036_093-121AP-TW

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036_093-121AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

發明專利說明書


※申請案號：093139866	※I P C 分類：B01F 5/00 B81B 1/00

一、	發明名稱：
	微型混合器（全文下載）
	MICROMIXER

二、

中文發明摘要：

本發明係關於一種微型混合器，包含一流道本體及複數個次流道。該流道本體具有一混合室，該混合室係由至少一檔板所組成，該檔板之一端係連接至該流道本體之內側壁。該等次流道係連接至該流道本體，用以分別注入複數所欲混合之流體，使其於該混合室內進行混合。藉此，可達到非常好的混合效果，而不用製作複雜的幾何形狀流道，減少額外的設計與製程步驟且降低成本。

三、

英文發明摘要：

The present invention relates to a novel micromixer including a main channel and a plurality of sub-channels. The main channel has a mixing chamber which consists of at least one baffle. One end of the baffle is connected the inner side wall of the main channel. The sub-channels are connected to the main channel and are used for injecting a plurality of fluids to be mixed into the mixing chamber. As a result, excellent mixing efficiency is obtained, and there is no need to design complicated microchannel structure, which can reduce manufacture process and cost.

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第1圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：
	1‧‧‧本發明第一實施例之微型混合器
	11‧‧‧流道本體
	12、13‧‧‧次流道
	14‧‧‧混合室
	15、16、17‧‧‧檔板
	111‧‧‧內側壁
	A‧‧‧主流道
	B‧‧‧出口流道

五、	本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、	發明說明：
	【發明所屬之技術領域】
[0001]	本發明係關於一種微型混合器之結構，詳言之，係關於一種內含至少一檔板之微型混合器之結構。
	【先前技術】
[0002]	目前一般的微型混合器(micromixer)主要分為兩種：主動式混合器(active micromixer)和被動式混合器(passive micromixer)。主動式混合器的混合原理乃利用外力驅使欲混合的流體產生相互運動，進而達到混合的效果，如：以利用邊壁的電極分布，使其在適當距離呈現高、低連續相間隔的電位能分佈，藉由電位能δ-potention的差異，讓流體呈現迴流的狀態達到混合效果，如[H. Y. Wu and C. H. Liu, "A novel electrokinetic micromixer," The 12^th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems, Boston, U.S.A., pp. 631-634, 2003.]所揭示。
[0003]	被動式混合器的混合原理則是以混合器上之微流道結構上的改變使得流體的流場狀態改變，並產生混沌流狀態，如[A. D. Stroock, S. K. Dertinger, A. Ajdari, I. Mezic, H. A. Stone and G. M. Whitesides, "Chaotic Mixer for Microchannels," Science, vol. 295, pp.647-651, 2002.]及[X. Niu and Y. K. Lee, "Efficient spatial-temporal chaotic mixing in microchannels," Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 13, pp.454-462, 2003.]所揭示，以此增加混合流體的接觸面積，進而達到混合效率，如：以T型流道為基本架構當作混合器，並利用改變兩入口與混合流道本體間的角度，探討流體進入角度對混合的影響，如[D. Gobby, P. Angeli and A. Gavriilidis, "Mixing characteristics of T-type microfluidic mixers," Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol 11, pp. 126-132, 2001.]及[M. Engler, N. Kockmann, T. Kiefer, P. Woias, "Numerical and experimental investigations on liquid mixing in static micromixers" Chemical Engineering Journal 101, pp. 315-322, 2004.]所揭示。
[0004]	目前做較多研究的微型混合器為T型混合器，此乃將預混合兩種液體由T型流道兩旁注入，因為此型混合器較為簡單且混合效果也相當不好，故會將其中間混合流道作以變化，如[G. T. dA. Kovacs, "Micormachined Transducers Sourcebook," McGraw-Hill, New York, p.808, 1998.]所揭示。甚者將兩注入流道作角度上的變化，類似Y型和箭頭形狀的流道，此型的混合器為了達到混合效果需將雷諾數提高使得壓降變大而需要加入更多的功。其它類型的微型混合器在幾何結構上較為多元，如[Sung-Jin Park, Jung Kyung Kim, Junha Park, Seok Chung, Chanil Chung and Jun Keun Chang, "Rapid three-dimensional passive rotation micromixer using the breaknp process" Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol 14, pp. 6-14, 2004.]所揭示，使得製程將更為複雜，不符合一般實驗室的製作且混合器的尺寸也會變大，故成本需求也相對地提高。
[0005]	因此，有必要提供一種創新、簡單且具進步性的微型混合器，以解決上述問題。
	【發明內容】
[0006]	本發明之主要目的係提供一種微型混合器，其係利用簡單的矩形擋板產生流體的渦流與噴嘴效應即可達到非常好的混合效果，而不用製作複雜的幾何形狀流道，減少額外的設計與製程步驟且降低成本。
[0007]	本發明之另一目的係提供一種微型混合器，其係利用簡單的矩形擋板產生流體的渦流與噴嘴效應即可達到非常好的混合效果，其在較低的雷諾數下就有較佳的混合效果，而且可以依據所需的混合比例，調整流道本體之流體流速，即可得到所需混合比。
[0008]	為達上述目的，本發明提出一種微型混合器，包含一流道本體及複數個次流道。該流道本體具有一混合室，該混合室係由至少一檔板所組成，該檔板之一端係連接至該流道本體之內側壁。該等次流道係連接至該流道本體，用以分別注入複數所欲混合之流體，使其於該混合室內進行混合。
	【實施方式】
[0009]	參考圖1，顯示根據本發明微型混合器之第一實施例之示意圖。本實施例之微型混合器1，包含一流道本體11及二次流道12、13。該流道本體11具有一主流道 A、一混合室14及一出口流道B，該混合室14係由至少一檔板所組成。在本實施例中，該混合室14係由三檔板15、16、17所組成。然而可以理解的是，本發明並不限於三個檔板。該等檔板15、16、17係為平板狀結構，其高度係大於該流道本體11之寬度之一半以上。該等檔板15、16、17之一端係連接至該流道本體11之內側壁111，且與該內側壁111相垂直。此外，在本實施例中，相鄰之檔板分別連接至該流道本體11之相對內側壁111上，亦即，如圖中所示，該檔板15係連接至位於下方之內側壁111，接著，該檔板16係連接至位於上方之內側壁，接著，該檔板17係連接至位於下方之內側壁111，如此依序交錯排列。
[0010]	該等次流道12、13係連接至該流道本體11，用以分別注入複數所欲混合之流體該流道本體11內，使其於該混合室14內進行混合。在本實施例中該等次流道12、13係連接至該流道本體11之混合室14之內，亦即，如圖中所示，該等次流道12、13於該流道本體11之內側壁111上之開口係位於檔板15及檔板16之間。本發明所欲混合之流體係選自由水、酒精、生物血清、可相溶之化學流體、可相溶之生物流體、可互溶之化學流體及可互溶之生物流體所組成之群。
[0011]	參考圖2，顯示本發明中混合室14內之混合流體因檔板之作用而產生之渦流分佈圖。本發明主要是利用該等檔板15、16、17在該流道本體11上所形成的該混合室14，當流體流經過該等擋板15、16、17 時，會形成類似噴嘴的作用，如圖中箭頭所示。在本實施例之混合室14中，主流體從圖中左側向右側流動(亦即從主流道A流向出口流道B)，在每個擋板15、 16、17與該流道本體11之內側壁111交界處，產生渦流且因流體經過的方向影響，造成渦流的旋轉方向不同造成混合，且因為該等次流道12、13注入的流體對流道本體11內之主流體的衝擊，進而使得該等次流道12、13所注入之流體有較佳的混合效率。
[0012]	本實施例之製法如下，首先採用SU-8厚膜光阻以微影製程在矽晶圓上製作該微型混合器1之母模；再以聚二甲基矽氧烷(Polydimethysiloxane, PDMS)為材料翻模製作該微型混合器1。可以理解的是，製作該微型混合器1之材質也可以是高分子材料、玻璃、矽或陶瓷等。該微型混合器1之主要參數有：該流道本體11上該等擋板15、16、17之數目、該等擋板15、16、17之尺寸、所欲混合之流體之注入位置、該主流道A之入口流速及該混合室14的大小。透過數值模擬與實驗之結果比較各種變數對於該微型混合器1混合效率之影響，隨後可經由實驗照片而發現在該流道本體11中沒有設置擋板到設置三個擋板 15、16、17，其混合效率可得到很大的改善，故得知該等擋板15、16、17的設置數目對混合效果產生最大的助益，而其餘變數雖對混合效率產生影響但仍較擋板數目之影響小。
[0013]	參考圖3，顯示利用本發明第一實施例之微型混合器混合時之俯視照片圖。該微型混合器1之尺寸如下，(1)該主流道A：寬400μm，長6.0mm;(2)該等次流道12、13：寬60μm，長1.0mm; (3)該出口流道B：寬400μm，長7mm;(4)該等擋板15、16、17：高300μm，寬40μm;(5)該混合室14：長400μm，寬 400μm。其中黑色液體為墨汁和水的混合，其比例約為1:99。透明的液體則為酒精。在本實施例中，該等次流道12、13內所欲混合之流體(透明之酒精)係注入該檔板15及該檔板16之間，且在擋板與該流道本體11內側壁 111之交界處產生渦流，因此當混合流體流過第三個擋板(即檔板17)後，可看到黑色水的顏色褪掉成為較灰色的混合液體，顯見兩種流體混合效果已大大改善，且大約流經該出口流道B三分之一左右時，混合流體已趨於穩定。
[0014]	參考圖4，顯示根據本發明微型混合器之第二實施例之示意圖。本實施例之微型混合器4，包含一流道本體41及二次流道42、43。該流道本體41具有一主流道C、一混合室44及一出口流道D，該混合室44係由至少一檔板所組成。在本實施例中，該混合室44係由三檔板45、46、47所組成。該等檔板45、46、47係為平板狀結構，其高度係大於該流道本體41 之寬度之一半以上。該等檔板45、46、47之一端係連接至該流道本體41之內側壁411，且與該內側壁411相垂直。此外，在本實施例中，相鄰之檔板分別連接至該流道本體41之相對內側壁411上，亦即，如圖中所示，該檔板45係連接至位於下方之內側壁411，接著，該檔板46係連接至位於上方之內側壁，接著，該檔板47係連接至位於下方之內側壁411，如此依序交錯排列。
[0015]	本實施例與第一實施例大致相同，不同處僅為該等次流道42、43之位置。在本實施例中，該等次流道42、43係連接至該流道本體41之混合室44之外，亦即，如圖4中所示，該等次流道42、43於該流道本體41之內側壁411上之開口係位於該流道本體41之主流道C。
[0016]	參考圖5，顯示利用本發明第二實施例之微型混合器混合時之俯視照片圖。該微型混合器4之尺寸與第一實施例之微型混合器4相同。在本實施例中，次流道42係注入一黑色液體，次流道43係注入一透明液體。該黑色液體及該透明液體先會合於該主流道C，再流至該混合室 44。由圖中可看出在該主流道C內並不會發生混合情況。而當該黑色液體及該透明液體流進該混合室44後，該黑色液體及該透明液體會在擋板與該流道本體41 內側壁411之交界處產生渦流，因而造成該二流體發生混合。
[0017]	惟上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非用以限制本發明。因此，習於此技術之人士可在不違背本發明之精神對上述實施例進行修改及變化。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
	【圖式簡單說明】
[0034]	圖 1顯示根據本發明微型混合器之第一實施例之示意圖；圖2顯示本發明中混合室內之混合流體因檔板之作用而產生之渦流分佈圖；圖3顯示利用本發明第一實施例之微型混合器混合時之俯視照片圖；圖4顯示根據本發明微型混合器之第二實施例之示意圖；及圖5顯示利用本發明第二實施例之微型混合器混合時之俯視照片圖。
	【主要元件符號說明】
[0018]	1‧‧‧本發明第一實施例之微型混合器
[0019]	4‧‧‧本發明第二實施例之微型混合器
[0020]	11‧‧‧流道本體
[0021]	12、13‧‧‧次流道
[0022]	14‧‧‧混合室
[0023]	15、16、17‧‧‧檔板
[0024]	41‧‧‧流道本體
[0025]	42、43‧‧‧次流道
[0026]	44‧‧‧混合室
[0027]	45、46、47‧‧‧檔板
[0028]	111‧‧‧內側壁
[0029]	411‧‧‧內側壁
[0030]	A‧‧‧主流道
[0031]	B‧‧‧出口流道
[0032]	C‧‧‧主流道
[0033]	D‧‧‧出口流道

七、

申請專利範圍：

1. 一種微型混合器，包含：一流道本體，具有一混合室，該混合室係由至少一檔板所組成，該檔板之一端係連接至該流道本體之內側壁；及複數個次流道，連接至該流道本體，用以分別注入複數所欲混合之流體，使其於該混合室內進行混合。
2. 如請求項1之微型混合器，其中該檔板之數目係為複數個，且相鄰之檔板分別連接至該流道本體之相對內側壁。
3. 如請求項1之微型混合器，其中該檔板之高度係大於該流道本體之寬度之一半以上。
4. 如請求項1或2之微型混合器，其中該等次流道係連接至該流道本體之混合室之內。
5. 如請求項4之微型混合器，其中該等次流道於該流道本體之內側壁之開口係位於相鄰二檔板之間。
6. 如請求項1或2之微型混合器，其中該等次流道係連接至該流道本體之混合室之外。
7. 如請求項6之微型混合器，其中該流道本體更包括一主流道，該等次流道於該流道本體之內側壁之開口係位於該主流道。
8. 如請求項1之微型混合器，其中該等流體係選自由水、酒精、生物血清、可相溶之化學流體、可相溶之生物流體、可互溶之化學流體及可互溶之生物流體所組成之群。
9. 如請求項1之微型混合器，其中該微型混合器之材質係選自由高分子材料、玻璃、矽及陶瓷所組成之群。
10. 如請求項1之微型混合器，其中該檔板係為一平板狀結構。
11. 如請求項10之微型混合器，其中該檔板係與該流道本體之內側壁相垂直。

八、	圖式：
	圖1 圖2 圖3 圖4 圖5

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