：（1）微接触,即不

互溶的两相体系如液-液或气-液两相流体在同一微通道或分别在相互接触的两个微通道内

流动,形成平行的流体层,通过相界面实现两相的微接触；（2）拉长或剪切层流，以增大流体

间的接触面积；（3）分散混和，即通过管路几何形状设计将大的液流裂分成小组分,从而产生

更大的界面区域,实现更有效的混合；（4）混沌对流，即通过增强流体界面区域的拉伸与折叠,

以产生更大的流体间接触面积,从而实现更快速的混和。

一般微混合器主要分为被动混合器与主动混合器两种。主动混合器有外加扰动源,而被动

混合器一般只需要引起流体流动的压力源即可。

3.1基于微混合器的扩散分散系统

SeekHoeWong等人报道了一种T型微混合器。作者进行了在不同进样压力下两种液体混

合效果的试验,并进行了计算机模拟。试验表明该T型微混合器的混合时间为亳秒级，且尽

管在微管道中很难产生湍流，但仍然可以通过产生二次沆、回旋流及旋涡获得快速混和。

2001年S.Bohm等人报道了一种用于高速化学反应的快速涡流式微混合器，他们设计的微混

和器通过利用涡流减小扩散距离而达到减少混合时间的目的。图1是该涡流式微混合器的

结构示意图,通过16个切线方向上的入口，液体A和B高速地(速度为m/s级)进入涡流室。

据作者介绍，由于该进样速度很高，在涡流室内产生了一个旋流场，它有效地减少了各薄层

间的距离，因此混合时间可以大幅缩短。雷诺数为200时，流速最高可达4X107um/s,混合

时间最短可达5us。

Bessoth等人与徐溢等人研究了按层流原理设计制作的交叉分液汇合式微混合器。其基本

原理为:因扩散时间与扩散距离的平方成正比，通过将液流分裂成多个薄层液流，可以缩短

液流间的扩散距离,显著降低混合时间。该微混合器的结构如图2(a)所示，图2(b)是其局

部放大图。液流A在第一层的输入管道被切分为一定数目的交流，原主管道中液流的对称

切分通过对称方式重复切分实现,这使每个分子在从头到尾流经这些支管道及整个系统时

通过的距离相同。在微混合器的另一层上,液流B也同时按上述方式被切分,为使两液流能

合并,液流B通过一系列夹层孔与第一层相通,通过这些孔液流B以完全垂直的方式与液流

A混合，即相同数目的支流重新合并为一体。此过程中每支流道中均具相同的流动阻力，相

邻流道中液流逐级合并直到所有交流合并在微温合器后的主管道上。主管道较长以使两液

流有足够长的时间扩散混合或发生反应之后再流出微芯片。为获得较好的压力稳定性，将

液流合并位置的接触面均做得很小;流道间的区域实际采用硅片与上下玻璃盖片化学键合

的夹层形式。两液流以上述方式混合时,在形式相同管道中流动,对扩散起决定作用的距离

因素由流道宽度所决定,而与管道深度无关。

作者进行的试验表明该微混合器可以有效地实现反应试剂和试样的充分混合，而微混合器

后的长管道可保证混合物化学反应的继续和完成。含微混合器结构较之于常规分析测试体

系可以大大提高分析效率:具有响应时间短、试剂和试样消耗量小、易于小型化和自动化

等优越性。

Dertinger等人报道的一种微混合器,利用微管道网络在管道中产生复杂的浓度梯度,禅度

形状有线性、抛物线和周期性曲线等。该混合器的基本构造如图3所示，它由多层管道网

络组成,每一层又由多个并列的分支蜿蜒管道组成,每一层的管道数逐级增加(从4到9个)，

最后•层的9个分支管道又汇合于一个较宽的管道。系统的基本混合方式是相邻液流的扩

散混合,而能够产生浓度梯度是利用了多层次的分流、汇流混合，即将初始浓度不同的液流

分流后再与相邻初始液流的分流汇合,此汇合液流再进行下一步的分流及与相邻液流的汇

流,如此循环往复,最后众多浓度不同的分支液流汇合,形成一个横向的浓度梯度。通过改

变管道网络的构型及初始液流的浓度和组合顺序可以获得其他的浓度梯度构型。

Stroock等人报道了一种混沌微混合器。其主要原理为由轴向压力梯度在微管道内产生横

向的液流混合,从而加速混和过程。具体方法就是在管道底部加工各种构型的凶脊，凸脊与

管道轴向成一定的夹角。凸脊对于不同流向的流体有不同的阻力。与垂直流向的液流相比,

沿与凸脊平行方向流动的液流受到的凸脊的阻力较小，由此产生液流在管道内的螺旋式流

动，见图4。改变凸脊的构型和排列方式,可以获得不同的混合效果，见图5o

骆广生等人报道了一种新的膜分散式微型混合器,采用微孔膜作为分散介质，通过制备微小

液滴和缩小混合室体系来实现液液两相的微混合。

3.2混合过程的设计

主动混合器的外加扰动源主要有以下几种：

•机械搅动

•蒸汽动力驱动

•压力扰动

・电流体动力（EHD）驱动

•磁流体动力（MHD）驱动

ZhenYANG等人报道了一种用于连续流的超声波微混合器阵列。输入、输出单元及混合室

都在玻璃上加工成形。整个流路通过硅片与玻璃片的阳极键合封装起来。在每一个混合室

的背部都粘贴有一个压电陶瓷（PZT）,图6为混合室的局部放大图，当用几十千赫的方波激

励压电陶瓷时，由于超声波的作用，混合立即发生。由大量定性与定量实验表明，对于集成

微化学分析系统或微全分析系统而言,该装置提供了一种高效、可靠且可自动控制的解决

方法。

FredericBottausci等人报道了一种三维主动微混合器。如图7所示，主混和管道内的流

体受到三对支流道内的射流扰动；支流道内的扰动由泵进行控制.混和器的混和效果通过

使用不同的流型进行评价:而不同流型的形成是通过改变支流道内扰动的频率与振幅实现

的。

PeterHuang等人报道「-一种电渗混和器。该微混和器利用动电力将两股电解液体进行迅

速而有效地混和。混合器的混和效果与提供的电场、频率及流量有关，并用在混合区域下

游测得的强度分布来表征，该文作者指出雷诺数对其并无重要的影响，同时他们还发现频

率增加会降低混合效率,但在低频时，电极的饱和与气泡的形成会影响混和效果。图8为实

验系统示意图,主流由压力驱动，交叉流由电渗力驱动。图9为一个完整周期循环内的8个

不同阶段的显微图片，主流方向由右向左，电渗混和方向上下来回。

Yi-KuenLee等人报道了两种可以混合流体和微粒的微设备。系统的设计目的是产生流线

的折叠与伸长，从而产生类混沌的混合。第一种是机械式混沌微混合器，如图10所示。它

的组成有一个主管道、两个支管道以及与之相连的压力扰动源、两个注射泵（入口）及水箱

（出口）。支管道内产生不稳定的压力降，因而对主干流施加了横向的非定常压力扰动。试

验表明，在小的扰动幅度时，流线在经过交叉区域时产生微弱的振动;随着扰动幅度的增加，

振动幅度随之增大;类混沌区域出现大扰动幅度时,流线会产生一个或数个折叠,并且会在

下游产生一个周期性变化、极端复杂的流线形状，这对混合而言非常有利。图n描述了两

种不同颜色（黑、灰）微粒间分界面的变化过程：开始阶段两种微粒互相分离，分界面是平的;

施加上压力扰动后,可以发现分界面变得非常复杂,这对于下游微粒的混合非常有利。

在第二种设备中，作者利用随时间而定的双向电泳力来产生上述折叠与伸长。图12为流动

情况示意图,在管道中间有一个腔，周期性地施加一个电场；当电场强度较小时，流线经过腔

时只产生微弱的振动；当电场强度很大时，电场效应占据主导，所有的微粒聚集在电极周围，

此时流线会产生一个或数个折叠,并且会在下游产生一个周期性变化、极端复杂的流线形

状，这对混合而言非常有利。

Bau等人报道了一种利用磁流体动力的微混合器。该混合器可以增强微全分析系统中的混

合，它由底部沉积了电极陆列的管道构成,管道内液体为电解质溶液。图13为其示意图，字

母A,B,C,D,E分别代表在管道底部沉积的电极,它们垂克于管道侧壁;将各电极交替与电源

正负极相连,就会在溶液中每两电极间产生方向不同的电流，电流密度为J,如图13中空心

箭头所示。而磁场方向在组中垂直于纸面并指向外,磁通量密度为B。磁场与电场的耦合作

用产生施加于流体的洛仑兹力（JXB）,利用它可以在电解质溶液中产生复杂的运动,Bau等

人主要进行了产生环形对流运动的研究;该运动可以拉长流体间的界线并使其产生扭曲变

形,这会加强两液体间的混合。图14为作者加工的混合器的俯视图,管道中间黑色物体为

染色剂。图15表示了由于洛仑兹力的作用，管道中间的染色线发生变形的情况：图a日于

洛仑兹力的作用，染色线产生变形;几秒钟后,改变电极极性,洛仑兹力也随之改变方向,染

色线又恢复最初的形状（图b）;随着时间变长,在此洛仑兹力的作用下,染色线产生与图a中

方向相反的变形（图c）;如此反复一段时间后,可以很明显地观察到漩涡的产生。

Deshmukh等人报道了•种使用脉动式微泵的微混合器,其基本原理为用脉冲式微泵获哥的

脉冲流可以拉长层流，以增大液体间的接触面积从而可以获得更快的混合。作者用两人脉

冲式微泵来实现上述混合过程。图16为混合器的示意图。液流1（白色）被推入混合管道内,

而液流2（黑色）只能由进口处流入。微泵由一个泡室与两个单向阀组成。当生成一个气泡

后，它相当于一个活塞将液流推出，而单向阀使得液流只能往输出方向运动。气泡破裂后，

液流停止往前流动，只能从进口处流进。通过周期性控制气泡的生成,可以得到微泵的工作

过程。气泡可以利用热生成，停止加热，蒸汽将再凝结而气泡会破裂。作者通过实验证明了

该混合器的混合效果。白色液流在被泵入混合管道时将黑色凸起向右推移；当白色液流刚

流进时,往混合管道的下半部分卷曲；随着流动的继续,两液流间的分界面逐渐扭曲变形,从

而使得接触面越变越长,混合效果越来越好,在图17中详细说明了这一过程。

3.3微混合器件设计

总的来说，目前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微

流体的分子扩散和对流,从而增加微流体的有效接触面积,提高液体的混合效率，因此一般

的被动微混合器的形状比较复杂，增加了加工的难度。而主动微混合器存在的问题主要有:

要么对混合的液体有要求，必须是可导电的或可极化的；要么要求混合器有内部可动件（如

微泵或微阀），或者有嵌入式功率电路。同时目前的微混合器大部分用于液体的混合，对于

固体的混合很难适用，这使得其应用领域受到很大的限制。

目前微加工技术制作的微管道一般呈矩形，流动阻力比圆截面微管尺寸大。内径在10mn

的圆截面玻璃微管道具有流动阻力小及管壁光滑的优点，目前还未发现国内外成功制造出

内径在60inn以下的圆截面玻璃微管道。主要技术障碍是如何在得到微小内径和较好强度

的同时保证微管道与外部连接方便可靠。

现在对微混合器的研究绝大部分是国外学者进行的，国内对•微混合器的研究刚刚起步，目前

仅见有徐溢等人和骆广生等人的报道。笔者所在的研究室目前正在进行微化学分析仪的研

究,其中也涉及到微混合器。受显微注射针的加工工艺启发,笔者所在研究室己经开发出一

套完整的、完全不同于传统微细加工方法的微管道拉制仪及拉制工艺，图