mems微混合微混合器的設計與應用

mems微混合微混合器的設計與應用

1微混合器的發(fā)展與應用20世紀90年代以來，隨著納米和微電機系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們對小型和快速過程領域進行了大量研究。微化工技術是隨之興起的多學科交叉的科技前沿領域之一,它是集微機電系統(tǒng)設計思想和化學化工基本原理于一體并移植集成電路和微傳感器制造技術的一種高新技術,涉及化學、材料、物理、化工、機械、電子、控制學等各種工程技術和學科。微化工系統(tǒng)主要包括微熱、微反應、微分離、微分析等。最近的發(fā)展表明,由瑞士的Manz和Widmer提出的微全分析系統(tǒng)預計在未來10年內(nèi)將對分析科學乃至整個科學技術的發(fā)展起著重要的推動作用。微全分析系統(tǒng)的目的是實現(xiàn)化學分析系統(tǒng)從試樣處理到檢測的微型化、自動化、集成化與便攜化。它具備獨特的優(yōu)越性,如較短的響應時間、較少的試劑和試樣消耗量、易于小型化和自動化、效率高等。而微混合器正是一種可以實現(xiàn)上述優(yōu)越性的微器件。對于微結構中混合行為的研究是最近幾年才得到重視的,本文將對微混和器的發(fā)展現(xiàn)狀、研究內(nèi)容及進展進行較系統(tǒng)的介紹和討論。2微型混音器的設計和加工2.1小集成微混合器組成微混合器的設計目標主要有:·能耗低·反應物消耗低·體積小·易于制造·分析時間短·效率高·能夠集成到更復雜的系統(tǒng)中集成微混合器主要組成部分通常有:·輸入單元·流體驅(qū)動單元/流體控制單元·混合單元·反應室·傳感器·輸出單元等2.2高分子聚合物微管道加工工藝微混合器一般以微管道為網(wǎng)絡,將其它功能元器件如微泵、微閥、微電極、微檢測元件、連接器等集成起來。到目前為止,微混合器的加工材料已經(jīng)從最初的硅片發(fā)展到玻璃、石英、金屬和有機高分子聚合物等,如環(huán)氧樹脂、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學惰性和熱穩(wěn)定性,硅單晶生產(chǎn)工藝成熟,在半導體和集成電路上得到廣泛應用,而且硅的微細加工技術已日趨成熟。目前的工藝水準已經(jīng)能夠在硅片上使用光刻技術高精度地復制復雜的二維圖像,并可以使用集成電路加工工藝進行加工及批量化生產(chǎn),而即便是復雜的三維微結構,也能夠使用整體及表面微加工技術進行高精度的復制,因此,硅及二氧化硅材料首先被用于制作微流體通道。硅材料的缺點在于易碎、成本高、不透光、電絕緣性不夠好且表面化學行為復雜。這些缺點限制了其在微流體通道中的廣泛應用。當然,由于其良好的光潔度和成熟的加工工藝,可用于加工微泵、微閥等微流體驅(qū)動及控制元器件,此外在制作高分子聚合物微通道芯片時常用來制作相應的模具。玻璃和石英具有良好的電滲性和優(yōu)良的光學性質(zhì),且表面性質(zhì)如潤濕能力、表面吸附和表面反應性等都有利于使用不同的化學方法對其進行表面改性。使用光刻和蝕刻技術可以將微通道網(wǎng)絡復制在玻璃或石英基片上,因此玻璃和石英材料已廣泛地應用于制作微流體通道。高分子聚合物種類多、選擇面廣、易于加工成型而且價格便宜,非常適于大批量制作一次性微通道網(wǎng)絡。在微流體系統(tǒng)中常用電場力驅(qū)動液流,用光學、電化學和質(zhì)譜檢測器進行分析。而不同高分子材料的物理化學性質(zhì)不同,因此需要根據(jù)加工工藝、應用環(huán)境及檢測方法等諸多因素和高分子聚合物的光電、機械及化學性質(zhì),選擇適用的類型。并注意聚合物材料應具有良好的光學性質(zhì)、易于加工、在所使用的環(huán)境下是惰性的、具有良好的電絕緣性和熱性能、表面要有合適的修飾改性方法等。在硅、玻璃、石英基片上制作微結構通常采用光刻和刻蝕技術,該技術起源于制作半導體及集成電路芯片所用IC工藝,由薄膜沉積、光刻和刻蝕三個工序組成。IC工藝有如下優(yōu)點:(1)微細化;(2)大批量生產(chǎn);(3)可使用多種材料;(4)可制出電、磁、光等回路;(5)不需單獨的裝配工序即能制得運動機構;(6)工藝已實現(xiàn)了自動化。其缺點是:小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟性不良,即周期長、成本高、設備投資大;制得的形狀和獲得的運動是準平面型的。在高分子聚合物基片上制作微結構技術有LIGA技術、模塑法、熱壓法、激光燒灼法和軟光刻等。模塑法加工微管道,首先要用光刻和刻蝕的方法制出微管道部分突出的陽模,然后在陽模上澆注液態(tài)高分子材料,將固化后的高分子材料與陽模剝離后就得到微管道基片,接著再與蓋片進行封接。熱壓法(hotembossing)是一種快速復制微管道的技術,一般由鋼架、加熱與冷卻系統(tǒng)、模具、基片平臺及加壓系統(tǒng)組成整套裝置。熱壓法也需要先制出陽模,在加熱裝置中將聚合物基片加熱至軟化溫度,通過在陽模上施加一定壓力并保持30~60s,便可在聚合物基片上壓制出與陽模凹凸互補的微管道結構。激光燒蝕法(Laserablation)直接根據(jù)計算機CAD數(shù)據(jù)在金屬、塑料、陶瓷等材料上加工復雜的微結構,是一種非接觸式的加工工具。軟光刻(Softlithography)是相對于微制造領域中占主導地位的光刻而言的微圖形轉移和微細加工新方法,克服了光刻技術不能在曲面上加工微結構的缺點,而且無需昂貴的設備與超凈的實驗室環(huán)境。以自組裝單分子層、彈性印章和高聚物模塑技術為基礎,其核心是圖形轉移元件——彈性印章,方法一般有微接觸印刷法、毛細微模塑法、轉移微模塑法和復制微模塑法等。3混合過程的控制在宏觀體系中,對于高雷諾數(shù)的低黏度流體,通常采用產(chǎn)生湍流的方法,利用對流效應形成微區(qū)分散結構進行混合,而對于高黏度流體或微結構中,液流雷諾數(shù)很小使得液流很難產(chǎn)生湍動,擴散效應在微結構混合過程中成為主要的控制因素。微混合一般采用層流的混合機理。在層流條件下達到有效混合的方法有:(1)微接觸,即不互溶的兩相體系如液-液或氣-液兩相流體在同一微通道或分別在相互接觸的兩個微通道內(nèi)流動,形成平行的流體層,通過相界面實現(xiàn)兩相的微接觸;(2)拉長或剪切層流,以增大流體間的接觸面積;(3)分散混和,即通過管路幾何形狀設計將大的液流裂分成小組分,從而產(chǎn)生更大的界面區(qū)域,實現(xiàn)更有效的混合;(4)混沌對流,即通過增強流體界面區(qū)域的拉伸與折疊,以產(chǎn)生更大的流體間接觸面積,從而實現(xiàn)更快速的混和。一般微混合器主要分為被動混合器與主動混合器兩種。主動混合器有外加擾動源,而被動混合器一般只需要引起流體流動的壓力源即可。3.1基于微混合器的擴散分散系統(tǒng)SeckHoeWong等人報道了一種T型微混合器。作者進行了在不同進樣壓力下兩種液體混合效果的試驗,并進行了計算機模擬。試驗表明該T型微混合器的混合時間為毫秒級,且盡管在微管道中很難產(chǎn)生湍流,但仍然可以通過產(chǎn)生二次流、回旋流及旋渦獲得快速混和。2001年S.B?hm等人報道了一種用于高速化學反應的快速渦流式微混合器,他們設計的微混和器通過利用渦流減小擴散距離而達到減少混合時間的目的。圖1是該渦流式微混合器的結構示意圖,通過16個切線方向上的入口,液體A和B高速地(速度為m/s級)進入渦流室。據(jù)作者介紹,由于該進樣速度很高,在渦流室內(nèi)產(chǎn)生了一個旋流場,它有效地減少了各薄層間的距離,因此混合時間可以大幅縮短。雷諾數(shù)為200時,流速最高可達4×107μm/s,混合時間最短可達5μs。Bessoth等人與徐溢等人研究了按層流原理設計制作的交叉分液匯合式微混合器。其基本原理為:因擴散時間與擴散距離的平方成正比,通過將液流分裂成多個薄層液流,可以縮短液流間的擴散距離,顯著降低混合時間。該微混合器的結構如圖2(a)所示,圖2(b)是其局部放大圖。液流A在第一層的輸入管道被切分為一定數(shù)目的交流,原主管道中液流的對稱切分通過對稱方式重復切分實現(xiàn),這使每個分子在從頭到尾流經(jīng)這些支管道及整個系統(tǒng)時通過的距離相同。在微混合器的另一層上,液流B也同時按上述方式被切分,為使兩液流能合并,液流B通過一系列夾層孔與第一層相通,通過這些孔液流B以完全垂直的方式與液流A混合,即相同數(shù)目的支流重新合并為一體。此過程中每支流道中均具相同的流動阻力,相鄰流道中液流逐級合并直到所有交流合并在微溫合器后的主管道上。主管道較長以使兩液流有足夠長的時間擴散混合或發(fā)生反應之后再流出微芯片。為獲得較好的壓力穩(wěn)定性,將液流合并位置的接觸面均做得很小;流道間的區(qū)域?qū)嶋H采用硅片與上下玻璃蓋片化學鍵合的夾層形式。兩液流以上述方式混合時,在形式相同管道中流動,對擴散起決定作用的距離因素由流道寬度所決定,而與管道深度無關。作者進行的試驗表明該微混合器可以有效地實現(xiàn)反應試劑和試樣的充分混合,而微混合器后的長管道可保證混合物化學反應的繼續(xù)和完成。含微混合器結構較之于常規(guī)分析測試體系可以大大提高分析效率,具有響應時間短、試劑和試樣消耗量小、易于小型化和自動化等優(yōu)越性。Dertinger等人報道的一種微混合器,利用微管道網(wǎng)絡在管道中產(chǎn)生復雜的濃度梯度,梯度形狀有線性、拋物線和周期性曲線等。該混合器的基本構造如圖3所示,它由多層管道網(wǎng)絡組成,每一層又由多個并列的分支蜿蜒管道組成,每一層的管道數(shù)逐級增加(從4到9個),最后一層的9個分支管道又匯合于一個較寬的管道。系統(tǒng)的基本混合方式是相鄰液流的擴散混合,而能夠產(chǎn)生濃度梯度是利用了多層次的分流、匯流混合,即將初始濃度不同的液流分流后再與相鄰初始液流的分流匯合,此匯合液流再進行下一步的分流及與相鄰液流的匯流,如此循環(huán)往復,最后眾多濃度不同的分支液流匯合,形成一個橫向的濃度梯度。通過改變管道網(wǎng)絡的構型及初始液流的濃度和組合順序可以獲得其他的濃度梯度構型。Stroock等人報道了一種混沌微混合器。其主要原理為由軸向壓力梯度在微管道內(nèi)產(chǎn)生橫向的液流混合,從而加速混和過程。具體方法就是在管道底部加工各種構型的凸脊,凸脊與管道軸向成一定的夾角。凸脊對于不同流向的流體有不同的阻力。與垂直流向的液流相比,沿與凸脊平行方向流動的液流受到的凸脊的阻力較小,由此產(chǎn)生液流在管道內(nèi)的螺旋式流動,見圖4。改變凸脊的構型和排列方式,可以獲得不同的混合效果,見圖5。駱廣生等人報道了一種新的膜分散式微型混合器,采用微孔膜作為分散介質(zhì),通過制備微小液滴和縮小混合室體系來實現(xiàn)液液兩相的微混合。3.2混合過程的設計主動混合器的外加擾動源主要有以下幾種:·機械攪動·蒸汽動力驅(qū)動·壓力擾動·電流體動力(EHD)驅(qū)動·磁流體動力(MHD)驅(qū)動ZhenYANG等人報道了一種用于連續(xù)流的超聲波微混合器陣列。輸入、輸出單元及混合室都在玻璃上加工成形。整個流路通過硅片與玻璃片的陽極鍵合封裝起來。在每一個混合室的背部都粘貼有一個壓電陶瓷(PZT),圖6為混合室的局部放大圖,當用幾十千赫的方波激勵壓電陶瓷時,由于超聲波的作用,混合立即發(fā)生。由大量定性與定量實驗表明,對于集成微化學分析系統(tǒng)或微全分析系統(tǒng)而言,該裝置提供了一種高效、可靠且可自動控制的解決方法。FrédéricBottausci等人報道了一種三維主動微混合器。如圖7所示,主混和管道內(nèi)的流體受到三對支流道內(nèi)的射流擾動;支流道內(nèi)的擾動由泵進行控制?；旌推鞯幕旌托Чㄟ^使用不同的流型進行評價,而不同流型的形成是通過改變支流道內(nèi)擾動的頻率與振幅實現(xiàn)的。PeterHuang等人報道了一種電滲混和器。該微混和器利用動電力將兩股電解液體進行迅速而有效地混和?；旌掀鞯幕旌托Чc提供的電場、頻率及流量有關,并用在混合區(qū)域下游測得的強度分布來表征。該文作者指出雷諾數(shù)對其并無重要的影響,同時他們還發(fā)現(xiàn)頻率增加會降低混合效率,但在低頻時,電極的飽和與氣泡的形成會影響混和效果。圖8為實驗系統(tǒng)示意圖,主流由壓力驅(qū)動,交叉流由電滲力驅(qū)動。圖9為一個完整周期循環(huán)內(nèi)的8個不同階段的顯微圖片,主流方向由右向左,電滲混和方向上下來回。Yi-KuenLee等人報道了兩種可以混合流體和微粒的微設備。系統(tǒng)的設計目的是產(chǎn)生流線的折疊與伸長,從而產(chǎn)生類混沌的混合。第一種是機械式混沌微混合器,如圖10所示。它的組成有一個主管道、兩個支管道以及與之相連的壓力擾動源、兩個注射泵(入口)及水箱(出口)。支管道內(nèi)產(chǎn)生不穩(wěn)定的壓力降,因而對主干流施加了橫向的非定常壓力擾動。試驗表明,在小的擾動幅度時,流線在經(jīng)過交叉區(qū)域時產(chǎn)生微弱的振動;隨著擾動幅度的增加,振動幅度隨之增大;類混沌區(qū)域出現(xiàn)大擾動幅度時,流線會產(chǎn)生一個或數(shù)個折疊,并且會在下游產(chǎn)生一個周期性變化、極端復雜的流線形狀,這對混合而言非常有利。圖11描述了兩種不同顏色(黑、灰)微粒間分界面的變化過程:開始階段兩種微?；ハ喾蛛x,分界面是平的;施加上壓力擾動后,可以發(fā)現(xiàn)分界面變得非常復雜,這對于下游微粒的混合非常有利。在第二種設備中,作者利用隨時間而定的雙向電泳力來產(chǎn)生上述折疊與伸長。圖12為流動情況示意圖,在管道中間有一個腔,周期性地施加一個電場;當電場強度較小時,流線經(jīng)過腔時只產(chǎn)生微弱的振動;當電場強度很大時,電場效應占據(jù)主導,所有的微粒聚集在電極周圍,此時流線會產(chǎn)生一個或數(shù)個折疊,并且會在下游產(chǎn)生一個周期性變化、極端復雜的流線形狀,這對混合而言非常有利。Bau等人報道了一種利用磁流體動力的微混合器。該混合器可以增強微全分析系統(tǒng)中的混合,它由底部沉積了電極陣列的管道構成,管道內(nèi)液體為電解質(zhì)溶液。圖13為其示意圖,字母A,B,C,D,E分別代表在管道底部沉積的電極,它們垂直于管道側壁;將各電極交替與電源正負極相連,就會在溶液中每兩電極間產(chǎn)生方向不同的電流,電流密度為J,如圖13中空心箭頭所示。而磁場方向在圖中垂直于紙面并指向外,磁通量密度為B。磁場與電場的耦合作用產(chǎn)生施加于流體的洛侖茲力(J×B),利用它可以在電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生復雜的運動,Bau等人主要進行了產(chǎn)生環(huán)形對流運動的研究;該運動可以拉長流體間的界線并使其產(chǎn)生扭曲變形,這會加強兩液體間的混合。圖14為作者加工的混合器的俯視圖,管道中間黑色物體為染色劑。圖15表示了由于洛侖茲力的作用,管道中間的染色線發(fā)生變形的情況:圖a由于洛侖茲力的作用,染色線產(chǎn)生變形;幾秒鐘后,改變電極極性,洛侖茲力也隨之改變方向,染色線又恢復最初的形狀(圖b);隨著時間變長,在此洛侖茲力的作用下,染色線產(chǎn)生與圖a中方向相反的變形(圖c);如此反復一段時間后,可以很明顯地觀察到漩渦的產(chǎn)生。Deshmukh等人報道了一種使用脈動式微泵的微混合器,其基本原理為用脈沖式微泵獲得的脈沖流可以拉長層流,以增大液體間的接觸面積從而可以獲得更快的混合。作者用兩個脈沖式微泵來實現(xiàn)上述混合過程。圖16為混合器的示意圖。液流1(白色)被推入混合管道內(nèi),而液流2(黑色)只能由進口處流入。微泵由一個泡室與兩個單向閥組成。當生成一個氣泡后,它相當于一個活塞將液流推出,而單向閥使得液流只能往輸出方向運動。氣泡破裂后,液流停止往前流動,只能從進口處流進。通過周期性控制氣泡的生成,可以得到微泵的工作過程。氣泡可以利用熱生成,停止加熱,蒸汽將再凝結而氣泡會破裂。作者通過實驗證明了該混合器的混合效果。白色液流在被泵入混合管道時將黑色凸起向右推移;當白色液流剛流進時,往混合管道的下半部分卷曲;隨著流動的繼續(xù),兩液流間的分界面逐漸扭曲變形,從而使得接觸面越變越長,混合效果越來越好,在圖17中詳細說明了這一過程。3.3微混合器件設計總的來說,目前被動微混合器主要依靠改變混合器中微型管道的幾何形狀等方法來增強微流體的分子擴散和對流,從而增加微流體的有效接觸面積,提高液體的混合效率,因此一般的被動微混合器的形狀比較復雜,增加了加工的難度。而主動微混合器存在的問題主要有:要么對混合的液體有要求,必須是可導電的或可極化的;要么要求混合器有內(nèi)部可動件(如微泵或微閥),或者有嵌入式功率電路。同時目前的微混合器大部分用于液體的混合,對于固體的混合很難適用,這使得其應用領域受到很大的限制。目前微加工技術制作的微管道一般呈矩形,流動阻力比圓截面微管尺寸大。內(nèi)徑在10μm的圓截面玻璃微管道具有流動阻力小及管壁光滑的優(yōu)點,目前還未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外成功制造出內(nèi)徑在60μm以下的圓截面玻璃微管道。主要技術障礙是如何在得到微小內(nèi)徑和較好強度的同時保證微管道與外部連接方便可靠?，F(xiàn)在對微混合器的研究絕大部分是國外學者進行的,國內(nèi)對微混合器的研究剛剛起步,目前僅見有徐溢等人和駱廣生等人的報道。筆者所在的研究室目前正在進行微化學分析儀的研究,其中也涉及到微混合器。受顯微注射針的加工工藝啟發(fā),筆者所在研究室已經(jīng)開發(fā)出一套完整的、完全不同于傳統(tǒng)微細加