一 種 新 型 的 混 合 器 設 計 與 分 析

孟祥飛， 李 博， 閆亞玲

(中北大學，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051)

0 引 言

隨著微機電系統(tǒng)(Micro Electromechanic System, MEMS)的發(fā)展，微流體技術作為生物芯片的關鍵技術得到人們越來越多的關注[1-2]。在微流體系統(tǒng)中，經(jīng)常涉及到流體的擴散和混合問題，流體混合器是微流控芯片的重要組成部分，其作用是實現(xiàn)生物試樣與試劑的快速混合，可用于化學混合、基因分析、醫(yī)藥制備和篩選檢測等領域。由于微混合器件尺度小，流體的Reynolds數(shù)較小，流動呈層流狀態(tài)，所以微混合器內的混合幾乎完全依靠擴散來實現(xiàn)[3-5]。但是在實際應用中由于介質具有黏度大，擴散系數(shù)小的特征，如果僅僅依靠分子的擴散來實現(xiàn)混合,過程緩慢，因此對微流控芯片來說，在短時間內實現(xiàn)試劑的高效、快速混合成為制約微流控芯片應用于實踐的瓶頸[6-8]。

微混合器根據(jù)是否需要外加能量分為兩類：被動式微混合器和主動式微混合器。被動式混合器除了需要外加驅動流體流動的力之外，不需要外加力，混合過程穩(wěn)定，因此易于集成在復雜的微流控系統(tǒng)中[9]。Buchegger等報道了一種具有楔形入口的平行迭片式微混合器，通過將樣本溶液的入口設計在混合通道的底部，使入口的兩種流體實現(xiàn)分層來提高混合效率[10]。Miyake等人在以硅為襯底的寬窄通道底部使用了噴嘴陣列，在溝道內的樣本溶液通過噴嘴被噴出以高速度實現(xiàn)混合[11]。目前，國內人士對混合器的研究大多是在平面T型、Y型的基礎上，通過改變局部通道寬度和在道內增加障礙物的結構優(yōu)化方式以形成混沌對流來促進流體混合[12-15]。

本文介紹了一種新型的被動式混合器，在“T”字型混合器的基礎上，在兩種溶劑入口處利用空間噴嘴陣列來增加對流的接觸面積和對流擴散，溶液接觸后又通過增加彎道和改變通道寬度來加強混合。通過COMSOL物理模型和數(shù)值模擬方法優(yōu)化孔的尺寸、通道內肋高和中心環(huán)形結構的尺寸，模擬了該被動式混合器模型，為了更加直觀的顯示每一部分尺寸對混合效果的影響，分別對不同階段的結果進行了比較，并通過MEMS加工工藝對該混合器進行了制作?？紤]到流體流動的相關特性，使用層流物理場和自由四面體網(wǎng)格進行剖分。

1 數(shù)值計算

對于微流體流動，有兩個重要的參數(shù)：雷諾數(shù)(Re)和皮克列數(shù)(Pe)。Pe為Peclet數(shù)，表征了對流和擴散的相對比例，由于在微尺度下流動，流體流動主要依靠擴散來實現(xiàn)，此時Pe值較小。Re是用來表征流體流動特性的重要參數(shù)，表達式為：

Re=ρUL/μ

(1)

式中：ρ、U、μ分別為流體的密度、特征速度和動力黏度；L為器件的特征尺寸。當流體的Re低于一個臨界值時，將保持層流狀態(tài)，一般公認的管道流動的臨界值接近2 000。

在計算時假定流體為理想流體，不可壓縮且所取的每個時刻流體都處于穩(wěn)態(tài)，Navier-Stokes 流體方程為：

-·

+

(2)

(3)

式中：p為壓力；u為流體的局部速度；f為外界體積力。

流體從器件兩側流入，其中一側的濃度為c0，另外一側的濃度為0。對流擴散方程描述了擴散過程中流體的濃度分布情況，如下：

(4)

式中：D為流體的擴散系數(shù)；c為流體的濃度。通過數(shù)值計算，對于在COMSOL軟件進行仿真的流體具體參數(shù)如表1。

表1 混合器的流體仿真參數(shù)

2 模型的建立以及仿真分析

2.1 模型設計

混合器的中心結構如圖1所示，首先不同濃度的兩種流體分別從兩個入口經(jīng)過200 μm寬的溝道進入噴嘴陣列。在一次混合流體進入中間的對稱圓環(huán)之前，需要經(jīng)過兩個相隔80 μm的肋骨，矩形肋骨的尺寸為45 μm×35 μm，具體尺寸的選擇是由后面介紹的COMSOL仿真結果得到的。然后流體進入對稱圓環(huán)混合室，為了增強混合效果，分別在圓環(huán)混合室45°、135°、-45°、-135°角上面各挖去了一個肋骨以產生渦流，此肋骨尺寸為30 μm×50 μm。在圓環(huán)的中心部分，設計了一個葫蘆型的環(huán)形結構以產生渦流增強混合，該結構的尺寸也是根據(jù)不同尺寸的仿真分析最后確定的。在混合器的最后部分，設計了兩個和前面部分對稱的肋骨結構，尺寸和前面兩個尺寸相同。

圖1 混合器中心結構幾何模型 (μm)

2.2 仿真分析

為了更加直觀的分析每一部分對混合效果的影響，更加準確的優(yōu)化設計，通過對單獨部分的尺寸參數(shù)進行分析，然后最后確定混合器的尺寸。

實驗在入口處設置了平面方向相反的噴嘴陣列，噴嘴和溝道平面平行，為了減少穿過噴嘴來自相反方向的試劑直線碰撞所產生的阻力和速度的損失，采用錯開的噴嘴陣列，一方面增加了兩種試劑的接觸面積，增強了擴散過程，另一方面使穿過噴嘴陣列的試劑在混合通道內產生了更多的漩渦，混合效果增強。

圖2、3所示分別為模擬不同孔徑的濃度和壓力分布圖。圖中：右側分別為濃度和壓力大小，由仿真結果可見，在t=4 s時，流體穿過孔在混合通道內剛進行混合，由于流體是層流狀態(tài)且擴散系數(shù)比較小，并不能完成充分混合，當孔的直徑為20 μm時混合效果最理想，但考慮到小孔處所受的壓力，選取孔的直徑為10 μm。

實驗設計一對結構對稱且大小相同的肋骨結構分別在入口和出口處來產生渦流增強混合效果，肋骨尺寸的選擇因混合器應用的不同而不同。當設計需要滿足較小的輸入壓力的時候，通常將肋高設計在20 μm內，當混合質量相對來說更重要的時候，肋高一般取40～50 μm。由于該設計的混合通道尺寸為50 μm，綜合考慮輸入壓力和混合質量的要求，選取肋高尺寸為30、35、50 μm進行仿真。仿真結果如圖4、5所示。

圖2 不同孔徑的濃度分布圖

圖3 不同孔徑的壓力分布圖

圖4 當不同肋高時的濃度分布圖

圖5 不同肋高時的壓力分布圖

圖4展示了在7 s時流體穩(wěn)定狀態(tài)時的濃度圖，通過中心結構的混合，流體已經(jīng)在出口處混合的很好。圖5展示了不同肋高t=10 s時每部分壓力的對比圖，可以看出，隨著肋高高度的增加，所需要更高的入口壓力才能將流體注射進去。

圖6所示為流體在10 s時的速度分布圖，圖中右側為流體速度大小，通過上面3個參數(shù)仿真圖的對比，綜合考慮壓力和混合質量的要求，最終選擇肋骨高度為35 μm，此時入口處的壓力較小，混合質量也較高。

圖6 不同肋高時的速度分布圖

下面對混合器中心處的環(huán)形結構進行優(yōu)化，為了在保證小壓力輸入的情況下獲得較好的混合質量，將中心處空心結構的寬高比設為0.6，此時寬為150 μm，高為250 μm，結構最后采用了這個數(shù)值。仿真將寬高比分別設為0.55、0.6和1進行壓力和濃度效果的對比。

為了更直觀地對比參數(shù)不同帶來的影響，不同寬高比的空心結構的仿真結果如圖4(b)和圖5(b)，分別展示當寬高比為0.6時的濃度和壓力圖。同樣，當取寬高比為0.55時，此時寬為100 μm，高為180 μm，當寬高比為1時，寬為260 μm，高為260 μm，它們各自的濃度仿真圖如圖7所示。當輸入壓力相同時，明顯可見，寬高比越大環(huán)形處壓力越大。通過對比，綜合考慮輸入壓力和混合質量兩個因素，最后取寬高比為0.6。

3 制作方法

空間噴射式微混合器的制作采用SU-8紫外光刻技術。SU-8光刻膠對波長大于360 nm的光有很高的穿透性，保證了它可以做到垂直度較好的側壁，可以得到高深寬比的結構。SU-8不但可以制造這種混合器，同時也兼容其他微加工過程，可以很容易地與其他進程集成復雜得微流體系統(tǒng)。

圖7 不同寬高比時的濃度分布圖

制作空間噴射式混合器需要兩次光刻，第1次光刻采用非常規(guī)的曝光技術—斜曝光，制造混合器的噴嘴陣列，第2次光刻采用接觸式垂直曝光，需要加工出兩個入口、中心結構、出口。如圖8所示為斜曝光的原理簡圖，光柱按照設計要求照射到鋪滿SU-8膠的硅片，被光束照到的地方紫外固化，通過后烘顯影傾斜的柱子被保留了下來。實驗采用斜柱的傾斜角為45°，由于光線從空氣進入SU-8的折射現(xiàn)象，實驗中進行斜曝光的時候需要附加棱鏡對折射進行補償已獲得在SU-8固化后的45°傾斜角。

圖8 SU-8斜曝光原理圖

4 結 語

設計一種新型空間噴射式被動混合器，在原始T型混合器的基礎上，通過在混合室入口處添加空間噴嘴陣列，利用錯開的噴嘴，使來自相反方向的混合流體混合面積增加，擴散效果增強，又通過中心結構的肋骨和彎道產生渦流，縮短了混合時間，混合效果增強。為了降低入口處輸入壓力，使用COMSOL軟件進行流體仿真時，綜合考慮壓力和混合效果，最終確定了結構的尺寸。最后提出采用MEMS工藝加工該混合器，同時采用斜曝光和接觸式垂直曝光對結構進行加工。從仿真結果來看，濃度差為1 mmol/L的兩種流體在10 s內流經(jīng)溝道完成混合，混合效果良好，混合時間明顯縮短，實現(xiàn)了短時間內試劑的高效、快速混合。