[发明专利]一种压电式自动反应芯片

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动反应芯片，特别涉及一种压电式自动反应芯片。

背景技术

目前，微流体反应芯片是MEMS领域近年来发展起来的新型生化反应技术，由于可在较小体积下完成反应，试剂用量小、反应效率高、制备效果好，受到各国学者的广泛关注。

微流体反应芯片主要有主动式和被动式两种，其中被动式依靠微流体的自由移动实现混合，一般需要在流道中加设沟槽、弯角等二维或者三维结构来强化混合效果，存在流道长、体积大，反应过程不可控制等问题，主动式则依靠微搅拌、压力扰动、声波扰动等外部能量作用于反应过程，混合效果好，是目前构造微流体反应芯片的主要方法之一，但单一的主动扰动只能产生单一的混合效果、无法实现整个的复杂化学反应。在专利号为201210175152.6的《一种压电驱动微混合器及其制作方法和控制方法》的发明专利中，吉林大学刘国君等人首次将压电微泵引入微流体反应芯片领域，提出了一种利用压电泵驱动脉动输入的主动混合方式，证明了压电微泵在实现微流体脉动输入和可控混合方面的优势，但其仅仅只是一个混合装置，无法完成反应过程复杂、反应时间长、需主动搅拌扰动、严格温控(诸如贵金属纳米粒子的液相合成)的整个化学反应，其他主动形式的微流体反应器也存在着类似的缺陷。而本发明提出了一种双主动扰动的微流体反应芯片，将脉动输入与振动扰动分别作用于混合和反应过程，是一种集混合、反应、温控、搅拌于一体的多功能全自动的新型微流体反应芯片。

发明内容

本发明的主要目的是为了解决现有的压电式微流体反应器只能实现脉动混合，无法完成反应过程复杂、反应时间长、需主动搅拌扰动、严格温控(诸如贵金属纳米粒子的液相合成)的整个化学反应。

本发明的另一个目的是为了解决现有的叉指型换能器应用在微流体反应芯片中只能进行加热、没有直接作用于流体反应过程或者仅仅通过单一的声波扰动来实现主动混合以及相关装置的整体结构复杂、体积较大、不易于集成化和微型化的问题。

本发明为了达到上述目的、解决上述问题而提供的一种压电式自动反应芯片，首次提出利用叉指换能器产生振动扰动作用于微混合后的化学反应阶段，且可通过主动调控实现多种搅拌、扰动模态，是一种集混合、反应、温控、搅拌于一体的多功能全自动的新型微流体反应芯片。

本发明所述的压电式自动反应芯片的本体为迭片式层叠结构，从上至下设有数层，依次为微混合器层、第一绝缘层、换能器层和第二绝缘层，其中微混合器层内集成有振动混合池，第一绝缘层设在微混合器层和换能器层之间，换能器层内集成有叉指型换能器和芯片电极，叉指型换能器设在振动混合池的正下方，叉指型换能器与振动混合池的形状相应，振动混合池内的流体在叉指型换能器的作用下振动，叉指型换能器与芯片电极相连接，芯片电极与反应控制器相连，反应控制器由内置程序控制，反应控制器提供数字型电压信号通过芯片电极控制叉指型换能器工作，第二绝缘层设在换能器层的下部。

振动混合池与叉指型换能器的形状是对应的，圆形的振动混合池对应正方形的叉指型换能器、长方形的振动混合池对应长方形的叉指型换能器。

微混合器层内还集成有压电微泵、反应芯片进口、反应芯片出口和微混合流道，压电微泵的内腔与反应芯片进口连通，并且压电微泵的内腔通过微混合流道与振动混合池连通，振动混合池与反应芯片出口连通，压电微泵与换能器层内的芯片电极连接，反应控制器提供数字型电压信号通过芯片电极控制压电微泵的工作。

微混合器层为PDMS材料制成的透明层。

换能器层为一压电基片，压电基片为人造石英或铌酸锂或钽酸锂或锗酸铋单晶材料。

叉指型换能器是通过微电子加工工艺在换能器层上制得。

第二绝缘层的下部设有温控层，温控层上集成有铂金加热薄膜，温控层与换能器层内的芯片电极相连接，反应控制器通过芯片电极控制温控层工作。

压电微泵设有两个或数个，压电微泵的泵体结构为单腔体或多腔体结构。

微混合流道的结构形式为Y形或T形或星形。

当压电微泵设有两个时，与之相对应的微混合流道的结构形式为Y形或T形；当压电微泵设有多个时，与之相对应的微混合流道的结构形式为不同结构形式的星形。

本发明的工作原理：

压电微泵是利用压电振子的往复振动在泵腔内产生正压或负压，同时结合单向阀开启和关闭的协调运动，最终实现泵腔内流体的单向流动，通过反应控制器调节压电微泵的电压、频率、波形及相位等实现包括高低频脉动混合在内的各种不同混合模式，从而实现微流体的脉动注入及混合。