微混合器是生物医学微机电系统(BioMEMS)的重要组成部分。随着微机电系统(MEMS)的快速发展，基于硅结构的微流体控制系统(MieroFluidieControllings邓tem，简称产Fes)由于其尺寸微小、无效体积小、功耗低、控制精度高、响应速度快、易于小型化和自动化、效率高等特点[l]，得到了科学家们的广泛青睐，并己成为MEMS研究应用中的一个重要分支。这种微型化、集成化的微流体控制系统在微量化学分析与检测(微总分析系统，拌TAS)、微量液体或气体配给、打印机喷墨阵列、Ic芯片的散热与冷却、微型部件的润滑等领域有着广阔的应用前景川。微混合器已经在国内外引起了广泛的研究兴趣。本文介绍了微混合器及其分类，综述了微混合器的国内外研究现状，对微混合器的应用作了简要说明，展望了微混合器的研究前景。
1微混合器及其分类
微米到毫米级的微混合器是一种利用现代微制造技术在硅晶片和薄塑料片上制作成千上百个微通道或者微喷嘴，使流体分成数千股细微流束并迅速混合的微型流体混合机械，它可以在极短时间内(小于1ms)实现不同流体的混合。这些微混合器一般来说都是平面结构。由于微型混合器的体积小、结构复杂且紧凑，需要一些特殊的加工方法来实现设计的要求，目前常用的加工技术主要有:硅的湿式和干式蚀刻、Liga过程、注模技术、玻璃湿式蚀刻法，另外还要采用表面切割、打磨、钻孔、冲压。以及线切割、电弧切割、激光加工等技术。微混合器的类型很多，如两股液流的混合、高速喷射混合、多股支流混入主液流的混合、多次分流和混流的混合、交叉流等，还有使用外部设备进行搅拌的微型混合反应器，这些外部搅拌设备主要有超声波、热电搅拌和磁力搅拌等。所有微混合器的分类，按其混合的动力来源来分，一般分为被动微混合器和主动微混合器两类，按其混合机理来分，一般分为层流扩散混合器和对流紊乱混合器。被动式微混合器则是通遗流体的被动流动实现迅速混合，按流体流动的方向一般有平行混合式和交叉混合式;主动式微混合器是通过外界的作用如超声波振动或动电(electrokinetic)诱导循环来实现流体的迅速混合，需要增加较大体积的动力装置和消耗较大的能量。层流扩散混合器主要是基于多层流扩散混合原理，在硅片上蚀刻成大量的平行或者垂直的微流道将流体细分，因为微流道相当狭窄，流体产生的雷诺数相当小，流束之间的彼此干扰几乎不能发生而导致零对流混合，所以其混合主要借助微流体分成大量互相交叉的子流束间的分子扩散，产生跨越薄层流束扩散的时间与流束宽度的平方成正比。当流动被分裂成大量的微米尺度的子流束时，混合过程被快速完成，这种“多层结构”技术已被广泛应用于被动式微混合器的设计;对流紊乱混合器是在分子扩散的同时流体之间还有对流，主要借助于对流来提高流体间的混乱度从而提高混合效率。由于狭窄微流道的流体的雷诺数很难得到提高，这给微流体产生对流带来困难，于是考虑在保证反应时间的同时，减少微流道数量，稍微加宽流道，并改变微流道的几何形状或者在微流道旁边设置紊乱源(例如超声波振动或电动诱导等)使流体产生对流而达到混乱混合的效果。
2微混合器的国内外研究现状
在国内对微混合器的研究刚刚起步，目前仅见有徐溢等[3]关于含微混合器的微芯片设计的报道，其研究的微混合器是一种典型的被动微混合器.
被混合流体从2个不同的入口注入，微结构采用了多层流的混合机理，利用分散混合设计，通过管路几何交叉形状设计将液流裂分成小组分并以小的分流重新汇合，从而产生更大的界面区域，实现更有效的混合。微混合器的体积仅仅为0.53μL，由瑞士Giba公司按作者的设计要求制作。
国外及中国台湾地区的研究相对较多，主要工作集中在加工技术及其微流道和微喷嘴的设计和流体流动问题方面[4-6]，对于微流体的流动特征、混合机理等的研究较少。KochM.等[7]介绍2种简单的基于硅结构的微混合器，采用多通道细分流体，进行多层流扩散混合;RobinH.Liu等[8]也研究了一种弯曲微流道的被动微混合器，微流道被做成重复的C形用来提高对流混乱度，从而增强流体混合。NIlsen等[9]设计了一种平行通道的微混合器，流体被细分，等各个细微流束速度的大小和方向都相同时再进行同点汇合。zhenYang等[l0]研究的微流体超声波混合器是一种典型的主动微混合器，混合直接由超声振动引起，其使用范围一般在化学合成与微总分析系统(μTAS)，入口、出口和混合腔都是由玻璃制成，整个微流道蚀刻在硅基体上，振动膜在硅基的一边，超声振动由大量的压电陶瓷产生，压电陶瓷被粘结在振动膜上，由频率为60kHz的方形电波激发，而使层流混合液在混合腔(6mmX6mmX0.06mm)内连续而有效地混合。Paul，P.H.等[11]研制成一种电动微流体混合器，已申请专利，技术处于未公开状态。台湾清华大学微机电系统工程研究所在微混合器研发中提出利用表面张力及微结构，大幅增加待混合的液体的接触面，以及降低它们的混合尺度，使得混合在极短的时间内完成。最近，美国犹他大学KunChen[l2]和广东工业大学张仁元等正在对一种新设计思路的微旋流混合器进行合作研究，这种微混合器仍然采用多层流混合的原理，多层流由在混合腔内旋转的旋流产生，旋流由少量的喷嘴和引导叶片生成，可以避免蚀刻成千上万的微流道，这样就大大降低加工的复杂性和生产成本，它们的制作应用影相平版技术可容易地与其它MEMS设备整合。在这种微混合器中，旋流沿切线方向注射入混合腔，旋转强度可由喷嘴和引导叶片的外形改变来调整，注射速度愈高，喷嘴出口半径愈小，得到的旋流角动量愈大，来自不同切向的大角动量旋流在混合腔中就能够得到有效的混合。这种混合器的缺点主要是喷嘴对流体的摩擦阻力损失较大，另外，由于尺度的细微化，相对较长的引导叶片会使旋流产生很大的压降。相反，如果混合仅需要适度的旋转强度，则可对喷嘴出口面积作较大的调整以减少摩擦损失。
总的说来，在微混合器的研究过程中还存在着许多问题，其理论基础基于微流体力学，它与宏观流体力学有很多方面的区别，同时也提出更多的挑战。在以下几个方面还有待不断的研究和探索。①微尺度效应:尺度效应一般可分为力的尺度效应和物性的尺度效应。力的尺度效应近来是人们讨论比较多的热门话题，但各种文献中给出的力随尺度变化的关系却并不统一，还需要理论和实验的进一步验证。物性的尺度效应由于实验条件的限制，目前研究也仅限于对粘性随尺度变化的一些奇异现象，而且实验结果数据量少，也同样期待着大量实验的验证。在微尺度下，方程的适用性问题是首先应该考虑的问题，显然，用于描述大尺度流体器件的传统流体力学模型，如具有流体一固体界无滑移边界条件的Navier-Stokes方程预示方法已不再能用。由于从宏观到微观尺度变化很大，流体在微观条件下的运动状态需要区别对待，使用在宏观条件下成立的假设和相应的方程需要
进行限制和修正，在这方面的工作还没有得到统一。另外，在微尺度下流体流动状态的区别需要重新认识，在宏观条件下，层流向紊流的转折固体界面点通常在雷诺数Re=2000~2300左右，而在微尺度下此标准不再适用，这是因为微混合微流道的尺寸小于流体由层流充分发展为紊流的尺寸，流体动能损失主要表现为粘性与摩擦损失，从本质而言是边界层损失与分子力作用导致的损失.②表面效应:表面效应通常是微流道内流体流动研究中最为关心的间题，小尺度流体器件中表面积呈百万倍的增加会影响到沿表面的质量和动量输运，这使连续近似不再成立，而滑移流、热蠕性、稀薄性、粘性耗散、可压缩性、变物性、分子间力及其它非传统效应不得不考虑。表面效应可分为表面形貌效应和表面力效应。所谓表面形貌主要是指粗糙蔚微流道内流动阻力的影响，这方面的研究人们做了很多工作，但结果不尽相同，有时甚至是相互矛盾的。表面力效应则内容丰富得多，例如微尺度下的表现粘附力、表面摩擦力、表面吸收层问题以及表面亲和力等。虽然表面力效应大多数都可以从分子间作用力的角度合理解释，但有些具体的系统工作还没真正的展开，还有很大的发展空间。③多相流间题:在微混合器微流动特征和混合机理的研究方面，人们通过CFD模拟和光学实验方法获得了对现有的微混合器微通道内流体单相混合的层流和紊流混合机理和流动特征，研究结果表明由于平面结构微混合器中流道仅在一个方向上是微米和亚微米结构，其流动和混合过程与多孔介质和其它微系统内的微流动机理是十分不同的，这是因为二次流和湍流束在横向的生长被低流道最高限限制，所以在流体流动方向是很少受到限制的。
尽管如此，在许多微混合器应用场合，如用于空气污染监测的湿度微传感器、微热机和热泵的蒸发器和冷凝器，在微混合器流体混合过程中，混合流体具有不同的温度、湿度或物态，混合过程中必然存在着微相转变和扩散所导致的复杂的混合和能量输运机理。显然，单相流体的微混合机理和流动机理仍不能正确地反映微混合器内多相流体的混合过程。因此，对于微混合过程中多相混合机理及其所伴随的相变过程是微混合器微流动和混合机理研究中需要进一步开展的重要研究课题，已有的研究在这方面是欠缺的。
3微混合器的应用
微混合器作为微流体元件之一，它的应用主要体现在与其它微流体元件(包括微阀、微泵、微流量计、微喷嘴等)一起，整合成具有不同功能的智能化微型流体系统在生物芯片中的作用。
生物芯片技术是近年来兴起的一项综合性的高新技术，它以微机电系统技术和生物技术为依托，将生命科学研究中的许多不连续过程(如样品制备、生化反应、检测等步骤)集成并移植到一块普通邮票大小的芯片上去，并使这些分散的过程连续化、微型化，以实现对大量生物信息进行快速、并行处理的要求。生物芯片概念的提出是受到了计算机芯片的启发。狭义的生物芯片是指包埋在固相载体(如硅片、玻璃和塑料等)上的高密度
DNA、蛋白质、细胞等微阵列芯片，如DNA微阵列、寡核昔酸微阵列和蛋白质微阵列等。这些微阵列由生物活性物质以点阵的形式有序地固定在固相载体上形成。在一定的条件下进行生化反应，将反应结果用化学荧光法、酶标法、电化学法显示，然后用专门的生物芯片扫描仪或电子信号检测仪采集数据，最后通过专门的计算机软件进行数据分析。广义的生物芯片是指任何能对生物分子进行快速并行处理和分析的微型固体薄型器件。在生物、化学、材料等科学实验中，经常需要对流体进行操作，如样品DNA的制备、PCR反应、电泳检测等操作都是在液相环境中进行。如果要将样品制备、生化反应、结果检测等步骤集成到生物芯片上，则实验所用流体的量就从毫升、微升级降至纳升或皮升级，这时功能强大的微流体装置就显得必不可少了。因此随着生物芯片技术的发展，微流体技术作为生物芯片的一项关键支撑技术也得到了人们越来越多的关注。与微电子技术不同，微流体技术不强调减小器件的尺寸，它着重于构建微流体通道系统来实现各种复杂的微流体操纵功能。与宏观流体系统类似，微流体系统所需的器件也包括泵、阀、混合器、过滤器、分离器等。尽管与微电子器件相比，微通道的尺寸显得相当大，但实际上这个尺寸对于流体而言已经是非常小。微通道中的流体流动行为与人们在日常生活中所见的宏观流体流动行为有着本质的差别，因此微泵、微阀、微混合器、微过滤器、微分离器等微型器件往往都与相应的宏观器件差别甚大[13]。
另外，微混合器与其它微流体元件一起构成的微流体系统在微小型化学化工机械系统中的应用也逐渐得到人们的关注，微流体技术可以大大提高传热和传质效率，由于尺度的微细，面体比增大、表面作用增强，从而导致传递效果有明显的增强，比常规尺度提高2-3个数量级。将微流体技术应用于化学化工机械系统中，可以使与化学过程相关的许多领域产生革命性的变化，目前，在发达国家，这一研究领域已渐成学科前言的热点。可以预期未来的微小型化学化工机械系统将在过程工业、运输、空间探索、医疗、环境保护等诸多方面发挥重要作用。
4结语
综上所述，随着MEMS技术的不断发展，应用于上述各个领域的微混合器必将成为今后微流体系统中研究的一个热点，并逐渐实现产业化。由于从宏观到微观尺度变化很大，流体在微观条件下的流体运动状态和流体特征需要重新认识和区别对待，使用在宏观条件下成立的假设和相应的方程来解释微流体需要进行限制和修正，因此基于微流体力学的微混合器的基础理论的研究会带来很多新的挑战。在其结构设计方面，特别是微流道和微喷嘴设计的多样性，将会带来更多新型的微混合器。各种不同结构、不同混合机理、不同应用领域的微混合器不久将会应运而生。近些年来，纳米科技的研究急速兴起将会为微混合器的研究提供更多的手段和方法，两者的结合又将是一个全新的领域。
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作者：张仁元:1941年生，男，教授、博士生导师，主要研究方向为能源材料、流动与传热T
