矩形腔主動(dòng)式微流體混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值仿真

陳芝強(qiáng) 方海旋

摘 要 在微米量級(jí)尺度下，由于微流體的雷諾數(shù)比較小，其對(duì)流作用帶來(lái)的效應(yīng)并不強(qiáng)烈，微流體的混合主要依靠分子間的擴(kuò)散作用，將不同濃度的微流體均勻混合具有重要意義，因此開展了大量微流體混合器的研究。本研究采用有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)所設(shè)計(jì)微流體混合器的混合結(jié)果進(jìn)行模擬，并導(dǎo)出相應(yīng)的濃度圖與流線圖。模擬結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)矩形腔主動(dòng)式微流體混合器能夠有效打破微流體的層流狀態(tài)，在微通道多處形成渦，實(shí)現(xiàn)微流體有效混合。本研究為微流控芯片的混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 微流體混合器 ；電極設(shè)計(jì) ；有限元模擬 ；微流控芯片

中圖分類號(hào) TN248.4

Structure Design and Numerical Simulation of a Rectangular Cavity Active Micro-fluid Mixer

CHEN Ziqiang FANG Haixuan

（Mechanical and Electrical Engineering College， Hainan University， Haikou， Hainan 570228）

Abstract In the micrometer scale， due to the small Reynolds number of microfluidic， the effect of convection is mild， and the mixing of microfluidic mainly depends on the diffusion of molecules. It is of great significance to mix the different concentrations of microfluidic fluids， so the studies of micro-fluid mixers have been developed. In this study， a finite element numerical simulation method was used to simulate the mixed results of the microfluidic mixer， and the corresponding concentration and flow charts were derived. The simulation results show that the rectangular cavity active micro-fluid mixer can effectively break the laminar flow state of the microfluidic， forming vortices in the microchannel and realizing the effective mixing of microfluidic fluid. This study provides a theoretical reference for the design of the hybrid structure of microfluidic chip.

Key words microfluidic mixer ； electrode design ； finite element simulation ； microfluidics chip

以微流控技術(shù)為依托的微流控芯片以其微型化、便攜化、可集成、成本低廉等特點(diǎn)成為研究的熱門領(lǐng)域，在微流控技術(shù)中，將幾種不同種類，不同濃度的微流體均勻混合具有重要意義，因此開展了大量微流體混合器的研究[1-4]。

在宏觀條件下，所謂混合通常是指用機(jī)械或流體動(dòng)力的方法，使兩種或多種物料相互分散而達(dá)到一定均勻程度的單元操作，但是微米量級(jí)的尺度下與宏觀流體流動(dòng)有很大區(qū)別，微米量級(jí)尺度下流體的對(duì)流作用帶來(lái)的效應(yīng)并不強(qiáng)烈，在這種情況下，微流體的混合主要依靠分子間的擴(kuò)散作用，所以在一定的實(shí)驗(yàn)要求之下，微流體的混合變得較為困難；微流體混合器能夠有效促進(jìn)微流體之間的混合，達(dá)到具體的實(shí)驗(yàn)要求[5]。

微流體混合器根據(jù)輸入能量不同，可分為被動(dòng)式微流體混合器和主動(dòng)式微流體混合器2類。主動(dòng)式微流體混合器的混合效果好，響應(yīng)速度快，使用方便，在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛使用。本研究改進(jìn)了微混合室內(nèi)的擋塊結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了微混合室結(jié)構(gòu)，減小了微流體流動(dòng)損失，使得微流體混合時(shí)間更短，混合更加充分、混合效率大大提高[6]。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究所設(shè)計(jì)的矩形腔主動(dòng)式微流體混合器，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）為材料，經(jīng)過(guò)光刻、顯影等工藝步驟制得光刻膠（SU8）模具。然后將與固化劑混合過(guò)的PDMS材料涂于模具上，經(jīng)過(guò)加熱固化后脫模制得PDMS陰模。再將與固化劑混合過(guò)的PDMS材料涂于聚碳酸酯（PC）片上，再加熱固化后脫模制得PDMS平板。PDMS陰模與平板鍵合即能得到所需要的微流體混合器結(jié)構(gòu)。

1.2 方法

本研究所設(shè)計(jì)的矩形腔主動(dòng)式微流體混合器的結(jié)構(gòu)見圖1，具體包括第一微流體入口1，第二微流體入口2，擋板3，第一電極4，第二電極5，微混合室6，擋塊7，第三電極8，第四電極9，微流體出口10。所設(shè)計(jì)微流體混合器工作過(guò)程是，微流體1從第一微流體入口1注入，微流體2從第二微流體入口2注入，流經(jīng)微混合室6進(jìn)行充分混合，從出口10流出。

為提高微流體混合器的混合效率，本設(shè)計(jì)采用更加簡(jiǎn)單的擋塊結(jié)構(gòu)，達(dá)到優(yōu)化微流體混合器微混合室的效果，使得兩種微流體的混合時(shí)間更短，沿途損失更小，所需消耗能量更小。同時(shí)為保證微流體混合器的混合質(zhì)量，在微混合器的微混合室4個(gè)拐角處分別施加4個(gè)電極，且4個(gè)電極相間施加相同電勢(shì)，使得兩種微流體從各自入口流出，在初次交匯處便能實(shí)現(xiàn)混合，有效利用微混合器的空間結(jié)構(gòu)。其后在流經(jīng)微混合室的不同區(qū)域時(shí)，能夠形成多個(gè)二次流漩渦，實(shí)現(xiàn)了微流體的充分混合。

圖2給出了本次設(shè)計(jì)微流體混合器的幾何參數(shù)示意圖。由圖2可知，微流體混合器的長(zhǎng)度為140 μm，寬度為100 μm，總體結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的擋板長(zhǎng)度為10 μm，將第一微流體入口與第二微流體入口均勻隔開。擋塊直徑D為50 μm，其圓心與整個(gè)微流體混合器中心重合。微流體混合器的4個(gè)電極為圓弧結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)由正方形外廓4個(gè)直角倒角而成，倒角半徑R為20 μm，具體可以細(xì)分為第一電極、第二電極、第三電極、第四電極。4個(gè)電極中第一電極與第三電極施加相同電勢(shì)，第二電極與第四電極施加相同電勢(shì)。流體混合器的混合室由正方形外廓所包含區(qū)域減去擋塊所包含區(qū)域形成，正方形外廓邊長(zhǎng)L為100 μm；其左端連接第一微流體入口與第二微流體入口交匯處，右端連接微流體出口，整個(gè)混合室為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)。微流體混合器的第一微流體入口與第二微流體入口結(jié)構(gòu)相同，為上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其對(duì)稱線與微流體出口的中心線共線；所述第一微流體入口與第二微流體入口的長(zhǎng)度均為20 μm，寬度分別用a、b表示，數(shù)值均為15 μm，所述微流體出口長(zhǎng)度為20 μm，寬度用c表示，數(shù)值為30 μm。

2 結(jié)果與分析

利用有限元模擬軟件對(duì)主動(dòng)式矩形腔微流體混合器的電場(chǎng)強(qiáng)度以及混合結(jié)果進(jìn)行數(shù)字模擬[7-12]，并導(dǎo)出相應(yīng)的電場(chǎng)圖以及流線仿真圖。

2.1 電場(chǎng)強(qiáng)度模擬

在模擬階段，設(shè)定微流體混合器電極所施加電勢(shì)為±0.3 V，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)要求的混合精度增大或減小所施加電勢(shì)。模擬結(jié)果表明，隨著施加電勢(shì)增大，兩種微流體的混合程度越劇烈。但實(shí)際應(yīng)用中所用到的顆粒強(qiáng)度往往比較脆弱，為防止過(guò)大電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)微流體內(nèi)部顆粒造成損傷，實(shí)際應(yīng)用中在保證混合精度的條件下應(yīng)盡量使用較小電勢(shì)值，且最大電勢(shì)數(shù)值的絕對(duì)值不應(yīng)超出0.5 V。本次模擬微混合室內(nèi)電勢(shì)分布如圖3，微混合室內(nèi)空間不均勻電場(chǎng)由不同電極施加不同電勢(shì)產(chǎn)生，具體為第一電極與第三電極施加電勢(shì)為0.3 V，第二電極與第四電極施加電勢(shì)為-0.3 V。

2.2 混合效果模擬

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)微流體混合器的混合效果，對(duì)流體在微混合室內(nèi)的濃度圖與模擬流線圖進(jìn)行討論。第一種微流體從微流體混合器的第一微流體入口注入，初始流速為0.1 mm/s，第二種微流體從第二微流體入口注入，初始流速為同樣為0.1 mm/s，兩種微流體流經(jīng)微混合室進(jìn)行充分混合，從出口流出。兩種微流體的密度均為1 000 kg/m3，動(dòng)力粘度均為為0.001 Pa·s，電導(dǎo)率均為0.118 45 S/m，相對(duì)介電常數(shù)均為80.2。為方便模擬，設(shè)定從第一微流體入口注入的第一種微流體的初始濃度設(shè)為0 mol/m3，從第二微流體入口注入的第二種微流體的初始濃度設(shè)為1 mol/m3，兩種微流體在流經(jīng)微混合室之后在微流體出口流出濃度理論值應(yīng)為0.5 mol/m3。

微混合室內(nèi)各處微流體濃度見圖4。從圖4可以看出，在圓形擋塊外圓周處微流體混合效果比較明顯，且在微流體混合器出口處中間部分得到混合微流體濃度約為0.6 mol/m3，模擬結(jié)果表明，本次設(shè)計(jì)矩形腔主動(dòng)式微流體混合器在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)兩種微流體的混合。

同時(shí)，為了驗(yàn)證電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)混合結(jié)果的影響[13-15]，將不同電場(chǎng)強(qiáng)度下流線圖進(jìn)行對(duì)比，圖5a為0.1 V下微混合室內(nèi)流線，圖5b為0.3 V下微混合室內(nèi)流線。

由圖5可知，0.1 V下微混合室內(nèi)部微流體流動(dòng)過(guò)程中形成渦比較少，0.3 V下能夠形成比較多的渦，實(shí)現(xiàn)更好地混合。因此，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大，兩種微流體混合效果會(huì)越來(lái)越明顯，可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)要求來(lái)設(shè)定施加電勢(shì)，達(dá)到不同的混合效果。

3 小結(jié)

本研究所設(shè)計(jì)的具有新型結(jié)構(gòu)的矩形腔主動(dòng)式微流體混合器，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了擋塊設(shè)計(jì)，優(yōu)化了微混合室結(jié)構(gòu)，降低對(duì)微流體的流動(dòng)阻力，提高微流體混合效率。通過(guò)在微混合室不同位置設(shè)置電極，施加電勢(shì)產(chǎn)生電場(chǎng)，通過(guò)電場(chǎng)力打亂微流體層流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)兩種微流體的混合。本研究微流體混合器整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊，不需要設(shè)計(jì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微流體通道，只通過(guò)布置4個(gè)電極的位置，合理施加電壓，便可實(shí)現(xiàn)快速高質(zhì)量的混合。同時(shí)，數(shù)值仿真結(jié)果表明，微流體混合器的混合效果與所施加電勢(shì)相關(guān)，可通過(guò)調(diào)節(jié)施加電勢(shì)值實(shí)現(xiàn)不同的混合效果。本研究結(jié)論為進(jìn)一步優(yōu)化主動(dòng)式微流體混合器結(jié)構(gòu)提供了一種參考，同時(shí)，也為檢驗(yàn)微流體混合器混合效果提供了數(shù)字模擬方法。

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