本发明公开了 一种微流体混合器及其制造方法。 背景技术
当流体以微升量存在时，通常希望使它们在具有微米级尺寸的通道或 通路中混合，从而流体不会被浪费。然而，当流体必须穿过具有微米级尺 寸的通道或通路时，它们通常具有不同的表现。例如，从直径等于人的头 发宽度的通道中流过的水，其行为类似于蜂蜜。即使在压力下，水的行进 速度也将小于l厘米每秒。因此，两种不同流体在具有微米级尺寸的通道 或通路中的混合是困难的，这是因为在这种尺寸下，流体以湍流形式流动 的能力减到最弱。在具有微米级尺寸的通道或通路中，两种不同流体之间 的静态扩散需要花费非常长的时间。
因此，希望具有一种在多种不同流体以微升量级的量存在时能促进流 体混合的混合器。

本文公开了一种混合器，其包括：底板；与所述底板的表面紧密接触 的顶板；所述紧密接触防止从所述底板产生的流体损失；所述顶板包括： 供第一流体和第二流体进入的多个第一端口 ；与所述多个第一端口流体连 通的混合室；第一加热元件；和用于将所述第一流体和所述第二流体的紧 密混合物排出的排出通道；以及与所述混合室物理接触的往复运动装置； 所述往复运动装置可工作以搅拌（搅动）所述第一流体和所述第二流体。
本文还公开了一种方法，该方法包括：将第一流体和第二流体安置到
混合器的多个第一端口中；所述混合器包括：底板；与所述底板的表面紧 密接触的顶板；所述紧密接触防止经所述底板从所述混合器产生的流体损 失；所述顶板包括：供第一流体和第二流体进入的多个第一端口；与所述 多个第一端口流体连通的混合室；第一加热元件；和用于将所述第一流体 和所述第二流体的紧密混合物排出的排出通道；以及设置在所述顶板的表 面上的振动板（diaphragm);所述表面与所述板的与所述底板紧密接触 的表面相对；用所述第一加热元件加热所述混合室中的第一流体和第二流 体；以及用所述振动板搅拌所述混合室中的第一流体和第二流体，以形成 紧密流体混合物。
本文还公开了一种制造混合器的方法，该方法包括：将陶瓷先驱体（前 体，precursor)倒入第一模具、第二模具和第三模具；第一模具具有槽或 底板的形状；第二模具具有顶板的形状；第三模具具有第一板的形状；所 述第 一模具、第二模具和第三模具都具有用于结合第 一加热元件和第二加 热元件的腔；使所述陶瓷先驱体在所述笫一模具、第二模具和第三模具中 胶凝化，以形成生坯（green)底板、生坯顶板和生坯第一板；将所述生坯 底板、生坯顶板和生坯第一板从相应的模具中取出；将可选的加热元件设 置在位于所述生坯底板、生坯顶板和/或生坯第一板中的腔中；将所述生坯 底板、生坯顶板和生坯第一板与所述可选的加热元件共同烧制（co-fire), 以形成陶瓷底板、陶瓷顶板和陶瓷第一板；使所述陶瓷底板与所述陶资顶 板和/或陶瓷第一板互锁；所述陶瓷第一板包括：供第一流体和第二流体进 入的多个端口；与所述多个端口流体连通的混合室；和第一加热元件；该 加热元件可工作以在所述混合室中产生第一温度梯度；以及在所述第一板 或顶板上设置振动板；所述振动板可有效地搅拌所述第一流体和第二流体。
附图说明
图l是混合器的一个实施例的示意图； 图2是第一板的第一实施例的示意图；
图3是不同流体单元在混合室中首次彼此相遇并且随后转化为紧密混
合的流体混合物时的示意图；
图4A描绘了可用于组装所述混合器的顶板的示例性实施例；
图4B描绘了可用于组装所述混合器的中间板的示例性实施例；
图4C描绘了可用于组装所述混合器的底板的示例性实施例；
图5A描绘了可通过组装图4A、 4B和4C所示的板而获得的混合器的
一个变型；
图5B描绘了可通过组装图4A、 4B和4C所示的板而获得的混合器的 另一个变型；
图6A描绘了可用于组装所述混合器的相应板的一个示例性实施例； 图6B描绘了通过组装图6A所示的板而形成的混合器的一个示例性实 施例；
图6C描绘了通过组装图6A所示的板而形成的混合器的另一个示例性 实施例；
图7描绘了可用于在少量流体上执行多种功能的多个混合器；所述混 合器可串联、并联或串并联組合地布置。

本文所公开的是一种混合器，当流体以樣吏升量级的量存在时，所述混 合器有利地采用物理搅拌和温度梯度的结合来促进多种流体的混合。在一 个实施例中，所逸混合器采用多个方向上的温度梯度来促进多种流体之间 的扩散，同时采用物理搅拌以增加流体之间的湍流。在一示例性实施例中， 所述混合器由陶瓷材料制造，这样能使所述混合器的含有金属的部件如加 热元件与陶瓷材料共同烧制，从而将制造和组装的时间减到最短。
参见图1和2所示的示例性实施例，混合器100包括槽102，槽102 在其内包括板112，或多个板112、 114和116。槽102具有第一表面103 和与加热元件热连通的第二表面104，所述板或所述多个板设置在第一表 面103上。第一表面103和第二表面104相对地设置。每个板包括混合室 148、与第一端口流体连通的第一通道130、第一加热元件118和可选的第
一排出通道142。第一加热元件118通常产生第一方向上的温度梯度。混 合器100还包括能用于物理地搅拌混合室148中所含流体的振动板146。 混合器100还包括能用于产生第二方向上的梯度的第二共用（global)加 热元件144，以促进包含在混合器中的流体的扩散。
如图1和2所示，混合器100包括多个板112、 114和116等等。每个 板可包括单个通道或多个通道130、 131、 132和133，以允许相应的流体 进入混合室148。每个通道分别与相应的端口 130，、 131，、 132，和133，流体 连通。混合室148允许相应的流体在振动板146的作用下经受搅拌，并在 使用加热元件118、 119、 120和121建立的温度梯度下扩散，如图2所示。
虽然图2所示的板112具有矩形截面，但应当注意，所述截面可以具 有任意期望的几何形状，例如正方形、圆形、三角形或多边形。
现在参见图2，第一通道130和第二通道131设置在板112的一侧， 而第三通道132和第四通道133设置在板112的相对侧。在一个实施例中， 所述通道从混合室148径向地向外延伸至板112的竖直边缘，并且允许存 在于第一室150中的第一流体和存在于第二室152中的第二流体流入混合 室148。在板112上还可引入额外的通道，例如第五、第六、第七、第八 通道（未示出）等等，用于将笫三流体、第四流体等引入混合室148中。 如后面在图4A、 4B、 4C、 5A和5B中详细所示，所述通道并非总是向外 延伸到板的竖直边缘，而是可具有设置在板的水平表面上的端口 。
每个板还可包括单个加热元件或多个加热元件，以促进混合室148中 流体的搅拌。或者，如果需要的话，所述加热元件可设置在位于所述板之 间的腔中。在一个实施例中，加热元件可以是电阻加热器并与电源（未示 出）电连接。
如图2所示，板112可包括第一加热元件118、第二加热元件119、第 三加热元件120和第四加热元件121，各个加热元件绕混合室148成放射 状地设置。加热元件可位于相应板内的单个水平面上，或者，各个加热元 件可处于所i^il中的不同高度上。图l描绘了一个实施例，其中第一加热 元件118沿板112的笫一表面设置，而第三加热元件沿板112的第二表面
设置。板112的第一表面和第二表面彼此相对。
加热元件118、 119、 120和121被保持在不同的温度，以便在混合室 148中形成促进流体彼此扩散的温度梯度。当混合器以其第二表面104放 置时，第一元件可用于建立第一方向。在一个实施例中，所述第一方向为 竖直方向。例如在图2中，当第一加热元件118被保持在50。C时，第二加 热元件119可被?f呆持在60。C，而第三加热元件120可被保持在70。C,且 第四加热元件121可被保持在80。C。当多个板如图1所示地彼此叠置时， 温度梯度可延伸到存在于多个板中的多个加热元件。例如参见图1，当第 一板112中的加热元件在约50至约60。C的温度下工作时，第二板114中 的加热元件可在约60至约70。C的温度下工作，而第三板116中的加热元 件可在约70至约80。C的温度下工作，等等。
在一个实施例中，加热元件可以是金属电阻线圏，当线圏中通以电流 时线圈发热。在另一个实施例中，加热元件可包括导电陶瓷、金属材料和/ 或含碳材料，当电流流过所述导电陶瓷和/或含碳材料时它们会发热。
制造所述加热元件的适当材料包括碳化硅、二硅化钼、二硅化鴒、铬 酸镧、二硼化锆、氮化钛、二硼化钬、氧化锡、氧化铜、铜、镍、金、银、 导电碳纤维、导电碳黑、碳纳米管等，或包括至少一种上述材料的组合物。
加热元件的尺寸取决于其成分和制造方法。加热元件可通过喷涂、旋 涂等设置在所述槽或多个板上。当加热元件涂覆到所述板上时，其通常具 有约0.001至约0.005毫米，特别是约0.002至约0.004毫米，更特别地约 0.003毫米的宽度。加热元件的厚度为约0.0005至约0.04毫米，特别地为 约0.001至约0.03毫米，更特别地为约0.005至约0.02亳米。优选的厚度 为约0.01毫米。加热元件的长度可与混合器100所包含的板的数目成比例。
各个板可具有多个端口，混合流体可经这些端口排出。如果每个板具 有一个端口，则希望这些端口彼此流体连通，使得混合流体可从混合器中 排出。在一个实施例中，希望只有最上层的板（例如，图1中的第三板116) 具有与混合室148流体连通的排出通道142，混合流体可经该排出通道142 排出。在一个实施例中，端口 142可与泵（未示出）流体连通。所述泵可
由控制装置如计算机控制并且可用于周期性地从混合器100中排出混合流体。
每个板还具有互锁机构（即，锁定和解锁机构）（未示出），在工作 期间，通过该互锁机构，所述板可固定地附接到设置在其上方的板以及设
置在其下方的板。与槽102连通的第一板112具有互锁机构，通过该互锁 机构它可固定地附接到槽102。这种互锁机构的例子包括螺紋、螺钉、螺 栓、销钉、粘合剂、榫眼和榫接头、燕尾棒接头、搭接头、舌棒接头等， 或者包括至少一种前述接头的组合。
在一个实施例中，处于相应的生坯形态（烧结之前）的相应的板和/ 或槽被组装起来，随后共同烧结，以形成混合器100或该混合器的一部分。 在烧结过程中，相应的板和/或槽彼此相互作用并且永久地锁定就位。
每个板还可具有插座和插头，从而相应板中的加热元件可彼此电连接。 期望的是，设在槽102的第一表面103上并与之紧密接触的板（例如图1 中的笫一板112)与电源电连接。
虽然图1中的混合器100示出为具有3个板，但可能希望具有尽可能 多的板。大量板的使用允许相应的流体作为分布开的微单位混合，如图3 所示。图3描绘了混合室中的相应流体相在经受搅拌之前和之后的理想化 视图。
相应的板具有约20至约70毫米，特别是约30至约50毫米，更特别 是约35至约45毫米的长度。优选的长度为约40毫米。相应的板具有约 10至约50亳米，特别是约20至约40毫米，更特别是约25至约35毫米 的宽度。优选的宽度为约30毫米。
在烧结之前，各个板具有约0.05至约0.5毫米，特别是约0.08至约0.2 毫米的厚度。烧结之前的优选板厚度为约0.1毫米。通道和端口的直径通 常为约1至约3毫米，特别是约1.3至约2.7毫米，更特别是约1.6至约2.3 毫米。通道和端口的优选直径为约2亳米。
混合室的直径通常为约5至约15毫米，特别是约6至约13毫米，更 特别是约7至约12毫米。混合室的示例性直径为约10毫米。应注意，前
述尺寸可根据流体的特性和量而改变。
板和槽可由金属、陶瓷、有机聚合物或包括至少一种前述材料的组合 物制成。通常希望用陶瓷材料制造所述板和槽。适当的陶瓷材料的例子为 二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、二氧化铈、氧化锆、带有二氧化硅添加剂 的氧化铝、玻璃陶瓷、硼硅酸盐玻璃、氮化铝、堇青石基的玻璃
(Al203/MgO/Si02 )等，或包括至少一种上述陶乾材料的组合。
使用陶瓷材料具有很多优点。加热元件可结合到生坯陶瓷材料（在其 烧制之前）中并且陶瓷的板或槽与所结合的加热元件的组合可经受烧制。 这减少了用于制造混合器的步骤数，从而减少了生产步骤数和生产成本。
最上层的板（例如图1中的板116 )在其上表面上设有振动板146，所 述振动板用于搅动相应的流体并使流体分子彼此紧密接触。振动板146可 由韧性金属、金属合金或有机聚合物制造。适当金属的例子为铝、不锈钢、 铜、黄铜等。
期望的是，振动板146包括有机聚合物。所述有机聚合物可包括多种 热塑性树脂，热塑性树脂的共混物，热固性树脂，或热塑性树脂和热固性 树脂的共混物。所述有机聚合物还可以是聚合物的共混物，共聚物，三元 共聚物，或包括至少一种前述有机聚合物的组合。所述有机聚合物还可以 是低聚物，均聚物，共聚物，嵌段共聚物，交替嵌段共聚物，无规聚合物， 无规共聚物，无，见嵌段共聚物，接枝共聚物，星形嵌段共聚物，树枝状聚 合物等，或包括至少一种前述有机聚合物的组合。用于振动板146中的示 例性有机聚合物为具有低于室温的玻璃化转变温度的弹性体。
所述有机聚合物的例子为：聚缩醛，聚烯烃，聚丙烯酸类，聚碳酸酯， 聚苯乙烯，聚酯，聚酰胺，聚酰胺酰亚胺，多芳基化合物，聚芳砜，聚醚 砜，聚苯硫，聚氯乙烯，聚砜，聚酰亚胺，聚醚酰亚胺，聚四氟乙烯，聚 醚酮，聚醚醚酮，聚醚酮酮，聚苯并恶唑，聚苯酞，聚缩醛，聚酐，聚乙 烯醚，聚乙烯硫醚，聚乙烯醇，聚乙烯酮，聚卣乙烯，聚乙烯腈，聚乙烯 酯，聚磺酸盐，聚硫化物，聚硫酯，聚砜，聚磺酰胺，聚脲，聚磷腈，聚 硅氨烷，苯乙烯-丙烯腈，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS)，聚对苯二甲酸
乙二醇酯，聚对苯二曱酸丁二酯，聚氨酯，三元乙丙橡胶（EPR)，聚四 氟乙烯，氟化乙烯-丙烯，全氟烷氧基乙烯，聚氯三氟乙烯，聚偏二氟乙烯， 等等，或包括至少一种上述有机聚合物的组合。
热塑性树脂的共混物的例子包括：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/尼龙，聚碳 酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/聚氯乙烯，聚苯醚/聚 苯乙烯，聚苯醚/尼龙，聚聰丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，聚碳酸酯/热塑性聚氨 基曱酸乙酯，聚碳酸酯/聚对苯二曱酸乙二醇酯，聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁 二醇酯，热塑性弹性体合金，尼龙/弹性体，聚S旨/弹性体，聚对苯二甲酸乙 二醇酯/聚对苯二曱酸丁二醇酯，乙缩醛/弹性体，苯乙烯-马来酸酐/丙烯腈 -丁二烯-苯乙烯，聚醚醚酮/聚醚砜，聚醚醚酮/聚醚酰亚胺，聚乙烯/尼龙， 聚乙烯/聚缩醛，等等。
热固性树脂的例子包括：聚氨酯树脂，天然橡胶，合成橡胶，环氧树 脂，酚醛树脂，聚酯树脂，聚酰胺树脂，聚硅氧烷，等等，或包括至少一 种前述热固性树脂的组合。也可采用热固性树脂的混合物以及热塑性树脂 与热固性树脂的混合物。示例性的热固性树脂为聚二曱基珪氧烷（PDMS )。 应注意，所述振动板可由活塞或其他适当的往复运动装置构成。
振动板146与振动源（未示出）物理地连接。振动源的一个例子为往 复运动的装置，例如连接到与混合室可滑动地连接的曲轴的活塞。在一个 实施例中，所述振动源是手动的。在另一个实施例中，所述振动源可以是 机械式的或机电式的。机械式的或机电式的振动源的例子为泵、压电驱动 器、形状记忆合金驱动器、气动驱动器等。振动源导致振动板振动，从而 促进相应流体的搅拌。在示例性的实施例中，所述振动板在竖直方向上振 动。振动源还可用于将混合流体移出混合室148，以通过所述第一排出通 道142排出。
如上所述，第二加热元件144设置在位于槽底部的第二表面104上。 第二加热元件144可用于加热槽的任意部分且由此产生第二温度梯度。如 图l所示，其用于产生水平方向上的温度梯度。其优选地用于加热引入到 混合器中的流体之一，从而混合室148中的流体之间的温差将促进流体彼
此之间的扩散。
图4A、 4B、 4C、 5A和5B描绘了图l所示实施例的示例性变型。在 图4A、 4B、 4C、 5A和5B所示的实施例中，混合器200 (图5A和5B ) 包括底板202 (图4C )、中间板204 (图4B )和顶板206 (图4A )。图 5A和5B描绘了图4A、 4B和4C中所示部件的组件。从图5A和5B可以 看到，顶板206设置在中间板204上并与之紧密接触，中间板204设置在 底板202上并与之紧密接触，相应的紧密接触防止了由于泄漏而导致的流 体损失。
现在参照图4A、 4B、 4C、 5A和5B，顶板和中间板都包括第一端口 210和第二端口 220，第一流体和第二流体可分别被引入所述第一端口和笫 二端口 。相应的流体分别经第一通道212和第二通道222流向混合室248。 在混合室248中混合之后，混合流体可经第三端口 230和笫三通道232从 混合器200中排出。混合流体可经排出通道和端口 （未示出）从混合器中 排出。
图6A、 6B和6C描绘了图1所示实施例的另一个示例性变型。在该 实施例中，混合器300包括4个或更多个板302、 312、 322和332。每个 板包括第一端口 304、第二端口 306、通道308和混合室310。第一流体被 导入第一端口 304,而第二流体被导入第二端口 306。由图6B和6C中的 组装好的混合器300可以看到，相应的通道308设置在交替的板中，以使 得相应的流体能够交错地进入混合室。这有利于第一流体和第二流体的搅 拌。混合流体可经排出通道（未示出）排出。
在图6B和6C所示的另一个实施例中，所述交替的板针对相应的混合 室可具有不同的直径。换句话说，混合室沿其高度具有不同的尺寸。这导 致混合室具有不规则的形状并允许相应的流体在不同的位置导入混合室， 从而进一步促进第一流体和第二流体的搅拌。
再次参照图1、 4A、 4B、 4C、 5A、 5B、 6A、 6B和6C，在一个实施 例中，在使用混合装置100的一种方式中，第一流体设置在第一室150中， 而第二流体设置在笫二室152中。毛细作用可将相应的流体吸入通道130、
132、 134、 136、 138和140中。此外，可使用压力以迫使相应的流体进入 混合室148。 一旦所述流体被安置到相应的第一和第二室中，便可启动第 二加热元件以产生水平方向上的温度梯度。随着流体进入混合室，可启动 振动板146和第一加热元件，从而促进存在于混合室中的流体的搅拌和扩 散。混合流体可由第一排出通道142排出。
如上所述，可在混合过程中加热相应的流体。在示例性的实施例中， 流体通常被加热到露点温度的约士15。C,特别地为约士10。C,更特别地为约 士5。C。
混合器能以各种不同的方式制造。在制造混合器的一种有利的方法中， 包括陶瓷的各种部件与用于制造加热元件的金属部件一同烧制。在另一个 实施例中，所述加热元件包括能与用在槽、底板或所述多个板中的陶瓷材 料一同烧制的陶瓷材料。
在一个实施例中，在制造混合器的一种方法中，所述方法包括将陶瓷 先驱体倒入第一模具、第二模具、第三模具等；第一模具具有槽或底板的 形状；第二模具具有顶板的形状；第三模具具有第一板的形状。如果需要 的话，第一模具、第二模具和第三模具均具有用于结合第一加热元件和第 二加热元件的一个腔或多个腔。然后使陶瓷先驱体在相应的模具中胶凝化， 以形成生坯部件（例如，生坯底板、生坯顶板和生坯第一板）。接下来将 生坯部件从相应的模具中取出。可使它们可选地经受真空处理以去除任意 溶剂和未反应的反应物。如果需要的话，可将可选的加热元件设置在相应 的腔中。如上所迷，所述加热元件可以是陶瓷的或金属的。金属的加热元 件设置在所述腔中，而陶瓷的加热元件可喷涂或涂覆到相应的生坯部件上。
然后将相应的生坯部件与对应的加热元件共同烧制，以生产陶瓷部件 (例如，陶瓷底板、陶瓷顶板和陶瓷第一板）。接下来通过所提供的互锁 装置将陶瓷部件组装到混合器中。接着将振动板设置在顶板之上，以便有 效地搅拌流体。振动板通常使用粘合剂粘合到顶板上。适当的粘合剂如氰 基丙烯酸酯或环氧树脂可用于所述粘合。
在一个实施例中，相应的生坯部件可首先在相应的才莫具中胶凝化，然
后被烧制（也称之为烧结）。在另一个实施例中，各个相应的部件例如板 和槽可被共同烧结以形成单一整体。
在一个实施例中，将相应的板和/或槽在它们各自的生坯形态下（烧结
之前）组装起来，然后共同烧结以形成包括单一部件的混合器100。在烧
结过程中，相应的板和/或槽彼此相互作用并永久地锁定就位。在替换实施
例中，只有选定的板能共同烧结在一起并随后被组装以形成混合器100。 接下来对烧结后的混合器进行机加工、修整（finishing)和组装操作以形 成混合器100。
修整操作可包括为相应的板提供端口和通道，以及消除毛边等。在一 个实施例中，所迷端口和通道可通过使用下述工艺进行加工：放电加工、 超声加工、微细超声加工、研磨流体加工、电化学加工、微细电化学加工、 7jc射流加工等，或包括至少一种前述工艺的组合。端口和通道的加工可在 烧结之前或之后进行。
修整后的板可涂覆各种能促使表面特性从润湿表面向非润湿表面转化 的表面修饰物。例如，烧结后的板可具有涂覆有聚四氟乙烯或聚二甲基硅 氧烷的表面，以改善表面的无粘特性。或者，所述表面可涂覆硅烷偶联剂 层，以降低表面的无粘特性（例如，实现分子在表面上更长的停留时间）。
在一个实施例中，多个混合器100能以模块的形式连接以便于多个操 作。现在参见图7，多个混合器100、 300、 500和700可串联、并联或串 并联组合地布置，以构成微流体混合装置。例如，在图7中，混合器100 可用于将第一流体与第二流体混合以形成第一混合流体，混合器300可用 于清洗第一混合流体，混合器500可用于将第三流体与第四流体混合以形 成第二混合流体，而混合器700可用于将第一混合流体与第二混合流体混 合，以形成第三混合流体。这样，可使用多个混合器来促进微升量的各种 不同流体组合的混合、反应、分离、清洗等。所述混合、反应、分离、清 洗等可在涉及不同的压力体系、温度体系等的多种不同的物理条件下进行。
所述混合器相比于其它传统混合器具有诸多优点。它能有利地用于混 合少量流体而不会带来流体的任何损失。它还能有利地用于对少量相应流
体进行分配、混合、反应和分析的芯片实验方面的组合的化学或实验室处 理。陶瓷材料的使用有利于在单个操作中制造板和槽。它还允许所述板和 槽被制造成能使用前述锁定机构快速组装起来的单个部件。由于混合器能 以模块的形式彼此连接，它们可根据要对相应流体执行的操作的数量而快 速和简便地连接和断开。
尽管已参照示例性的实施例对本发明进行了说明，但本领域技术人员 应理解，在不背离本发明范围的情况下能对本发明的元素作出各种变化和 等效替换。此外，还可作出多种修改以使特定的情况或材料适应本发明的 教导而不背离本发明的实质范围。因此，本发明并不限于作为本发明的最 佳实施方式所公开的特定实施例，而是应当包括处于所附权利要求范围内 的所有实施方式。