[發(fā)明專利]一種超聲波電流體按需噴射裝置及其噴射液滴的方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202110096000.6
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112936845A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鐘宋義;魯耀輝;張丹;楊揚;彭艷;蒲華燕;孫鈺;劉富檣
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: B29C64/112
• 分類號: B29C64/112;B29C64/205;B33Y30/00;B06B1/06
• 代理公司: 上海新隆知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31366
• 代理人: 金利琴

本發(fā)明公開一種超聲波電流體按需噴射裝置及其噴射液滴的方法，該裝置通過激勵信號源控制超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，并通過介質(zhì)基底上的聲透鏡將超聲波聚焦到噴射出口小孔上，同時在噴射出口小孔所位于的帶孔板上施加脈沖電壓以在帶孔板和基板之間形成靜電場，在聲壓力和電場力的共同作用下液面迅速變形并形成噴射液滴。由于存在聲壓力，泰勒錐和液滴的形成時間都會比傳統(tǒng)噴射裝置短，由此提高了裝置的噴射頻率；而且當(dāng)噴射小孔堵塞時可以通過施加一個瞬時的較大的聲壓力來疏通噴射小孔。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超聲波電流體按需噴射裝置及其噴射液滴的方法。

背景技術(shù)

超聲波的能量集中、能量損失小、指向性好、反射性強，在液體中的傳播距離遠，易于獲得較強的聲能，因此超聲波在液體的操控中有著廣泛的應(yīng)用。電場噴射技術(shù)具有噴嘴不易堵塞，可噴射材料范圍廣、噴射液滴尺寸小的優(yōu)點，利用其噴射出的液滴一般在微米到納米級，可用于3D打印，生物細胞分離、藥物生產(chǎn)等領(lǐng)域。

大量文獻中已經(jīng)詳細描述過聲波噴射方法。例如專利文獻“Elrod S A,Khuri-Yakub B T,Quate C F.Planarized printheads for acoustic printing:US 1988.”利用壓電元件產(chǎn)生振動在液體中產(chǎn)生聲波，利用球形的聲透鏡將聲波聚焦在液面處，由于液體與空氣的聲阻抗不匹配，聲波絕大部分在液面處發(fā)生反射，產(chǎn)生的聲壓推動液面發(fā)生噴射。類似的聲波噴射技術(shù)已在多個專利中應(yīng)用，如文獻“Stearns R G,Qureshi SA.Acoustically ejecting a droplet of fluid from a reservoir by an acousticfluid ejection apparatus:US 2015.”、“Elrod S A,Hadimioglu B B,Lim M,etal.Lithographically defined ejection units:US 1996.”。大多數(shù)聲波噴射技術(shù)都不需要噴嘴，可有效避免傳統(tǒng)壓力噴射方法噴嘴易堵塞的問題。通過調(diào)整超聲波頻率可以控制出口處的壓力大小，進而在一定范圍內(nèi)控制液滴的尺寸。除了使用凹面聚焦聲波外，也有文獻使用菲涅爾透鏡來聚焦聲波，優(yōu)點是菲涅爾透鏡相比于凹面厚度更小，方便利用光刻蝕方法制作成透鏡陣列以提高噴射的效率。但由于換能器工作頻率范圍限制，當(dāng)要求的液滴直徑變化范圍較大時需要換用不同頻率的換能器，如果存在其他方式的驅(qū)動力則在控制液滴尺寸時可以降低對聲波頻率的依賴。

電流體噴射技術(shù)是基于電場中電介質(zhì)的極化現(xiàn)象。當(dāng)電介質(zhì)處于電場中時，由于電場的作用會使原本電中性的電介質(zhì)中的分子產(chǎn)生電偶極矩，從而在電介質(zhì)與外界的交界面產(chǎn)生高電荷密度。兩種流體的交界面上的電荷會受到電場的作用力并因此積聚在液面的某一點處，當(dāng)液面上的電場力足夠大時，液體會突破表面張力的作用發(fā)生射流現(xiàn)象。很多文獻基于此種現(xiàn)象開發(fā)了相應(yīng)的電流體噴射裝置。如“Barton K,Leo T LY.ELECTROHYDRODYNAMIC JET PRINTING DEVICE WITH EXTRACTOR:2014.”。

相比于傳統(tǒng)壓力噴射技術(shù)，電流體噴射技術(shù)更不易產(chǎn)生噴嘴堵塞的現(xiàn)象。但在噴射某些粘性過高、質(zhì)量負載較大或顆粒較大的材料時也有可能產(chǎn)生噴嘴堵塞現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生噴嘴堵塞現(xiàn)象時，傳統(tǒng)的電流體噴射裝置由于采用定壓力或定流量輸入，沒有辦法解決此問題。另一方面，當(dāng)用于按需噴射時，由于電介質(zhì)需要一定的時間來在液面尖端積累足夠的電荷來突破電場力，導(dǎo)致電流體按需噴射的頻率無法提高。為了提高電流體噴射的頻率以提高噴射的效率，一般采用脈沖壓力加電場力的共同作用來加速液滴噴射的過程，往往存在電場力作為一驅(qū)動力而脈沖壓力作為另一驅(qū)動力，如文獻“黃永安,鐘瑞,劉宇等.一種用于電流體噴印的壓電式集成噴頭，CN201611136763.4”等，使用壓電元件來提供腔體內(nèi)的脈沖壓力，與脈沖電壓同時施加以加速泰勒錐以及液滴的形成，但此種方法壓力較為分散，不能集中在噴射出口處。且在噴嘴處的壓力大小不好控制，不利于產(chǎn)生均一的噴射液滴。

發(fā)明內(nèi)容