一种超声波电流体按需喷射装置及其喷射液滴的方法

技术领域

本发明涉及一种超声波电流体按需喷射装置及其喷射液滴的方法。

背景技术

超声波的能量集中、能量损失小、指向性好、反射性强，在液体中的传播距离远，易于获得较强的声能，因此超声波在液体的操控中有着广泛的应用。电场喷射技术具有喷嘴不易堵塞，可喷射材料范围广、喷射液滴尺寸小的优点，利用其喷射出的液滴一般在微米到纳米级，可用于3D打印，生物细胞分离、药物生产等领域。

大量文献中已经详细描述过声波喷射方法。例如专利文献“Elrod S A,Khuri-Yakub B T,Quate C F.Planarized printheads for acoustic printing:US 1988.”利用压电元件产生振动在液体中产生声波，利用球形的声透镜将声波聚焦在液面处，由于液体与空气的声阻抗不匹配，声波绝大部分在液面处发生反射，产生的声压推动液面发生喷射。类似的声波喷射技术已在多个专利中应用，如文献“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.”。大多数声波喷射技术都不需要喷嘴，可有效避免传统压力喷射方法喷嘴易堵塞的问题。通过调整超声波频率可以控制出口处的压力大小，进而在一定范围内控制液滴的尺寸。除了使用凹面聚焦声波外，也有文献使用菲涅尔透镜来聚焦声波，优点是菲涅尔透镜相比于凹面厚度更小，方便利用光刻蚀方法制作成透镜阵列以提高喷射的效率。但由于换能器工作频率范围限制，当要求的液滴直径变化范围较大时需要换用不同频率的换能器，如果存在其他方式的驱动力则在控制液滴尺寸时可以降低对声波频率的依赖。

电流体喷射技术是基于电场中电介质的极化现象。当电介质处于电场中时，由于电场的作用会使原本电中性的电介质中的分子产生电偶极矩，从而在电介质与外界的交界面产生高电荷密度。两种流体的交界面上的电荷会受到电场的作用力并因此积聚在液面的某一点处，当液面上的电场力足够大时，液体会突破表面张力的作用发生射流现象。很多文献基于此种现象开发了相应的电流体喷射装置。如“Barton K,Leo T LY.ELECTROHYDRODYNAMIC JET PRINTING DEVICE WITH EXTRACTOR:2014.”。

相比于传统压力喷射技术，电流体喷射技术更不易产生喷嘴堵塞的现象。但在喷射某些粘性过高、质量负载较大或颗粒较大的材料时也有可能产生喷嘴堵塞现象。当产生喷嘴堵塞现象时，传统的电流体喷射装置由于采用定压力或定流量输入，没有办法解决此问题。另一方面，当用于按需喷射时，由于电介质需要一定的时间来在液面尖端积累足够的电荷来突破电场力，导致电流体按需喷射的频率无法提高。为了提高电流体喷射的频率以提高喷射的效率，一般采用脉冲压力加电场力的共同作用来加速液滴喷射的过程，往往存在电场力作为一驱动力而脉冲压力作为另一驱动力，如文献“黄永安,钟瑞,刘宇等.一种用于电流体喷印的压电式集成喷头，CN201611136763.4”等，使用压电元件来提供腔体内的脉冲压力，与脉冲电压同时施加以加速泰勒锥以及液滴的形成，但此种方法压力较为分散，不能集中在喷射出口处。且在喷嘴处的压力大小不好控制，不利于产生均一的喷射液滴。

发明内容

为了解决现有的电流体喷射装置喷射频率低以及喷射某些特定材料时喷嘴依然有可能堵塞的问题，本发明提出一种超声波电流体按需喷射装置，该装置具有超声波换能器以及声学透镜，如凹面透镜或菲涅尔透镜，可以将超声波能量聚焦于喷射出口处以提供驱动压力，加速泰勒锥以及液滴的形成，以提高喷射的频率。当喷嘴在喷射某些粘性过高、质量负载较大或颗粒较大的材料时由于存在声压力和电场力的共同作用，喷嘴不易堵塞，提高了喷射材料的参数范围；同时当喷嘴堵塞时，可以使用一个较大的声压力脉冲以疏通喷嘴。

本发明还提出利用这种电流体液滴喷射装置喷射微液滴的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声波电流体按需喷射装置，包括基板，带孔板，介质基底，压电元件，激励信号源，电声换能器，储料腔，高压电源；其中基板接地，导电材质的带孔板连接在储料腔上，同时与高压电源连接，储料腔上开有溶液进口，喷射材料可以从溶液进口持续供应到储料腔中，储料腔底端连接在介质基底上，介质基底与喷射材料接触的一面上做成凹面声透镜或者接有菲涅尔声透镜，同时介质基底、储料腔以及带孔板除溶液进口以外的形状应为轴对称形状，介质基底底部与电声换能器连接，声电换能器上的压电元件受激励信号源控制。

进一步地，所述介质基底和菲涅尔声透镜的材料应与喷射材料声耦合。

进一步地，所述凹面声透镜或菲涅尔声透镜的焦点应位于带孔板的孔中心轴线上并位于孔的出口附近。

一种利用上述的超声波电流体按需喷射装置喷射液滴的方法，包括以下步骤：

(a)将带孔板，储料腔，介质基底中的杂质清除干净；

(b)通过压力或其他方式从溶液进口输入喷射材料，并使喷射材料充满储料腔，液面位置处于带孔板上的小孔处；

(c)通过高压电源输入脉冲高压到带孔板上，使带孔板和基板之间形成静电场，同时激励信号源输出脉冲信号到压电元件上，振动引发超声波，通过介质基底上的凹面声透镜或菲涅尔声透镜聚焦于带孔板的小孔处，在声压力和电场力的同时驱动下液面变形并发生喷射；

(d)脉冲高压及激励信号同时撤去后，喷射出的液体发生颈缩断裂，形成液滴并沉积到基板1上，完成一个喷射周期。

有益效果

本发明用于解决现有的电流体按需喷射装置喷射液滴频率较低的问题，本发明装置通过激励信号源控制超声波换能器产生超声波，并通过介质基底上的声透镜将超声波聚焦到喷射出口小孔上，同时在喷射出口小孔所位于的带孔板上施加脉冲电压以在带孔板和基板之间形成静电场，在声压力和电场力的共同作用下液面迅速变形并形成喷射液滴。由于存在声压力，泰勒锥和液滴的形成时间都会比传统喷射装置短，由此提高了装置的喷射频率；而且当喷射小孔堵塞时可以通过施加一个瞬时的较大的声压力来疏通喷射小孔，即，本发明通过将超声波喷射技术与电流体喷射技术结合以解决这些问题，将声压力和电场力共同作用在液面上以提高按需喷射的频率，同时在需要时利用超声波的能量疏通喷嘴。

附图说明

图1是本发明超声波电流体按需喷射装置的结构示意图；

图2为本发明中介质基底与喷射材料接触的一面上接有菲涅尔声透镜的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，本发明的一种超声波电流体按需喷射装置，包括基板1，带孔板2，介质基底4，压电元件5，激励信号源6，电声换能器7，储料腔9，高压电源10；其中基板1接地，带孔板2连接在储料腔9上，并为导电材质，同时与高压电源10连接，储料腔9上开有溶液进口3，喷射材料11可以从溶液进口3持续供应到储料腔9中，储料腔9底端连接在介质基底4上，介质基底4与喷射材料11接触的一面上做成凹面声透镜8或者接有菲涅尔声透镜12(如图2所示)，同时介质基底4、储料腔9以及带孔板2除溶液进口3以外的形状应为轴对称形状，介质基底4底部与电声换能器7连接，声电换能器7上的压电元件5受激励信号源6控制。

进行喷射时，首先清理储料腔9内部、介质基底4上的凹面声透镜8以及带孔板2，然后通过外部压力从溶液进口3将喷射材料11输送进储料腔9中并使液面位于带孔板2上的小孔处。

待液面稳定后，通过高压电源10输入脉冲高压到带孔板2上，使带孔板2和基板1之间形成静电场，同时激励信号源6输出脉冲信号到压电元件5上，振动引发超声波，通过介质基底4上的凹面声透镜8或菲涅尔声透镜12聚焦于带孔板2的小孔处，在声压力和电场力的同时驱动下液面变形并发生喷射。

脉冲高压及激励信号同时撤去后，喷射出的液体发生颈缩断裂，形成液滴并沉积到基板1上，完成一个喷射周期。由于超声波提供了驱动压力，该超声波电流体按需喷射装置的喷射频率较高；而且声透镜将能量聚焦于喷射出口小孔处，喷射出口处的声压力相较于溶液其他位置高很多，可以通过调整激励信号源6输出的频率调整超声波的频率，进一步控制喷射出口小孔处的声压力。

当喷射某些粘性过高、质量负载较大或颗粒较大的材料导致喷射出口堵塞时，可以通过调整激励信号源6以提高输出的超声波频率，提供一个较大的脉冲声压力以疏通喷嘴，保证喷嘴的正常工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。