根据有无外加驱动器,微混合器分为静态微混合器和动态微混合器。前者优点是容易实现、不需要动力源或运动元件、制造简单;缺点是混合时间长、效率低。具体的方法有:两股支流的接触与碰撞、分流及重汇合、分流、侧向干扰等。而动态混合器主要通过微型反应器和外加力场来实现对样品的混合操作。按作用原理可分为电动力式、磁动力式、超声波式、电磁致动式等。虽然混合效率高,但存在驱动电压偏高,与微器件的功率不匹配,有些只适合于有极性或磁性的液体等等,因此应用受到了很大的限制。
此外,生化指标通常采用光学法检测,文中的混合器在生化分析中兼有混合器与比色皿的双重作用。考虑到不同的应用场合需要考虑材料的可加工性、光学特性以及生物兼容性等,作者将PDMS确定为微混合器的材料。
1工作原理针对现有混合器存在的问题,并鉴于电磁驱动具有能耗小、响应快、作用力较大、结构设计简单等优点。文中的混合器采用电磁驱动来实现混合。
设计的微混合器工作原理如所示。具体工作过程为:在平面线圈中通人交变电流,使其产生交变磁场。磁场对永磁体作用,使其往复运动。
磁体与混合器底部薄膜固连,带动薄膜运动,使与其相邻的液体晃动,当振动引起的液体流动速度很篼时,在高速液流与周围低速液流之间的界面上出现剪切作用,从而产生大量的局部性漩涡。
这些漩涡迅速向四周扩散,又把更多的液体卷进漩涡中来,从而形成强对流实现液体的混合。
2设计及分析2.1混合器的贯序固液耦合分析对混合器进行动力学分析时要考虑结构、流场两种物理场的相互作用。从减少混合时间、提高混合效率为出发点,利用结构动力学、计算流体动力学理论,对微混合器进行贯序耦合法数值模拟。并利用有限元软件ANSYS、ANSYSCFX进行分析。
2.1.1振动膜的动力分析由于振动薄膜的振动引起混合器内部液体的动荡,振动薄膜是其结构场、流体场的耦合区域。为使混合更剧烈,希望电磁驱动力频率与振动体系的自然频率一致,使被混合液体发生较为剧烈的紊流。对振动膜做动力学分析来确定惯性和阻尼起重要作用时混合器的动力学特性。混合器工作时,振动薄膜与永磁体固联在一起,两者之间没有相对运动。所以振动薄膜的分析模型包括振动薄膜与永磁体,在分析中约束振动膜的周边。
由计算结果可以看出:在低阶振动中永磁体与振动薄膜都参与振动,属于整体振动;随着阶数的提篼,永磁体的振动程度越来越轻微,就只是振动薄膜的局部振动了。对于混合器来说,整体振动有利于混合,所以实际应用中尽量采用低阶振动模式。以面内扭转振型为转折点,之前的振型为整体振动,之后的振动为局部振动。以后的计算只是考虑振动薄膜的低阶振动为了得到结构场对流体场的作用,还需要对其应用谐响应分析来确定连续的周期性电磁力在混合器中产生的持续的周期响应。永磁体在平面线圈的磁场中所受到的磁场力可归结为分子电流所受到的力。由于分子电流在宏观上表现为磁化电流,所以可从磁场对永磁体所产生磁化电流的作用,来求出其所受磁场的作用力。永磁体在Z方向上受到的电磁力为:永磁体薄片在Z方向上的磁化强度;为平面线圈在Z方向上产生的磁场强度。
所示为不同激励下的薄膜中心的谐响应位移。可以看出:电磁激励值越大,薄膜中心的谐响应位移越大。在振动薄膜强度许可的条件下,电磁激励/N ffl2膜中心的谐响应位移(/=/;>电磁激励越大越好。
不同厚度的振动薄膜的谐响应位移随厚度的增加而降低;在50~250pm时,50厚的振动膜能取得最大的谐响应位移。