基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種具有微小單元反應室的基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片。新型微流體反應芯片將聚焦聲表面波產生的振動擾動作用于泵入反應芯片的混合液體，同時混合液體被泵入的氣體隔開，形成微小單元反應室，在微小單元反應室內的液體比較少，并且受到聚焦聲表面波產生的振動擾動的集中作用，不僅能夠大幅度地提高液體的混合效率，而且通過觀察微小單元反應室內混合溶液的情況對其進行有效的控制。
【專利說明】
基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片
技術領域
[0001]本發明屬于微流體反應芯片技術領域，特別涉及一種具有惰性氣體反應室的基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片。
【背景技術】
[0002]利用壓電栗具有結構簡單、易于構造、性能穩定、無電磁干擾、易于實現流量精確控制等優點，在微精密機械、精密器件微制造、超精密加工等領域得到日益廣泛應用。利用聚焦聲表面波(FSAW)具有能夠使能量集中在焦點處進而加快焦點處區域的化學反應速度的特點及優點，在微流體驅動、細胞和粒子操控等領域有著廣泛的應用。
[0003]近幾年來，微流體反應芯片是MEMS領域發展起來的新型合成反應技術，由于其可在較小體積下完成合成，試劑用量小、反應效率高、制備效果好，受到人們的廣泛關注。目前已有很多研究團隊致力于微流體反應技術方面的研究。
[0004]微流體反應芯片按混合方式可分為主動式微反應器和被動式微反應器，其中被動式微流體反應芯片通過復雜的結構設計來增加流體間的接觸面積從而達到有效的混合，包括蛇形、螺旋型、蜿蜒型等，一般需要在流道中加設溝槽、彎角等二維或者三維結構來強化混合效果，存在流道復雜、混合時間長，反應不可控等問題;主動式微流體反應芯片是通過各種不同形式的驅動源給予流場一種外部能量或力，來增大分子間的擴散速度從而達到有效混合。一部分國內外科研人員已經開始研究主動式微反應芯片，在專利號為20的《一種壓電式自動反應芯片》的發明專利中，吉林大學劉國君等人首次提出了一種雙主動擾動的微流體反應芯片，將脈動輸入與振動擾動分別作用于混合和反應過程，解決了之前的壓電式微流體反應器只能實現脈動混合。在一定程度上提高了溶液合成速率，但由于其微混合流道和振動混合池內流體分子較多導致合成效率低，其他主動形式的微流體反應器也存在著類似的缺陷。本發明提出了一種具有惰性氣體反應室的基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片，將惰性氣體脈動輸入和聚焦聲表面波產生的振動擾動分別作用于混合和反應過程，使得微流道內流體被惰性氣體隔開，在微小惰性氣體反應室內受到聚焦聲表面波產生的振動擾動的集中作用，打破了傳統微流體反應芯片在流道內直接完成化學反應的思維，是一種高效率的新型微流體反應芯片。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于提供一種具有惰性氣體反應室的基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片，以解決現有的微流體反應器由于其微混合流道和振動混合池內溶液分子較多導致合成效率低、反應不完全的問題。
[0006]本發明提出的一種具有惰性氣體反應室的基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片包括有壓電基底、叉指換能器和微混合反應基片。微混合反應基片內集成有壓電微栗、芯片入口、芯片出口和微混合流道，壓電微栗的內腔與芯片入口連通，并且壓電微栗的內腔通過微混合流道與芯片出口連通。所述的聚焦叉指換能器的聚焦中心處于微混合流道中，兩種混合液體在混合流道中有惰性氣體隔開形成微小混合單元。
[0007]微混合反應基片為]3DMS材料制成的基片。利用精雕機雕刻微混合反應基片的豐旲具，利用模具灌注出PDMS基片，將PDMS基片鍵合在壓電基底的表面。
[0008]壓電基片為人造石英或鈮酸鋰或鉭酸鋰或鍺酸鉍單晶材料。
[0009]叉指型換能器是利用光刻技術在潔凈的壓電基底表面繪制一層帶有叉指換能器圖案的光刻膠，采用濺射+剝離的工藝在壓電基底表面制作。
[0010]微混合流道的結構形式為星形。
[0011]叉指型換能器產生的聚焦聲表面波集中作用在星形微混合流道中心或者微混合流道中間回環式結構中心處。
[0012]本發明的工作原理:
[0013]本發明利用三個壓電微栗作為驅動源，其中壓電微栗A為微混合器脈動注入A溶液，壓電微栗B為微混合器脈動注入B溶液，壓電微栗C為微混合器脈動注入惰性氣體。微流體混合器由三個壓電微栗按A-B-C-A-B-C順序循環工作。這樣，在微混合流道內就會形成:惰性氣體-AB混合溶液-惰性氣體的脈沖式分層。AB混合溶液被不參加反應的惰性氣體隔斷，形成一個個微小反應室，從而使溶液在惰性氣體室內可以實現高效率混合。
[0014]叉指型換能器是根據逆壓電效應，將信號發生器的輸出信號的+/-兩極分別與叉指換能器的兩極相連，然后輸出連續的正弦信號，環形的叉指換能器產生聚焦聲表面波作用于中心焦點區域，對中心焦點區域的微小單元反應室內混合流體產生集中機械振動，使微小的混合流體在集中機械振動條件下高效率混合。
[0015]具體的作用方式如下所述:
[0016]方式一:如圖3所示，類型一微混合流道為三相星型，聚焦聲表面波集中作用處為微流道混合交匯中心。其對應的叉指型換能器是由兩個1/4圓形對稱分布，調節控制器使微混合流道內惰性氣體室每隔一定的時間進行下一個動作。這樣氣體室可以在混合中心處停留一定的時間進行化學反應。
[0017]方式二:如圖4所示，類型二微混合流道中間為回環式結構，聚焦聲表面波集中作用處為回環式結構中心。其對應叉指型換能器是由兩個扇形對稱分布，調節控制器使微混合流道內惰性氣體室每隔一定的時間進行下一個動作。這樣氣體室可以在回環式結構中心處停留一定的時間進行化學反應。
[0018]本發明的有益效果:
[0019]本發明提出的一種具有惰性氣體反應室的基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片，將惰性氣體脈動輸入和聚焦聲表面波產生的振動擾動分別作用于混合和反應過程，使得微流道內流體被惰性氣體隔開，在微小惰性氣體反應室內的流體分子量比較少并且受到聚焦聲表面波產生的振動擾動的集中作用，不僅會大幅度提高混合效率，而且通過觀察氣體室內混合溶液情況更加容易控制反應進行。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明所述的類型一微混合流道的整體結構示意圖。
[0021]圖2為本發明所述的類型一微混合流道的分解結構示意圖。
[0022]圖3為本發明所述的類型二微混合流道的整體結構示意圖。
[0023]圖4為本發明所述的類型二微混合流道的分解結構示意圖。
[0024]圖5為本發明所述的微混合流道的截面剖視圖。
[0025]1、壓電基底2、叉指換能器3、微流道系統4、壓電微栗
[0026]5、流體流入通道6、流道交匯處7、流體出口 8、流體進口
[0027]9、微混合流道10、壓電振子11、閥片12、閥體
[0028]13、回環流道
【具體實施方式】
[0029]請參閱圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示:
[0030]本發明提供的一種具有惰性氣體反應室的基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片包括有壓電基底1、叉指換能器2和微流道系統3。微流道系統3內集成有壓電微栗
4、流體出口 7、流體進口 8和微混合流道9，壓電微栗4的內腔與流體進口 8連通，并且壓電微栗4的內腔通過微混合流道9與流體出口 8連通。
[0031 ] 壓電基片I為人造石英或鈮酸鋰或鉭酸鋰或鍺酸鉍單晶材料。
[0032]叉指型換能器2是利用光刻技術在潔凈的壓電基底表面繪制一層帶有叉指換能器圖案的光刻膠，采用濺射+剝離的工藝在壓電基底表面制作。
[0033]微流道系統3是PDMS材料制成。利用精雕機雕刻微流道系統的模具，利用模具灌注出PDMS基片，將PDMS基片鍵合在壓電基底I的表面。
[0034]叉指型換能器2產生的輻射力與流道垂直并且集中作用在其焦點中心
[0035]本發明的工作原理:
[0036]本發明利用壓電微栗6(三個及以上)作為驅動源，其中壓電微栗A為微混合器脈動注入A溶液，壓電微栗B為微混合器脈動注入B溶液，壓電微栗C為微混合器脈動注入氣體。參考圖5所示，微流體混合器由三個壓電微栗4按A-B-C-A-B-C順序循環工作。這樣，在微混合流道9內就會形成:氣體-A溶液-B溶液-氣體的分層。A溶液和B溶液被不參加反應的氣體隔斷，形成一個個微小的反應單元，從而使溶液在微小單元反應室內實現高效率混合，并且可以通過觀察混合溶液情況來控制反應進行。
[0037]叉指型換能器2是根據逆壓電效應，將信號發生器的輸出信號的+/_兩極分別與叉指換能器2的兩極相連，然后輸出連續的正弦信號，環形的叉指換能器產生聚焦聲表面波作用于中心焦點區域，對中心焦點區域的微小單元反應室產生集中機械振動，使其在高能量的機械振動條件下高效率混合。
[0038]具體的作用方式如下所述:
[0039]方式一:如圖1所示，類型一微混合流道9為三相星型，聚焦聲表面波集中作用處為微流道系統的流道交匯處6。其對應的叉指型換能器2是由兩個1/4圓形對稱分布，調節控制器使微混合流道9內微小單元反應室每隔一定的時間進行下一個動作。這樣微小單元反應室可以在微流道系統的流道交匯處6停留一定的時間進行化學反應。
[0040]方式二:如圖3所示，類型二微混合流道9中間部分為回環式結構，聚焦聲表面波集中作用處為回環流道13。其對應叉指型換能器2是由兩個扇形對稱分布，調節控制器使微混合流道9內微小單元反應室每隔一定的時間進行下一個動作。這樣微小單元反應室可以在回環流道13停留一定的時間進行化學反應。
【主權項】
1.一種基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片，包括有壓電基底、聚焦叉指換能器、微混合反應基片，微混合反應基片內集成有壓電微栗、芯片入口、芯片出口和微混合流道，壓電微栗的內腔與芯片入口連通，并且壓電微栗的內腔通過微混合流道與芯片出口連通，其特征在于:利用三個壓電微栗作為驅動源，其中壓電微栗A為微流體反應芯片脈動注入A溶液，壓電微栗B為微流體反應芯片脈動注入B溶液，壓電微栗C為微流體反應芯片脈動注入惰性氣體，微流體反應芯片由三個壓電微栗按A-B-C-A-B-C順序循環工作，聚焦叉指換能器的聚焦中心處于微混合流道中，兩種混合液體在微混合流道中由惰性氣體隔開形成微小混合單元。2.根據權利要求1所述的一種基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片，其特征在于:所述的聚焦叉指換能器的聚焦中心處于三條流入流道的交匯處。3.根據權利要求1所述的一種基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片，其特征在于:所述的聚焦叉指換能器的聚焦中心處于微混合流道回環式結構的中心。4.根據權利要求1所述的一種基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片，其特征在于:所述的三個壓電微栗各自的輸入信號為不連續的脈沖信號。5.根據權利要求1所述的一種基于聚焦聲表面波的壓電驅動微流體反應芯片，其特征在于:所述的三個壓電微栗栗入微混合流道的流體的順序是連續的，并且兩種需要進行混合的流體相鄰，由惰性氣體將其隔開，使其在微混合流道中形成微小的混合單元反應室。
【文檔編號】B01J19/00GK205462171SQ201620079707
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月27日
【發明人】劉國君, 趙心, 張炎炎, 李新波, 劉建芳, 楊志剛, 吳越, 洪雯, 裴曉寒, 姜峰, 唐春秀, 王騰飛, 梁實海, 楊旭豪
【申請人】吉林大學