微混合器研究进展_朱丽
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DOI:10.13250/j.cnki.wndz.2005.04.004
!"!# 器件与技术
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微混合器研究进展
朱 丽，侯丽雅，章维一
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（南京理工大学机械工程学院，南京
摘要：微混合器作为微全分析系统重要的组成部分，是目前微机电系统（!"!#）领域内的研究 热点。文章介绍了微混合器的设计要求与目标、加工方法与材料的选择、微混合的特点与混合机 理。微混合器一般可分为主动混合器与被动混合器，基于此分类方法，文章综述了微混合器的国 内外研究现状，并讨论了目前研究中存在的一些问题，展望了微混合器的研究前景。 关键词：微机电系统；微全分析系统；微混合器；主动混合器；被动混合器 中图分类号：5/2/62 文献标识码：7 文章编号：!83!90338 （"##2 ）#09#!809#4
［G］
报道了一种用于高速
化学反应的快速涡流式微混合器，他们设计的微混 和器通过利用涡流减小扩散距离而达到减少混合时 间的目的。图 C 是该涡流式微混合器的结构示意 图，通过 C2 个切线方向上的入口，液体 $ 和 E 高 速地 （速度为 ) H + 级）进入涡流室。据作者介绍， 由于该进样速度很高，在涡流室内产生了一个旋流 场，它有效地减少了各薄层间的距离，因此混合时 间可以大幅缩短。雷诺数为 B00 时，流速最高可达
［(］
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加工方法 在硅、玻璃、石英基片上制作微结构通常采用
光刻和刻蚀技术，该技术起源于制作半导体及集 成 电 路 芯 片 所 用 )% 工 艺 ， 由 薄 膜 沉 积 、 光 刻 和 刻蚀三个工序组成。 )% 工艺有如 下 优 点 ： ! 微 细 化；" 大批量生产；# 可使用多种材料；$ 可制出 电、磁、光等回路；% 不需单独的装配工序即能制 得运动机构； & 源自文库艺已实现了自动化。其缺点 是 ： 小批量生产的经济性不良，即周期长、成本高、 设备投资大；制得的形状和获得的运动是准平面型 的
IJC0G %) H +，混合时间最短可达 K %+。
/
微混合器研究进展
在宏观体系中，对于高雷诺数的低黏度流体，
通常采用产生湍流的方法，利用对流效应形成微区 分散结构进行混合，而对于高黏度流体或微结构 中，液流雷诺数很小使得液流很难产生湍动，扩散 效应在微结构混合过程中成为主要的控制因素。 微混合一般采用层流的混合机理。在层流条件 下达到有效混合的方法有：!微接触，即不互溶的 两相体系如液 < 液或气 < 液两相流体在同一微通道或 分别在相互接触的两个微通道内流动，形成平行的 流体层，通过相界面实现两相的微接触；" 拉长或 剪切层流，以增大流体间的接 触 面 积 ；#分 散 混 和，即通过管路几何形状设计将大的液流裂分成小 组分，从而产生更大的界面区域，实现更有效的混 微纳电子技术
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微纳电子技术
!""# 年第 $ 期
!"!# 器件与技术
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是直柱状的，不能做成口小肚大的腔；不能得到有 凹凸底部的形状。 !"#$ 技术用于复杂形状的制作 要与接合（粘、焊、键合）技术等配合来实现。 模塑法加工微管道，首先要用光刻和刻蚀的方 法制出微管道部分突出的阳模，然后在阳模上浇注 液态高分子材料，将固化后的高分子材料与阳模剥 离后就得到微管道基片，接着再与盖片进行封接。 热压法（%&’ ()*&++,-. ）是一种快速复制微管 道的技术，一般由钢架、加热与冷却系统、模具、 基片平台及加压系统组成整套装置。热压法也需要 先制出阳模，在加热装置中将聚合物基片加热至软 化温度，通过在阳模上施加一定压力并保持 /0120 +， 便可在聚合物基片上压制出与阳模凹凸互补的微管 道结构。 激光烧蚀法（!3+(4 3*53’,&- ）直接根据计算机 合；$ 混沌对流，即通过增强流体界面区域的拉伸 与折叠，以产生更大的流体间接触面积，从而实现 更快速的混和。 一般微混合器主要分为被动混合器与主动混合 器两种。主动混合器有外加扰动源，而被动混合器 一般只需要引起流体流动的压力源即可。
6$7 数据在金属、塑料 、 陶 瓷 等 材 料 上 加 工 复 杂
的微结构，是一种非接触式的加工工具。 软光刻 （ 8&9’ 5,’%&.43:%; ） 是 相 对 于 微 制 造 领 域中占主导地位的光刻而言的微图形转移和微细加 工新方法，克服了光刻技术不能在曲面上加工微结 构的缺点，而且无需昂贵的设备与超净的实验室环 境。以自组装单分子层、弹性印章和高聚物模塑技 术为基础，其核心是图形转移元件— — —弹性印章， 方法一般有微接触印刷法、毛细微模塑法、转移微 模塑法和复制微模塑法等。
图C 快速涡流式微混合器
［L］
［G］
E(++&’% 等人
与徐溢等人
［M］
研究了按层流
原理设计制作的交叉分液汇合式微混合器。其基本 原理为：因扩散时间与扩散距离的平方成正比，通 过将液流分裂成多个薄层液流，可以缩短液流间的 扩散距离，显著降低混合时间。该微混合器的结构
!""# 年第 $ 期
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!输入单元 !流体驱动单元 ! 流体控制单元 !混合单元 !反应室 !传感器 !输出单元等 !%! $%$%&
微混合器的加工 加工材料 微混合器一般以微管道为网络，将其它功能元 器件如微泵、微阀、微电极、微检测元件、连接器 等集成起来。 到目前为止，微混合器的加工材料已经从最初 的硅片发展到玻璃、石英、金属和有机高分子聚合 物等，如环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯 （"##$） 、 聚 碳 酸 酯 （ "% ） 和 聚 二 甲 基 硅 氧 烷 （ "&#’ ） 等
微纳电子技术
!""# 年第 $ 期
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!"!# 器件与技术
!"!# $%&’(% ) *%(+,-.-/0 !能耗低 !反应物消耗低 !体积小 !易于制造 !分析时间短 !效率高 !能够集成到更复杂的系统中
集成微混合器主要组成部分通常有： 质，且表面性质如润湿能力、表面吸附和表面反应 性等都有利于使用不同的化学方法对其进行表面改 性。使用光刻和蚀刻技术可以将微通道网络复制在 玻璃或石英基片上，因此玻璃和石英材料已广泛地 应用于制作微流体通道。 高分子聚合物种类多、选择面广、易于加工成 型而且价格便宜，非常适于大批量制作一次性微通 道网络。在微流体系统中常用电场力驱动液流，用 光学、电化学和质谱检测器进行分析。而不同高分 子材料的物理化学性质不同，因此需要根据加工工 艺、应用环境及检测方法等诸多因素和高分子聚合 物的光电、机械及化学性质，选择适用的类型。并 注意聚合物材料应具有良好的光学性质、易于加 工、在所使用的环境下是惰性的、具有良好的电绝 缘性和热性能、表面要有合适的修饰改性方法等。
［*］
。
硅及二氧化硅具有良好的化学惰性和热稳定 性，硅单晶生产工艺成熟，在半导体和集成电路上 得到广泛应用，而且硅的微细加工技术已日趋成 熟。目前的工艺水准已经能够在硅片上使用光刻技 术高精度地复制复杂的二维图像，并可以使用集成 电路加工工艺进行加工及批量化生产，而即便是复 杂的三维微结构，也能够使用整体及表面微加工技 术进行高精度的复制，因此，硅及二氧化硅材料首 先被用于制作微流体通道。硅材料的缺点在于易 碎、成本高、不透光、电绝缘性不够好且表面化学 行为复杂。这些缺点限制了其在微流体通道中的广 泛应用。当然，由于其良好的光洁度和成熟的加工 工艺，可用于加工微泵、微阀等微流体驱动及控制 元器件，此外在制作高分子聚合物微通道芯片时常 用来制作相应的模具。 玻璃和石英具有良好的电渗性和优良的光学性
!
引
言
乃至整个科学技术的发展起着重要的推动作用。微 全分析系统的目的是实现化学分析系统从试样处理 到检测的微型化、自动化、集成化与便携化。它具 备独特的优越性，如较短的响应时间、较少的试剂 和试样消耗量、易于小型化和自动化、效率高等 ［/］ 。 而微混合器正是一种可以实现上述优越性的微器件。 对于微结构中混合行为的研究是最近几年才得 到重视的，本文将对微混和器的发展现状、研究内 容及进展进行较系统的介绍和讨论。
［!， "］
。微化工系统主要包括微热、微
反应、微分离、微分析等。 最近的发展表明，由瑞士的 %&’( 和 )*+,-. 提 出的微全分析系统预计在未来 !# 年内将对分析科学
收稿日期： "##01!"1#/
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微混合器的设计与加工
微混合器的设计目标与组成 微混合器的设计目标主要有
［0］
：
基金项目：国家自然科学基金项目 （2#"32#3$ ） ；博士学科专项科研基金 （"##!#"44#!/ ）
。
在高分子聚合物基片上制作微结构技术有
+),$ 技术、模塑法、热压法、激光烧灼法和软光
刻等
［(］
。
+),$ （ -./0123450.6 24-7481913:;82 4<913:;82 ）
技术其加工路线大致为： ! 形成厚 =>?=>> ’: 的 抗 蚀 层 ， 其 材 料 为 "#$$ 等 ； " 图 形 曝 光 ， 光 源 采用来自同步加速器的、高度平行的软 @ 射线， 掩膜用厚 A* ’: 的铍箔和厚 =B ’: 的 铜 、 金 层 吸 收 体 ；#抗 蚀 剂 显 像 ， 形 成 深 的 抗 蚀 剂 三 维 形 状 （正型或负型） ；$ 用金属电铸或塑料、陶瓷等翻成 所需工件； % 去除抗蚀层。 +),$ 的优点是：深宽 比大，可达 =>> 以上，且沿深度方向的直线性和垂 直度非常好；与 )% 工艺相容；可用材料的种类较 多。但其不足是，成本比 )% 高得多；得到的形状
自 "# 世纪 $# 年代以来，随着纳米材料以及微 机电系统的迅速发展，人们对小尺度和快速过程领 域进行了大量研究。微化工技术是随之兴起的多学 科交叉的科技前沿领域之一，它是集微机电系统设 计思想和化学化工基本原理于一体并移植集成电路 和微传感器制造技术的一种高新技术，涉及化学、 材料、物理、化工、机械、电子、控制学等各种工 程技术和学科
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被动混合器
8(=> ?&( @&-. 等人
［2］
报道了一种 A 型微混
合器。作者进行了在不同进样压力下两种液体混合 效果的试验，并进行了计算机模拟。试验表明该 A 型微混合器的混合时间为毫秒级，且尽管在微管道 中很难产生湍流，但仍然可以通过产生二次流、回 旋流及旋涡获得快速混和。
B00C 年 8DEF%) 等人
23*(,+-(： 7A BC- D-> E&.B FG ,*H.F BFB&I &’&I>A*A A>AB-,A， ,*H.F,*J-.A &.- .-A-&.HC-+ K*+-I> *’ BC- G*-I+ FG %L%M .-H-’BI>6 NC- +-A*O’ OF&IA， G&P.*H&B*F’ B-HC’*QR-A &’+ ,&B-.*&IA FG ,*H.F,*J-.A &’+ BC- ,*J*’O ,-HC&’*A, &.- *’B.F+RH-+6 %*H.F,*J-.A &.- ,&*’I> +*S*+-+ *’BF E&AA*S- ,*J-.A &’+ &HB*S- ,*J-.A6 NC- .-A-&.HC AB&BRA FG ,*H.F,*J-.A &.- AR,,&.*(-+6 LJ*AB*’O E.FPI-,A &’+ GRBR.- +*.-HB*F’ &.- &IAF +*AHRAA-+6 4"5 %&,6*：%L%M；,*H.F BFB&I &’&I>A*A A>AB-,A；,*H.F,*J-. ；&HB*S- ,*J-. ；E&AA*S- ,*J-.
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化学反应的快速涡流式微混合器，他们设计的微混 和器通过利用涡流减小扩散距离而达到减少混合时 间的目的。图 C 是该涡流式微混合器的结构示意 图，通过 C2 个切线方向上的入口，液体 $ 和 E 高 速地 （速度为 ) H + 级）进入涡流室。据作者介绍， 由于该进样速度很高，在涡流室内产生了一个旋流 场，它有效地减少了各薄层间的距离，因此混合时 间可以大幅缩短。雷诺数为 B00 时，流速最高可达
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光刻和刻蚀技术，该技术起源于制作半导体及集 成 电 路 芯 片 所 用 )% 工 艺 ， 由 薄 膜 沉 积 、 光 刻 和 刻蚀三个工序组成。 )% 工艺有如 下 优 点 ： ! 微 细 化；" 大批量生产；# 可使用多种材料；$ 可制出 电、磁、光等回路；% 不需单独的装配工序即能制 得运动机构； & 源自文库艺已实现了自动化。其缺点 是 ： 小批量生产的经济性不良，即周期长、成本高、 设备投资大；制得的形状和获得的运动是准平面型 的
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微混合器研究进展
在宏观体系中，对于高雷诺数的低黏度流体，
通常采用产生湍流的方法，利用对流效应形成微区 分散结构进行混合，而对于高黏度流体或微结构 中，液流雷诺数很小使得液流很难产生湍动，扩散 效应在微结构混合过程中成为主要的控制因素。 微混合一般采用层流的混合机理。在层流条件 下达到有效混合的方法有：!微接触，即不互溶的 两相体系如液 < 液或气 < 液两相流体在同一微通道或 分别在相互接触的两个微通道内流动，形成平行的 流体层，通过相界面实现两相的微接触；" 拉长或 剪切层流，以增大流体间的接 触 面 积 ；#分 散 混 和，即通过管路几何形状设计将大的液流裂分成小 组分，从而产生更大的界面区域，实现更有效的混 微纳电子技术
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6$7 数据在金属、塑料 、 陶 瓷 等 材 料 上 加 工 复 杂
的微结构，是一种非接触式的加工工具。 软光刻 （ 8&9’ 5,’%&.43:%; ） 是 相 对 于 微 制 造 领 域中占主导地位的光刻而言的微图形转移和微细加 工新方法，克服了光刻技术不能在曲面上加工微结 构的缺点，而且无需昂贵的设备与超净的实验室环 境。以自组装单分子层、弹性印章和高聚物模塑技 术为基础，其核心是图形转移元件— — —弹性印章， 方法一般有微接触印刷法、毛细微模塑法、转移微 模塑法和复制微模塑法等。
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微混合器的加工 加工材料 微混合器一般以微管道为网络，将其它功能元 器件如微泵、微阀、微电极、微检测元件、连接器 等集成起来。 到目前为止，微混合器的加工材料已经从最初 的硅片发展到玻璃、石英、金属和有机高分子聚合 物等，如环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯 （"##$） 、 聚 碳 酸 酯 （ "% ） 和 聚 二 甲 基 硅 氧 烷 （ "&#’ ） 等
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集成微混合器主要组成部分通常有： 质，且表面性质如润湿能力、表面吸附和表面反应 性等都有利于使用不同的化学方法对其进行表面改 性。使用光刻和蚀刻技术可以将微通道网络复制在 玻璃或石英基片上，因此玻璃和石英材料已广泛地 应用于制作微流体通道。 高分子聚合物种类多、选择面广、易于加工成 型而且价格便宜，非常适于大批量制作一次性微通 道网络。在微流体系统中常用电场力驱动液流，用 光学、电化学和质谱检测器进行分析。而不同高分 子材料的物理化学性质不同，因此需要根据加工工 艺、应用环境及检测方法等诸多因素和高分子聚合 物的光电、机械及化学性质，选择适用的类型。并 注意聚合物材料应具有良好的光学性质、易于加 工、在所使用的环境下是惰性的、具有良好的电绝 缘性和热性能、表面要有合适的修饰改性方法等。
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硅及二氧化硅具有良好的化学惰性和热稳定 性，硅单晶生产工艺成熟，在半导体和集成电路上 得到广泛应用，而且硅的微细加工技术已日趋成 熟。目前的工艺水准已经能够在硅片上使用光刻技 术高精度地复制复杂的二维图像，并可以使用集成 电路加工工艺进行加工及批量化生产，而即便是复 杂的三维微结构，也能够使用整体及表面微加工技 术进行高精度的复制，因此，硅及二氧化硅材料首 先被用于制作微流体通道。硅材料的缺点在于易 碎、成本高、不透光、电绝缘性不够好且表面化学 行为复杂。这些缺点限制了其在微流体通道中的广 泛应用。当然，由于其良好的光洁度和成熟的加工 工艺，可用于加工微泵、微阀等微流体驱动及控制 元器件，此外在制作高分子聚合物微通道芯片时常 用来制作相应的模具。 玻璃和石英具有良好的电渗性和优良的光学性
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乃至整个科学技术的发展起着重要的推动作用。微 全分析系统的目的是实现化学分析系统从试样处理 到检测的微型化、自动化、集成化与便携化。它具 备独特的优越性，如较短的响应时间、较少的试剂 和试样消耗量、易于小型化和自动化、效率高等 ［/］ 。 而微混合器正是一种可以实现上述优越性的微器件。 对于微结构中混合行为的研究是最近几年才得 到重视的，本文将对微混和器的发展现状、研究内 容及进展进行较系统的介绍和讨论。
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技术其加工路线大致为： ! 形成厚 =>?=>> ’: 的 抗 蚀 层 ， 其 材 料 为 "#$$ 等 ； " 图 形 曝 光 ， 光 源 采用来自同步加速器的、高度平行的软 @ 射线， 掩膜用厚 A* ’: 的铍箔和厚 =B ’: 的 铜 、 金 层 吸 收 体 ；#抗 蚀 剂 显 像 ， 形 成 深 的 抗 蚀 剂 三 维 形 状 （正型或负型） ；$ 用金属电铸或塑料、陶瓷等翻成 所需工件； % 去除抗蚀层。 +),$ 的优点是：深宽 比大，可达 =>> 以上，且沿深度方向的直线性和垂 直度非常好；与 )% 工艺相容；可用材料的种类较 多。但其不足是，成本比 )% 高得多；得到的形状
自 "# 世纪 $# 年代以来，随着纳米材料以及微 机电系统的迅速发展，人们对小尺度和快速过程领 域进行了大量研究。微化工技术是随之兴起的多学 科交叉的科技前沿领域之一，它是集微机电系统设 计思想和化学化工基本原理于一体并移植集成电路 和微传感器制造技术的一种高新技术，涉及化学、 材料、物理、化工、机械、电子、控制学等各种工 程技术和学科
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被动混合器
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