矩形腔主动式微流体混合器的结构设计与数值仿真

陈芝强 方海旋

摘 要 在微米量级尺度下，由于微流体的雷诺数比较小，其对流作用带来的效应并不强烈，微流体的混合主要依靠分子间的扩散作用，将不同浓度的微流体均匀混合具有重要意义，因此开展了大量微流体混合器的研究。本研究采用有限元数值模拟方法，对所设计微流体混合器的混合结果进行模拟，并导出相应的浓度图与流线图。模拟结果显示，所设计矩形腔主动式微流体混合器能够有效打破微流体的层流状态，在微通道多处形成涡，实现微流体有效混合。本研究为微流控芯片的混合器结构设计提供理论参考依据。

关键词 微流体混合器 ；电极设计 ；有限元模拟 ；微流控芯片

中图分类号 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

以微流控技術为依托的微流控芯片以其微型化、便携化、可集成、成本低廉等特点成为研究的热门领域，在微流控技术中，将几种不同种类，不同浓度的微流体均匀混合具有重要意义，因此开展了大量微流体混合器的研究[1-4]。

在宏观条件下，所谓混合通常是指用机械或流体动力的方法，使两种或多种物料相互分散而达到一定均匀程度的单元操作，但是微米量级的尺度下与宏观流体流动有很大区别，微米量级尺度下流体的对流作用带来的效应并不强烈，在这种情况下，微流体的混合主要依靠分子间的扩散作用，所以在一定的实验要求之下，微流体的混合变得较为困难；微流体混合器能够有效促进微流体之间的混合，达到具体的实验要求[5]。

微流体混合器根据输入能量不同，可分为被动式微流体混合器和主动式微流体混合器2类。主动式微流体混合器的混合效果好，响应速度快，使用方便，在各个领域中得到广泛使用。本研究改进了微混合室内的挡块结构，优化了微混合室结构，减小了微流体流动损失，使得微流体混合时间更短，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

本研究所设计的矩形腔主动式微流体混合器，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）为材料，经过光刻、显影等工艺步骤制得光刻胶（SU8）模具。然后将与固化剂混合过的PDMS材料涂于模具上，经过加热固化后脱模制得PDMS阴模。再将与固化剂混合过的PDMS材料涂于聚碳酸酯（PC）片上，再加热固化后脱模制得PDMS平板。PDMS阴模与平板键合即能得到所需要的微流体混合器结构。

1.2 方法

本研究所设计的矩形腔主动式微流体混合器的结构见图1，具体包括第一微流体入口1，第二微流体入口2，挡板3，第一电极4，第二电极5，微混合室6，挡块7，第三电极8，第四电极9，微流体出口10。所设计微流体混合器工作过程是，微流体1从第一微流体入口1注入，微流体2从第二微流体入口2注入，流经微混合室6进行充分混合，从出口10流出。

为提高微流体混合器的混合效率，本设计采用更加简单的挡块结构，达到优化微流体混合器微混合室的效果，使得两种微流体的混合时间更短，沿途损失更小，所需消耗能量更小。同时为保证微流体混合器的混合质量，在微混合器的微混合室4个拐角处分别施加4个电极，且4个电极相间施加相同电势，使得两种微流体从各自入口流出，在初次交汇处便能实现混合，有效利用微混合器的空间结构。其后在流经微混合室的不同区域时，能够形成多个二次流漩涡，实现了微流体的充分混合。

图2给出了本次设计微流体混合器的几何参数示意图。由图2可知，微流体混合器的长度为140 μm，宽度为100 μm，总体结构为对称结构。所设计的挡板长度为10 μm，将第一微流体入口与第二微流体入口均匀隔开。挡块直径D为50 μm，其圆心与整个微流体混合器中心重合。微流体混合器的4个电极为圆弧结构，具体结构由正方形外廓4个直角倒角而成，倒角半径R为20 μm，具体可以细分为第一电极、第二电极、第三电极、第四电极。4个电极中第一电极与第三电极施加相同电势，第二电极与第四电极施加相同电势。流体混合器的混合室由正方形外廓所包含区域减去挡块所包含区域形成，正方形外廓边长L为100 μm；其左端连接第一微流体入口与第二微流体入口交汇处，右端连接微流体出口，整个混合室为中心对称结构。微流体混合器的第一微流体入口与第二微流体入口结构相同，为上下对称结构，其对称线与微流体出口的中心线共线；所述第一微流体入口与第二微流体入口的长度均为20 μm，宽度分别用a、b表示，数值均为15 μm，所述微流体出口长度为20 μm，宽度用c表示，数值为30 μm。

2 结果与分析

利用有限元模拟软件对主动式矩形腔微流体混合器的电场强度以及混合结果进行数字模拟[7-12]，并导出相应的电场图以及流线仿真图。

2.1 电场强度模拟

在模拟阶段，设定微流体混合器电极所施加电势为±0.3 V，在实际应用中，根据实际实验要求的混合精度增大或减小所施加电势。模拟结果表明，随着施加电势增大，两种微流体的混合程度越剧烈。但实际应用中所用到的颗粒强度往往比较脆弱，为防止过大电场强度对微流体内部颗粒造成损伤，实际应用中在保证混合精度的条件下应尽量使用较小电势值，且最大电势数值的绝对值不应超出0.5 V。本次模拟微混合室内电势分布如图3，微混合室内空间不均匀电场由不同电极施加不同电势产生，具体为第一电极与第三电极施加电势为0.3 V，第二电极与第四电极施加电势为-0.3 V。

2.2 混合效果模拟

为了验证所设计微流体混合器的混合效果，对流体在微混合室内的浓度图与模拟流线图进行讨论。第一种微流体从微流体混合器的第一微流体入口注入，初始流速为0.1 mm/s，第二种微流体从第二微流体入口注入，初始流速为同样为0.1 mm/s，两种微流体流经微混合室进行充分混合，从出口流出。两种微流体的密度均为1 000 kg/m3，动力粘度均为为0.001 Pa·s，电导率均为0.118 45 S/m，相对介电常数均为80.2。为方便模拟，设定从第一微流体入口注入的第一种微流体的初始浓度设为0 mol/m3，从第二微流体入口注入的第二种微流体的初始浓度设为1 mol/m3，两种微流体在流经微混合室之后在微流体出口流出浓度理论值应为0.5 mol/m3。

微混合室内各处微流体浓度见图4。从图4可以看出，在圆形挡块外圆周处微流体混合效果比较明显，且在微流体混合器出口处中间部分得到混合微流体浓度约为0.6 mol/m3，模拟结果表明，本次设计矩形腔主动式微流体混合器在一定程度上能够实现两种微流体的混合。

同时，为了验证电场强度对混合结果的影响[13-15]，将不同电场强度下流线图进行对比，图5a为0.1 V下微混合室内流线，图5b为0.3 V下微混合室内流线。

由图5可知，0.1 V下微混合室内部微流体流动过程中形成涡比较少，0.3 V下能够形成比较多的涡，实现更好地混合。因此，随着电场强度增大，两种微流体混合效果会越来越明显，可根据不同实验要求来设定施加电势，达到不同的混合效果。

3 小结

本研究所设计的具有新型结构的矩形腔主动式微流体混合器，进一步简化了挡块设计，优化了微混合室结构，降低对微流体的流动阻力，提高微流体混合效率。通过在微混合室不同位置设置电极，施加电势产生电场，通过电场力打乱微流体层流状态，实现两种微流体的混合。本研究微流体混合器整体尺寸较小，结构紧凑，不需要设计具有复杂结构的微流体通道，只通过布置4个电极的位置，合理施加电压，便可实现快速高质量的混合。同时，数值仿真结果表明，微流体混合器的混合效果与所施加电势相关，可通过调节施加电势值实现不同的混合效果。本研究结论为进一步优化主动式微流体混合器结构提供了一种参考，同时，也为检验微流体混合器混合效果提供了数字模拟方法。

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