一种基于声表面波的微滴喷射装置和微滴喷射方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于声表面波的微滴喷射装置，包括：压电基片、液体输运装置、设置于压电基片上的两个相对排列的叉指换能器和微流体通道；微流体通道布置在两叉指换能器的中心连接线的中垂线上，微流体通道包括设置在中心的微滴喷射柱、对称设置在微滴喷射柱两侧的储液腔体以及连接微滴喷射柱和储液腔体的流体传输部，微滴喷射柱上端部设有中心喷孔，储液腔体与液体输运装置连接；两个叉指换能器在相同的射频信号驱动下，在压电基片的上表面产生两列方向相对的相同频率和速度的行波声表面波，叠加形成驻波声表面波，驱动微滴喷射柱内的液体沿中心喷孔方向形成液柱，液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。解决装置结构复杂、效率低的问题。

A Micro-droplet Injection Device and Method Based on Surface Acoustic Wave

The invention discloses a droplet injection device based on surface acoustic wave, which comprises a piezoelectric substrate, a liquid transport device, two relatively arranged interdigital transducers and a microfluidic channel arranged on the piezoelectric substrate; a microfluidic channel is arranged on the central vertical line of the central connection line of the two interdigital transducers, and a microfluidic channel includes an arrangement. In the center of the micro-droplet injection column, the liquid storage chamber symmetrically arranged on both sides of the micro-droplet injection column and the fluid transmission part connecting the micro-droplet injection column and the liquid storage chamber, the upper end of the micro-droplet injection column is provided with a central nozzle, and the liquid storage chamber is connected with the liquid transport device; two interdigital transducers are driven by the same radio frequency signal and piezoelectric. The superficial surface of the substrate generates traveling wave surface acoustic waves with the same frequency and velocity in two directions, which superimpose to form standing wave surface acoustic waves. The liquid in the micro-droplet injection column is driven to form a liquid column along the direction of the central nozzle hole. The liquid column has the effect of droplet clamping at the end and sprays a single droplet. To solve the problems of complex structure and low efficiency of the device.

【技术实现步骤摘要】
一种基于声表面波的微滴喷射装置和微滴喷射方法
本专利技术涉及一种基于声表面波的微滴喷射装置和微滴喷射方法。
技术介绍
微滴喷射技术源于喷墨打印技术，喷射液滴的体积一般为纳升至微升量级，甚至可达到皮升量级。随着微滴产生技术应用研究的深入，其应用领域越来越广，已经从单纯的喷墨打印拓展到生物医药、材料成型、微电子机械制造、微电子封装、航空航天、基因工程、建筑行业等领域，展示了微滴技术广阔的应用前景。微滴喷射技术主要有连续喷射式和按需喷射式两类。连续喷射(ContinuousInkJet，CIJ)通过在液体腔内施加恒定压力，迫使腔体内流体从喷嘴以较高速度形成射流，在流体腔内扰动或者在表面张力作用下射流断裂成滴，形成的液滴直径较大；同时，采用连续微滴喷射方式的设备需要加压装置对待喷射液体加压、充电偏转装置控制液滴方向、回收装置对废液滴进行收集，因此设备的结构复杂、喷射效率低，可控性差、成本高。而按需喷射(DroponDemand,DOD)是液体在外力作用下打破其平衡状态形成射流，同时控制射流断裂成滴，常用的按需喷射的微滴喷射方式主要有气压式、热泡式、压电式、电磁式和机械式按需喷射；气压式按需喷射需要外接压力泵形成高压，设备体积庞大；热泡式按需喷射只针对能被快速加热至沸点发生膨胀与压缩的流体，且因通过气泡喷出，微滴的方向性与大小不好控制；压电式、电磁式和机械式按需喷射均是由伸缩元件的延伸对喷嘴处的流体产生冲击作用，液滴飞离喷嘴瞬间伸缩元件收缩而形成液滴，机械结构比较复杂，运动摩擦力大，长时间使用机械磨损严重，且对粘性高的流体进行微滴喷射时易发生喷嘴堵塞，不易清理。以上几种按需喷射的设备缺陷造成微滴喷射的液滴喷射效率低，通常需要采用设置多个喷嘴的方式来提高液滴的产生效率。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本专利技术实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于声表面波的微滴喷射装置和微滴喷射方法。作为本专利技术实施例的一个方面，涉及一种基于声表面波的微滴喷射装置，包括：压电基片、液体输运装置、设置于所述压电基片上的两个相对排列的叉指换能器和微流体通道；所述微流体通道布置在所述两叉指换能器的中心连接线的中垂线上，所述微流体通道包括设置在中心的微滴喷射柱、对称设置在微滴喷射柱两侧的储液腔体以及连接所述微滴喷射柱和所述储液腔体的流体传输部，所述微滴喷射柱上端部设有中心喷孔，所述储液腔体与所述液体输运装置连接；所述两个叉指换能器在相同的射频信号驱动下，在压电基片的上表面产生两列方向相对的相同频率和速度的行波声表面波，叠加形成驻波声表面波，驱动微滴喷射柱内的液体沿中心喷孔方向喷出形成液柱，所述液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。在一个实施例中，所述的基于声表面波的微滴喷射装置，还包括射频信号发生装置和印制电路板PCB；所述PCB电路板中部设置有空腔，所述压电基片置于所述空腔内；所述射频信号发生装置与两个叉指换能器电连接，用于向两个叉指换能器加载相同的射频信号。在一个实施例中，所述射频信号发生装置包括射频信号发生器和连接所述射频信号发生器的功率放大器，所述功率放大器与所述两个叉指换能器电连接。在一个实施例中，所述液体输运装置包括注射器、与注射器分别连接的注射泵和输液管；所述储液腔体上部具有开孔，所述输液管端部与所述储液腔体的开孔密封连接。在一个实施例中，所述微流体通道除微滴喷射柱的底部对应于叉指换能器孔径范围的区域之外的部分与所述压电基片上表面粘合。在一个实施例中，所述微滴喷射柱的内径大于所述叉指换能器的孔径。在一个实施例中，所述的基于声表面波的微滴喷射装置，还包括散热装置，所述散热装置与所述压电基片下表面相接触。在一个实施例中，在所述压电基片靠近叉指换能器的边缘处设置吸声材料，用于吸收叉指换能器向远离微流体通道一侧传播的行波声表面波。在一个实施例中，在所述压电基片靠近叉指换能器的边缘处设置反射栅，用于将叉指换能器向远离微流体通道一侧传播的行波声表面波反射后与叉指换能器向微流体通道一侧传播的行波声表面波叠加。作为本专利技术实施例的另一方面，涉及一种微滴喷射方法，其特征在于，包括：启动液体输运装置，使液体流入微流体通道，并使液体始终充满微滴喷射柱；两个叉指换能器在相同的射频信号驱动下，在压电基片的上表面产生两列方向相对的相同频率和速度的行波声表面波，叠加形成驻波声表面波；驻波声表面波与微滴喷射柱中的液体相互作用，发生能量衍射效应，驱动液体沿中心喷孔方向喷出形成液柱，驻波声表面波在液体中产生扰动作用，使所述液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。在一个实施例中，所述的微滴喷射方法，还包括：调节液体输运装置的供流速度，使液体始终充满微滴喷射柱；调节向两个叉指换能器加载的射频信号的功率，控制液柱的长度及单个液滴的喷射速度。本专利技术实施例至少实现了如下技术效果：1、本专利技术实施例中，微流体通道布置在两叉指换能器的中心连接线的中垂线上，使得微滴喷射柱位于两个叉指换能器激励产生的行波声表面波的传播路径上，两个叉指换能器激励产生的两列方向相对的相同频率和速度的行波声表面波叠加形成驻波声表面波，驻波声表面波与微滴喷射柱中的液体相互作用，会发生能量衍射效应，在液体内部产生垂直于压电基片表面向上的纵向压力波，纵向压力波在液体中向前传播，能量不断被液体吸收，当液体由于吸收能量所具有的惯性力足以克服液体本身的表面张力和粘性力时，液体会沿中心喷孔方向喷出形成液柱，由于扰动作用，最终液柱前端会发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。通过调节叉指换能器加载的射频信号的功率，实现控制液柱的长度及调节液滴喷射的速度，同时液滴喷射时不会产生二次液滴及不规则卫星滴，实现单个可控的按需微滴喷射，喷射的液滴体积均匀，重复性好。2、本专利技术实施例提供的基于声表面波的微滴喷射装置，通过叉指换能器在压电基片传输的声表面波驱动微流体通道的微滴喷射柱的液体实现微滴喷射，压电基片、叉指换能器、微流体通道和液体输运装置的结构简单，且压电基片与叉指换能器、微流体通道以及液体输运装置的连接结构简单，使得装置整体结构简单，生产成本低，便于实现批量生产；且装置体积较小，易于集成，整体结构紧凑，便于携带和使用。3、本专利技术实施例提供的基于声表面波的微滴喷射装置，向叉指换能器加载射频信号，由于逆压电效应，激励产生行波声表面波，产生的声表面波频率与加载的射频信号频率相同，由于射频信号频率较高，产生的声表面波在压电基底上的振动幅度较小，但在振动方向产生的加速度较大，在液体中发生能量衍射效应，对液体的驱动能力强，易于实现液体的夹断效应，喷射出单个液滴，微滴喷射速度快，生产效率高，单个喷孔即可满足实际需要，且微滴喷射过程中声表面波驱动液体喷射形成液柱时，不产生机械摩擦力，因此微滴喷射装置机械磨损小，使用寿命长。4、本专利技术实施例提供的基于声表面波的微滴喷射装置，声表面波的频率相对较高，且能量集中，对液体的驱动能力强，可用于对多种不同流体粘性的液体进行微滴喷射，特别是对低粘性牛顿流体的微滴喷射效果较好，喷射出的液滴一致性好，适用于重复性微滴喷射。5、本专利技术实施例提供的基于声表面波的微滴喷射装置，将微流体通道紧贴于压电基片上表面的叉指换能器的中心连接线的中垂线上，保证微滴喷射柱在两个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声表面波的微滴喷射装置，其特征在于，包括：压电基片、液体输运装置、设置于所述压电基片上的两个相对排列的叉指换能器和微流体通道；所述微流体通道布置在所述两叉指换能器的中心连接线的中垂线上，所述微流体通道包括设置在中心的微滴喷射柱、对称设置在微滴喷射柱两侧的储液腔体以及连接所述微滴喷射柱和所述储液腔体的流体传输部，所述微滴喷射柱上端部设有中心喷孔，所述储液腔体与所述液体输运装置连接；所述两个叉指换能器在相同的射频信号驱动下，在压电基片的上表面产生两列方向相对的相同频率和速度的行波声表面波，叠加形成驻波声表面波，驱动微滴喷射柱内的液体沿中心喷孔方向喷出形成液柱，所述液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。

【技术特征摘要】
1.一种基于声表面波的微滴喷射装置，其特征在于，包括：压电基片、液体输运装置、设置于所述压电基片上的两个相对排列的叉指换能器和微流体通道；所述微流体通道布置在所述两叉指换能器的中心连接线的中垂线上，所述微流体通道包括设置在中心的微滴喷射柱、对称设置在微滴喷射柱两侧的储液腔体以及连接所述微滴喷射柱和所述储液腔体的流体传输部，所述微滴喷射柱上端部设有中心喷孔，所述储液腔体与所述液体输运装置连接；所述两个叉指换能器在相同的射频信号驱动下，在压电基片的上表面产生两列方向相对的相同频率和速度的行波声表面波，叠加形成驻波声表面波，驱动微滴喷射柱内的液体沿中心喷孔方向喷出形成液柱，所述液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。2.如权利要求1所述的基于声表面波的微滴喷射装置，其特征在于，还包括射频信号发生装置和印制电路板PCB；所述PCB电路板中部设置有空腔，所述压电基片置于所述空腔内；所述射频信号发生装置与两个叉指换能器电连接，用于向两个叉指换能器加载相同的射频信号。3.如权利要求2所述的基于声表面波的微滴喷射装置，其特征在于，所述射频信号发生装置包括射频信号发生器和连接所述射频信号发生器的功率放大器，所述功率放大器与所述两个叉指换能器电连接。4.如权利要求1所述的基于声表面波的微滴喷射装置，其特征在于，所述液体输运装置包括注射器、与注射器分别连接的注射泵和输液管；所述储液腔体上部具有开孔，所述输液...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡泓，雷芋琳，黄庆云，韩俊茏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东,44