CN114749222B - 集成压电式多列均匀液滴发生器 - Google Patents

集成压电式多列均匀液滴发生器 Download PDF

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Abstract

集成压电式多列均匀液滴发生器，涉及液体微流控技术领域，本发明为解决现有液滴发生器分散的液滴均匀性很差，精度低，进而对于微流控精度造成严重影响；同时现有发生器存在价格昂贵，导致使用成本高等问题；本发明包括连接盘，流体腔，压电陶瓷，压电陶瓷槽，环形密封圈，射流片，旋帽，注射泵连接口和BNC接口；整体为不锈钢材质并且通过设计绝缘层确保压电陶瓷安全运行，不会发生使用者触电情况，安全性较好。在微流控领域有广泛的应用场景，使用者可以根据表格来确定适当的破碎频率以达到最优效果。本发明的多列均匀液滴发生器的产生可以大大提高应用效率以及拓宽了单列的应用场景，在快速生物制药领域都有着重要作用。

Description

集成压电式多列均匀液滴发生器
技术领域
本发明涉及液体微流控技术领域，具体涉及一种集成压电式多列均匀液滴发生器。
背景技术
微流控指的是精确控制和操控微尺度流体，由于应用场景是微纳级结构，而流体在此结构中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能，因此需要分析其独特的理化性能。针对于均匀微液滴的制备，高精度，规律性强的列式单分散液滴串在化工、食品、喷墨打印以及医疗领域都有着很大的应用前景，而在此类应用场景中如何精准的控制高速液滴的流量以及规律性的液滴串一直是待解决的难题。并且随着应用的逐渐深入，如何高效，快速的完成不同需求的微液滴制备也成为当前所关注的方向。
目前，国内一般的压电液滴发生器为流体腔、喷头、压电模组以及BNC连接口分隔放置通过机械手段形成实验条件，进而产生连续单分散液滴，由于没有将主要部件集成起来，所以使用较为繁琐，商用性较差。
除上述压电式液滴发生器以外，还有气动式液滴发生器以及通过微通道制备液滴，虽然这两种可以通过固定装置产生连续液滴，但是也存在一定的弊端。气动式液滴发生器虽然可以产出分散的液滴但其均匀性很差；通过微通道制备的液滴，液滴在通道中也会发生一定的变形，并且这种方法多用于两种物质的混合，大多为闭合环境。
同时，上述的液滴发生器还存在使用效果差、精度较低等问题，这也是液滴发生器的一个难点，精度低主要体现在出流液滴数与设置频率之间的偏差，高偏差会对液滴串的流量产生干扰，每一个液滴可能不均匀，继而对于微流控精度造成严重影响。并且很多液滴发生器实用性好坏并没有得到验证。国外虽然有成型的液滴发生器，但是价格比较昂贵，并且单连续液滴以及多组液滴射流方式通过切换整个喷头来切换，切换较为繁琐，成本较高。
本发明在原有单列液滴基础上改进变成可换喷头式多列液滴。多列均匀液滴发生器的产生可以大大提高应用效率以及拓宽了单列的应用场景，在快速生物制药领域都有着重要作用。
发明内容
本发明为解决现有液滴发生器分散的液滴均匀性很差，精度低的问题，进而对于微流控精度造成严重影响；同时存在价格昂贵，导致使用成本高等问题；提供一种集成压电式多列均匀液滴发生器。
集成压电式多列均匀液滴发生器，包括连接盘，流体腔，压电陶瓷，压电陶瓷槽，环形密封圈，射流片，旋帽，注射泵连接口和BNC接口；
所述流体腔的一端固定连接盘，通过所述连接盘与注射泵的连接口连通，所述注射泵的连接口通过输运软管将流体引入流体腔内部；
所述流体腔另一端安装有环形密封圈，射流片及旋帽，通过环形密封圈和旋帽的应力将所述射流片固定在旋帽的凹槽内；
所述流体腔的腔体外部设置有凹槽作为压电陶瓷槽，在所述压电陶瓷槽内设置绝缘层和压电陶瓷，采用扎带固定；
所述BNC接口安装在连接盘上，并作为压电陶瓷电信号输入端，将被功率放大器放大后的方波或正弦控制信号传递到压电陶瓷，产生微米级振动；
所述射流片上设置多列射流孔，相邻射流孔的间距相同；所述射流片的厚度为0.5mm-1mm。
本发明的有益效果：本发明所述的集成压电式多列均匀液滴发生器具备以下优点：
1、本发明所述的液滴发生器中，每一列射流液滴运行较为稳定，破碎效果较好，相较气动式等液滴发生器适用范围更广，效果更佳。
2、本发明所述的液滴发生器与TSI以及其他厂家相比本产品有价格便宜，使用范围广，本发明中，通过采用射流片代替喷头，不需要多次更换固定喷头，操作较简单，成本较低适应性更广。
3、本发明所述的液滴发生器是将压电陶瓷、BNC连接口、流体腔、射流孔、集成与一体的液滴发生器，整体为不锈钢材质并且通过设计绝缘层确保压电陶瓷安全运行，不会发生使用者触电情况，安全性较好。
4、通过实验以及模拟计算等反复验证，得出最佳压电陶瓷物理参数以及强度、出力、谐振频率以及驱动电压等各项参数并加以验证，给出电压与振幅关系图。最后与设计的液滴发生器配合可以达到一个最佳的破碎效果，破碎效果通过高速摄像机拍摄已经得到验证，在保证破碎情况条件下，本发明经过了精度的测试，可以达到破碎液滴数量约等于设置频率，误差不超过设定频率的0.5％。在微流控领域有广泛的应用场景。
5、在整个流体腔的设计过程中经过反复模拟就算给出最佳压电陶瓷槽深度以及其壁厚，保证了压电陶瓷有效振幅。射流片的厚度的选取范围本发明已经通过实验验证得出最佳厚度范围。
6、本发明还提供了不同流量流速下所使用的频率范围(本发明以100um以及为例)，使用者可以根据表格来确定适当的破碎频率以达到最优效果。并且通过经验公式可以根据流量流速和出口孔径确定液滴出口直径大小，孔径的大小可以根据需要来定制。
附图说明
图1为本发明所述的集成压电式多列均匀液滴发生器的结构示意图；
图2为本发明所述的集成压电式多列均匀液滴发生器的***图；
图3为压电陶瓷片的主、侧、俯三视图；
图4为对压电陶瓷片的驱动电压和位移关系图；
图5为本发明所述的集成压电式均匀液滴发生器的原理图；
图6为采用高速摄像机实拍的集成式压电均匀液滴发生器生成连续液滴的效果图；
图7为射流孔半径为100um，5*5射流片的示意图；
图8为射流孔半径为71um，7*7射流片的示意图；
图9为射流孔半径为50um，10*10射流片的示意图。
图中：1、功率放大器，2、信号发生器，3、注射泵，4、液滴发生器，4-1、连接盘，4-2、流体腔，4-3、压电陶瓷，4-4、压电陶瓷槽，4-5、环形密封圈，4-6、射流片，4-7、旋帽，4-8、注射泵连接口，4-9、BNC接口。
具体实施方式
结合图1至图9说明本实施方式，集成压电式多列均匀液滴发生器，包括连接盘4-1，流体腔4-2，压电陶瓷4-3，压电陶瓷槽4-4，环形密封圈4-5，射流片4-6，旋帽4-7，注射泵连接口4-8和BNC接口4-9；
所述注射泵3的连接口的左端采用螺纹口与流体腔4-2外螺纹相连，右端为光滑圆柱状接口与输水管相连。连接口为流体入口，通过输运软管将流体引入流体腔内部。所述BNC接口的左侧采用强力固定胶与连接盘4-1的卡槽固定，方便更换。连接口为压电陶瓷电信号输入端，将被功率放大器1放大以后的方波或正弦控制信号传递到堆叠压电陶瓷4-3，从而产生微米级振动。
所述连接盘通过内螺纹与流体腔4-2相连，整个连接盘4-1卡在流体腔4-2外侧凸台上。连接盘4-1主要作用是将流体腔4-2与其他两个接口相连，起到连接整个发生器的作用。
所述压电陶瓷4-3和流体腔凹槽之间有绝缘涂层，制作时在绝缘涂层制作完毕之后将压电陶瓷片固定于流体腔凹槽中央，并且用扎带固定。
压电陶瓷本实施方式的核心件之一，在设计过程中经过不断的测试和计算，确定了如下的压电陶瓷参数并加工出来，如表1，压电陶瓷参数。
表1
Figure BDA0003572758220000041
极化方向设置为按如图3高度方向外部用银作为电极，焊线方式采取与高度垂直的两面焊接，方便引线。堆叠陶瓷在达到谐振频率时位移大约3.3um左右,在达到谐振频率之前位移关系主要与本发明使用频率范围大约10000hz左右，振幅约为2um。压电陶瓷使用时必须添加预紧力，防止内部陶瓷片受拉应力而受到破坏。添加预紧力的方法可以通过扎带、钢箍等。图4给出了压电陶瓷振幅随电压变化曲线。下方的这条测试曲线是压电陶瓷电压从0开始施加，电压与位移的关系图，上方的这条曲线是电压从150v降到0v的曲线情况，因为是容性阻抗所以会产生残留电压位移不会为0。
所述流体腔4-2的左端与旋帽4-7通过外螺纹连接，右侧通过外螺纹与连接盘4-1连接。内部流体充满流体腔，流体腔中段外部为凹槽用来放置堆叠压电陶瓷并且覆盖绝缘层防止使用者触电，通过设计中部厚度来达到压电陶瓷振动效率最大化。
压电陶瓷槽4-4在流体腔外侧通过车削的方式加工而成，压电陶瓷槽设计也是本实施方式的一个关键，通过多次模拟结果得出压电陶瓷槽处的壁厚需在0.5-1.5mm为最佳，偏厚会大大减小压电陶瓷片位移，偏薄则会导致在高压强下流体腔变形。
所述环形密封圈4-5在旋帽4-7内车削加工出卡槽，对环形密封圈4-5起到固定作用，环形密封圈4-5右端通过流体腔挤压使其固定在旋帽槽内。采用横截面矩形密封圈密封，可以达到一个最佳的密封效果，环形密封圈通过流体腔4-2与其本身的压应力将射流片4-6压紧在旋帽4-7内部凹槽里。
所述射流片4-6通过精细加工可以得到，射流片4-6通过环形密封圈4-5与旋帽4-7的压应力将其固定在旋帽4-7凹槽内。射流片4-6上的射流孔通过激光技术可以得到，在加工之后需要用10000目的砂纸进行打磨，消除毛刺。通过不断试验，发现射流片4-6偏厚会导致射流出口发生严重倾斜现象，偏薄则会导致在高流速情况下会发生射流片强度不足的情况导致射流片发生弯曲。最后得出射流片4-6厚度在0.5mm-1mm之间为宜。通过片上根据不同的孔径以及流量定制孔的大小，射流孔也是流体唯一的出口。
所述旋帽4-7通过内螺纹与流体腔4-2外螺纹相连接。旋帽4-7内部凹槽对射流片4-6起固定作用，旋帽4-7也对整个流体腔4-2也起到封装密封作用。
结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式所述集成压电式均匀液滴发生器的工作原理为：
通过功率放大器1将信号发生器5v方波或正弦信号放大(功率放大器的倍数定为50)，如图5，通过BNC接口4-9连接将电信号作用于压电陶瓷4-3上。压电陶瓷4-3呈容性阻抗，可以将电能转化为规律性的机械振动。然后对连续流体进行规律性扰动，从而使连续流体破碎成均匀圆形水珠。具体过程如下：
1、调节注射泵3参数，设置所需液体流量以及流速。注射泵3通过丝杠转动推动注射管来对液体加压来推动液体，流量以及流速都可以通过调整注射泵3参数来调整，稳定的流速大致在3m/s以上，大致实验范围在3m/s-30m/s。由于结构的设计稳定性也比之前的好，这个流速范围比之前国内的流速范围更大。
2、驱动压电陶瓷的信号发生器2信号设置正弦波和方波均可，峰值电压为5v。方波效果可能更好一些，确定输出阻抗为5欧(和功率放大器阻抗保持一致)。对于相位的敏感程度不高，起始相位可从0位选取。频率的选择根据经验公式：
Figure BDA0003572758220000061
式中，u为流体速度，d为喷嘴直径可以求得，多列与单列相同，以100um孔径为例，在此给出其不同流量下对应的频率范围，流速以及液滴流出以后的直径大小。通过计算在此工作条件下的最小波长满足最小波长公式：λ≥πd，可以确保此液滴发生器的稳定性。表2，100um孔径下液滴参数表；
表2
喷嘴直码 流量(ml/h) 液滴速度(m/s) 激励频率(min hz) 激励频率(max hz) 中值频率 液滴直径(um) 最小波长(um)
100 100 3.539 3380.80 10142.40 6761.60 198.7501 348.931
100 105 3.715 3549.84 10649.52 7099.68 198.7332 348.842
100 110 3.892 3718.88 11156.64 7437.76 198.7348 348.851
100 115 4.069 3887.92 11663.76 7775.84 198.7363 348.858
100 120 4.246 4056.96 12170.88 8113.92 198.7377 348.865
100 125 4.423 4226.00 12678.00 8452.00 198.7389 348.872
100 130 4.600 4395.04 13185.12 8790.08 198.7401 348.878
100 135 4.777 4564.08 13692.24 9128.16 198.7411 348.884
100 140 4.954 4733.12 14199.36 9466.24 198.7421 348.889
100 145 5.131 4902.16 14706.48 9804.32 198.7430 348.894
100 150 5.308 5071.20 15213.60 10142.40 198.7439 348.898
100 155 5.485 5240.24 15720.72 10480.48 198.7447 348.903
100 160 5.662 5409.28 16227.84 10818.56 198.7455 348.907
100 165 5.839 5578.32 16734.96 11156.64 198.7462 348.910
100 170 6.016 5747.36 17242.08 11494.72 198.7468 348.914
100 175 6.192 5916.40 17749.20 11832.80 198.7368 348.861
100 180 6.369 6085.44 18256.32 12170.88 198.7377 348.865
100 185 6.546 6254.48 18763.44 12508.96 198.7385 348.870
100 190 6.723 6423.52 19270.56 12847.04 198.7393 348.874
100 195 6.900 6592.56 19777.68 13185.12 198.7401 348.878
100 200 7.077 6761.60 20284.80 13523.20 198.7408 348.882
100 205 7.254 6930.64 20791.92 13861.28 198.7415 348.886
100 210 7.431 7099.68 21299.04 14199.36 198.7421 348.889
100 215 7.608 7268.72 21806.16 14537.44 198.7427 348.892
100 220 7.785 7437.76 22313.28 14875.52 198.7433 348.895
3、在调好信号发生器2之后继续调节功率放大器1，开启功率放大器1后功率放大器阻抗为5欧，电压放大倍数从较低的2倍开始，避免如果接线失误短路造成功率放大器损坏。
4、将压电陶瓷槽4-4放入侧壁绝缘凹坑处并用塑料绝缘扎带牢固定来增加预紧力(如果不对陶瓷片施加预紧力拉应力会将堆叠陶瓷拉断)，将压电陶瓷与BNC转接线相连，然后将其再与功率放大器1相连。保证整个接线线路绝缘。
5、按下注射泵3启动按钮，点击信号发生器output键；按下功率放大器output键；听到压电陶瓷有蜂鸣声以后将倍数从2逐渐调到50，最后通过高速摄像机等观测设备检验液滴发生器液滴质量；然后通过信号发生器2进行频率的进一步确认，最开始以1khz为单位进行调整，在找到最佳的频率之后再以100hz为单位调整，最后以10hz和1hz为单位进行最后的微调找到最佳破碎现象最终达到最好的效果。
如图6所示，通过高速摄像机观测到的连续液滴图像，速度约为6m/s，设定频率4400hz，每秒产生液滴大约4400±20滴。误差在0.05％左右，此精度已经达到国际技术前列。
图7至图9分别为等流量情况下，在10mm*10mm面积上分别设置5*5；7*7；10*10的孔数量，孔半径分别为100um，71um，50um。因为在等流量条件下，所以随着孔数的增加，每一列的液滴半径会减小，流速不会减小。而等面积的设计方式可以针对于固定对象使用不同的密度孔数，获得不同大小和不同数量但总流量一定的多列液滴串。单列产生的液滴数量误差基本在设定频率的0.5％-0.8％之间。
由于多列液滴的产生会导致各列液滴产生干扰，通过反复测试得出此设备的最佳孔间距为液滴直径的5倍及以上。如果低于五倍间距，两列液滴可能发生黏连以及相互影响的情况。
本实施方式所述的集成压电式多列均匀液滴发生器，保证液滴破碎效果很好的基础上将发生器各部件通过机械设计巧妙串联，形成一款可以直接应用的产品，并且已经通过高速摄像机验证其准确性。加工成功后的液滴发生器已经通过大量实验，并用高速摄像机等设备进行反复验证，数据可靠性高。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.集成压电式多列均匀液滴发生器，其特征是：所述液滴发生器包括连接盘(4-1)，流体腔(4-2)，压电陶瓷(4-3)，环形密封圈(4-5)，射流片(4-6)，旋帽(4-7)，注射泵连接口(4-8)和BNC接口(4-9)；
所述流体腔(4-2)的一端固定连接盘(4-1)，通过所述连接盘(4-1)与注射泵的连接口(4-8)连通，所述注射泵的连接口(4-8)通过输运软管将流体引入流体腔(4-2)内部；
所述流体腔(4-2)另一端安装有环形密封圈(4-5)，射流片(4-6)及旋帽(4-7)，通过环形密封圈(4-5)和旋帽(4-7)的应力将所述射流片(4-6)固定在旋帽(4-7)的凹槽内；
所述流体腔(4-2)的腔体外部设置有凹槽作为压电陶瓷槽(4-4)，在所述压电陶瓷槽(4-4)内设置绝缘层和压电陶瓷，采用扎带固定；
所述BNC接口(4-9)安装在连接盘(4-1)上，并作为压电陶瓷电信号输入端，将被功率放大器放大后的方波或正弦控制信号传递到压电陶瓷(4-3)，产生微米级振动；
频率的选择根据经验公式：
Figure FDA0004121829220000011
式中，u为流体速度，d为喷嘴直径；
所述射流片(4-6)上设置多列射流孔，相邻射流孔的间距相同；所述射流片(4-6)的厚度为0.5mm-1mm；
设定所述压电陶瓷(4-3)的长度、宽度和高度分别为7mm、7mm和5mm，静电容量300-500nf，出力2000-3000N，驱动电压为150V，位移范围为3um，谐振频率为200-300khz。
2.根据权利要求1所述的集成压电式多列均匀液滴发生器，其特征在于：压电陶瓷槽(4-4)的壁厚为0.5-1.5mm。
3.根据权利要求1所述的集成压电式多列均匀液滴发生器，其特征在于：所述射流片(4-6)根据不同的孔径以及流量设置射流孔的大小，射流孔作为流体的出口。
4.根据权利要求1所述的集成压电式多列均匀液滴发生器，其特征在于：最佳射流孔间距为液滴直径的5倍。
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