[发明专利]一种超声波电流体按需喷射装置及其喷射液滴的方法

说明书

本发明公开一种超声波电流体按需喷射装置及其喷射液滴的方法，该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。

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