CN101972723B - 多级静电喷射系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种多级静电喷射系统及方法，属于静电喷射技术领域。包括第一级静电喷射装置(1)、与第一级静电喷射装置(1)相联的液体储存装置(4)和电荷注入装置(6)；还包括安装于第一级静电喷射装置(1)后的至少包括第二级静电喷射装置(3)在内的下级静电喷射装置；上述第一级静电喷射装置(1)和下级静电喷射装置共组成N级，其中N为大于等于2的自然数；上述下级静电喷射装置中至少一个下级静电喷射装置设有使静电液体进行库仑分裂从而产生库仑液滴的温度和压力调节装置；该系统还安装有库仑液滴分离收集装置。本发明提高了液滴大小、带电量的一致性。

Description

多级静电喷射系统及方法

技术领域

本发明涉及一种多级静电喷射系统及方法，利用库仑分裂原理批量生产一致性非常好的可以精确控制的库仑液滴的通用设备和方法，属于静电喷射技术领域。

背景技术

静电喷射是一种利用静电力使液体弥散产生细小液滴喷雾的方法，其基本物理原理可以从G.Taylor和J.R.Melcher等提出的泄漏介质模型得到解释，可参见AnnualReview of Fluid Mechanics，1969，1，111-146的Electrohydrodynamics：A Reviewof the Role of Interfacial Shear Stresses等文献。该方法已经在大生物分子质谱仪(Fenn，J.B.；Mann，M.；Meng，C.K.；Wong，S.F.；Whitehouse，C.M.(2007).″Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules.″.Science 79(4926)：64-71.)、工业喷涂、精细编织、纳米制造(Salata，O.V.(2005).″Toolsof nanotechnology：Electrospray″.Current Nanoscience 1：25-33)等领域得到广泛的应用，其突出优点在于成本低廉、应用范围广、适宜于大规模工业生产等。K.Kim等人在Journal of Applied Physics，1976，47，5，1964-1969已经指出，静电喷射既可以应用于导电液体，也可以应用于绝缘液体，从而使得静电喷射技术几乎可以应用于任何液体。相对于传统的单射流(single-jet)静电喷射模式，W.Gu(发明人)等在Applied Physics Letters，2005，87，084107中首次系统地报道了稳定可控的多射流(multi-jet)静电喷射，并给出了多射流静电喷射的第一个物理模型和解析表达式，从而使得静电喷射的应用范围得到进一步扩展。但是，已知的静电喷射技术仍然有比较明显的缺陷，主要在于两点：一是已知技术所生成的液滴的一致性比较差，液滴的大小、带电量等除由液体本身性质决定外，与静电喷射初始喷射条件如所加电压、液体流量、所用喷射管大小等外界条件密切相关，所以生成的液滴的大小和带电量很容易随着外界条件的改变而改变，而且这样的变化中随机涨落因素很大，也使得进一步的液滴选取十分困难。另外由于侧向剪切力等产生的旁生液滴(side droplet)、由于库仑分裂(Coulomb fission)产生的库仑液滴(Coulomb droplet)等也都会和静电喷射生产的原始液滴混合在一起，恶化了液滴整体的一致性。已知静电喷射技术所生成的液滴直径通常可能在毫米到微米范围内变化，其带电量与瑞利极限(Rayleigh limit，一个给定直径的液滴所能带的最大电量)的比例从接近1到万分之几内变化，无法精确控制其统计分布。二是限于喷射管大小等条件，已知技术所生成的液滴的直径普遍在十微米量级以上，很难得到大批量的微米量级或以下的液滴，其带电量也比较小，通常距离瑞利极限有较大的差异，这就限制了静电喷射在更精细的应用如纳米技术中的进一步发展。正是主要由于这两个技术缺陷的存在，已知的静电喷射技术目前仍主要限制在一些精细度要求不太高的科技和工业应用上。

发明内容

如背景技术介绍中所述，静电喷射已经在科学研究和工业生产的各方面得到广泛应用，但是，已知的静电喷射方式局限于单级静电喷射，受限于第一级静电喷射产生的条件如电荷注入速率、喷射管大小等，其单位液体带电密度(面密度和体密度)都很难达到瑞利极限，从而使得其液滴一致性和大小、带电量等指标都难以进一步提高。本发明的目的在于提供一种能够提高液滴大小、带电量一致性的多级静电喷射系统及方法。

一种多级静电喷射系统，其特征在于：包括第一级静电喷射装置、与第一级静电喷射装置相联的液体储存装置和电荷注入装置；还包括安装于第一级静电喷射装置后的至少包括第二级静电喷射装置在内的下级静电喷射装置；上述第一级静电喷射装置和下级静电喷射装置共组成N级，其中N为大于等于2的自然数；上述下级静电喷射装置中至少一个下级静电喷射装置设有使静电液体进行库仑分裂从而产生库仑液滴的温度和压力调节装置；该系统还安装有库仑液滴分离收集装置。

上述的多级静电喷射系统，其特征在于：在上述第n级静电喷射装置与第n+1级静电喷射装置之间还安装有第n级静电液滴控制装置，可根据需要通过第n级静电液滴控制装置控制第n级静电液滴的的下列参数之一或几项：体积、温度、带电状态、空间分布、飞行轨迹，其中n为从1到N的自然数。

利用上述多级静电喷射系统实现多级静电喷射的方法，其特征在于包括以下过程：

(a)、利用液体储存装置向第一级静电喷射装置提供液体，并利用电荷注入装置给第一级静电喷射装置内的液体注入电荷，最后通过第一级静电喷射装置产生并喷出第一级静电液滴；

(b)、利用温度和压力调节装置控制相应下级静电喷射装置中的温度和压力，使得上一级静电液滴进入该级静电喷射装置后经过高温和/或低压的作用而快速蒸发出不带电的中性分子，最终使得静电液滴的带电量达到瑞利极限，具体的温度和压强可以由技术人员根据具体应用需要和喷射条件如反应腔尺寸等决定，一般温度应在该液体的沸点和熔点之间，比较接近沸点；而一般气压应等于或低于第一级静电喷射装置的气压，典型值为从常压(约10⁵帕斯卡)到10²帕斯卡量级。具体温度和压强的选用还可以用来控制库仑液滴生成的快慢。达到瑞利极限后的静电液滴会发生库仑分裂，形成大小和带电量一致性好的库仑液滴，其中库仑液滴的尺寸和带电量都由且仅由该液体本身性质决定，而与外界条件无关，涉及公式如下：

Q＝8π(εtR³)^1/2   (2)

其中Q是库仑液滴所带电荷的总量，ε是该液体的介电常数，T是该液体的表面张力系数，R是该液滴的半径；

$R=\mathrm{\η}{\left(\frac{{\mathrm{T\ϵ}}^2}{{\mathrm{\ρK}}^2}\right)}^{1/3}---\left(3\right)$

其中R是库仑液滴的半径，η是一个只与液体性质相关的比例系数，ρ是该液体的质量密度，ε是该液体的介电常数，T是该液体的表面张力系数，K是该液体的电导率；

(c)、利用下述方法之一分离并收集库仑液滴：

(c-1)、因为库仑液滴的电荷/质量比远大于其他液滴，所以在知道其大小和带电量后，使用静电场或静磁场使得库仑液滴在特定方向上产生一定的位移从而偏离原轨道，而其他液滴因为电荷/质量比远小于库仑液滴，在同样的静电场或静磁场中所产生的位移相对小很多，从而实现库仑液滴和其他液滴的分离；

(c-2)、利用库仑液滴的直径和质量远小于其他液滴的特点，使用机械方法分离库仑液滴，比如使用具有特定孔径的机械过滤装置来收集库仑液滴而把其他较大的液滴都过滤掉。

上述步骤(a)与步骤(b)之间还可根据需要包括以下过程：根据需要通过第n级静电喷射装置与第n+1级静电喷射装置之间还安装的第n级静电液滴控制装置控制第n级静电液滴的的下列参数之一或几项：体积、温度、带电状态、空间分布、飞行轨迹，其中n为从1到N的自然数。

本发明的第一方面：就是在下一级静电喷射装置中通过改变气压、温度等条件使得上一级静电喷射所产生的液滴产生库仑分裂，从而产生达到具有特定大小和带电量的库仑液滴。

库仑液滴的产生原理简述如下：在第二级或以下的静电喷射中，由前一级静电喷射所产生的液滴因为液体蒸发而失去中性分子(该过程可以通过调节温度和压强来加快或减慢，一般而言，高温度和低压强将加快液体蒸发，反之则减慢液体蒸发)，其尺寸变小，而带电量基本不变。当其直径和带电量达到瑞利极限后，液滴产生变形，并进而产生库仑分裂，其主要过程如W.Gu(发明人)等在Applied Physics Letters，2007，91，064104中给出的物理模型所描述。其基本过程和原理简述如下：液滴带电后其表面电荷和液体表面张力共同作用形成表面振荡波，该表面振荡波的色散方程由公式(1)给出：

${\mathrm{\ω}}^2=\frac{k^2}{\mathrm{\ρ}}(\mathrm{Tk}-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{\mathrm{\ϵ}})---\left(1\right)$

其中ω和k分别是该表面振荡波的角频率和波数，T是该液体的表面张力系数，ρ是该液体的质量密度，ε是介电常数，σ是液滴表面电荷密度。

库仑分裂的具体过程如附图1所示，当步骤Ⅰ中的圆形液滴通过蒸发等过程失去中性分子从而其带电量达到瑞利极限后，静电力使液滴发生形变的趋势超过了表面张力维持液滴原有球形形状的趋势，公式(1)所表征的表面振荡波使液滴发生明显形变，首先变成如步骤Ⅱ所示的椭圆形，而电荷有向曲率大的区域集中的特性，从而使得曲率大的区域的电荷更加集中，而由公式(1)所述的色散方程可知，电荷密度越大该区域的表面振荡波的波长越短从而使得其曲率变得更大，这样的正反馈过程就会使液滴变成如步骤Ⅲ中所示的具有两个尖端的纺锤形。当纺锤尖端的电荷密度达到一定程度后，满足条件

从而ω²＜0，意味着该表面振荡波这时就已经发展成为如步骤Ⅳ所示的静电喷射，并产生如步骤Ⅴ所示的库仑液滴。因为库仑液滴的带电量极高(达到瑞利极限)而直径很小(通常在几十纳米量级)，所以很大一部分电量被库仑液滴带走，初始液滴的表面电荷密度又恢复到阈值以下，于是静电喷射终止，初始液滴又经历步骤Ⅵ、Ⅵ、Ⅶ所示的变形过程恢复到圆形，其大小变化很小(通常只变化百分之几)，但是其带电量远低于瑞利极限，形成新的静电力和表面张力的平衡。

瑞利极限由以下公式(2)给出：

Q＝8π(εTR³)^1/2    (2)

其中Q是液滴所带电荷的总量，ε是该液体的介电常数，T是该液体的表面张力系数，R是该液滴的半径。W.Gu等人在Appl ied Physics Letters，2007，91，064104中已经证明，库仑分裂所产生的库仑液滴的大小也只由该液体本身的性质决定，和外界条件比如第一级静电喷射的条件无关。库仑液滴的半径由公式(3)给出(如上文中所述，本公式适用于满足一定电流-流量关系的液体，对于更一般的情况的公式也已由上文给出，只是依赖于不同的电流-流量关系而又不同的表现形式，但是仍然只由液体本身性质决定，而与外界条件无关)：

$R=\mathrm{\η}{\left(\frac{T{\mathrm{\ϵ}}^2}{{\mathrm{\ρK}}^2}\right)}^{1/3}---\left(3\right)$

其中R是库仑液滴的半径，η是一个只与液体性质相关的比例系数(可以由实验确定)，ρ是该液体的质量密度，ε是该液体的介电常数，T是该液体的表面张力系数，K是该液体的电导率。

由上可知，库仑液滴的尺寸和带电量都由且仅由该液体本身性质决定，而与外界条件无关，所以其一致性非常好。上述的物理模型和公式与已知的实验结果吻合得很好。比如由D.Duft等人在Nature，2003，421，128中报道的实验用超高速摄像技术精确地揭示了库仑分裂的过程，实验中所使用的乙二醇液滴在达到瑞利极限后会产生数以百计的库仑液滴，其尺寸和带电量都保持一致，而且带电量都在瑞利极限附近。在K.Li等人发表在Langmuir，2005，21，3786-3794的文章中，也报道了三甘醇和乙二醇的库仑分裂，他们也观察到产生几乎一样大小和带电量的库仑液滴，并测定其大小在约50纳米左右，带电量在瑞利极限附近。

本发明的第二方面：就是库仑液滴分离：由于库仑液滴它们具有特定的大小和带电量，其带电量由公式(2)给出，其大小由公式(3)给出，而且其电荷/质量比远大于其他液滴所以很容易通过电磁场或者机械装置或其他方法来控制它们的运动，并且把它们与其他液滴分离开来。比如因为库仑液滴的电荷/质量比远大于其他液滴，所以在知道其大小和带电量后，可以使用静电场或静磁场使得库仑液滴在特定方向上产生一定的位移从而偏离原轨道，而其他液滴因为电荷/质量比远小于库仑液滴，在同样的静电场或静磁场中所产生的位移相对小很多，从而实现库仑液滴和其他液滴的分离。当然也可以利用库仑液滴的直径远小于其他液滴的特点，使用具有特定孔径的机械过滤装置来收集库仑液滴而把其他较大的液滴都过滤掉。工程人员可以利用库仑液滴特定的带电量和直径这些特点很容易地使用其他类似办法来控制它们的运动，或把它们和其他液滴分离开来。由于其产生机理，库仑液滴的大小和带电量已经达到理论极限值，而且一致性非常好，从而可以大大提高静电喷射的质量，用于所有已知的静电喷射用途，并可扩展至各种已知或未知的新的应用。

本发明的第三方面：在于库仑液滴的收集装置。并不局限于硅片晶圆表面或待涂覆物体表面这样的传统收集装置，本发明所述的收集装置，可以是装有空气或载气的空腔，可以是特定的液体(如油类或水溶液)，也可以是无机物或有机物固体(如硅片，玻璃，金属，有机物薄膜，塑料，纸张，食物，包裹，皮肤，等等)，而且所收集到的库仑液滴可以在其中形成特定的物理分布或化学反应(即在收集装置中进行物理沉积或化学沉积)，从而可以根据特定需求制备所需的混合物、固体、液体、胶体、悬浮液等等。

本发明就是通过建立多级静电喷射，利用库仑分裂的原理产生一致性极高的库仑液滴，其带电量和大小都达到或接近理论极限(仅由溶液性质包括表面张力系数、介电常数、电导率等决定而与外界条件无关)，从而可以很好地解决传统静电喷射液滴一致性差和液滴尺寸太大等问题，极大地提高静电喷射的精度，从而提高其应用质量和扩展其应用范围。

附图说明

图1是库仑分裂的原理示意图。

图2是本发明第一实施例的正面示意图。

图3是本发明第二实施例的正面示意图。

图4是本发明第三实施例的正面示意图。

图5是本发明第四实施例的正面示意图。

图中标号名称：1、第一级静电喷射装置，2、第一级静电液滴控制装置，3、第二级静电喷射装置，4、液体储存装置，5、流量控制装置，6、电荷注入装置，7、第二级液滴控制装置，8、第三级静电喷射装置，9、收集装置。

具体实施方式

实施例之一：

单喷口三级静电喷射，通过预加热产生库仑分裂，使用具有特定孔径的机械筛来进行液滴筛选。

实施例之二：

单喷口三级静电喷射，改变气压产生库仑分裂，使用电场力或磁场力控制液滴轨迹(静电场或静磁场或交变电场或交变磁场)并进行筛选。

实施例之三：

多喷口二级静电喷射，同一个液滴控制装置，改变气压或预加热产生库仑分裂原理形成细小液滴，使用具有特定孔径的机械筛来进行液滴筛选。

实施例之四：

多喷口二级静电喷射，多个液滴控制装置，改变气压或预加热产生库仑分裂原理形成细小液滴，使用具有特定孔径的机械筛来进行液滴筛选。

本发明可以应用于静电喷射所有已知的和待扩展的应用的各个方面，包括但不限于：打印机，塑料电子电路印刷，聚合物电路印刷，显示屏印刷，集成电路印刷，组织工程，雾化器，电离器，质谱仪用带电粒子分离，无掩膜光刻，纳米材料和纳米结构制备，介观材料(metamaterial)制备，等等。

第一级静电喷射装置1，其喷射可以限制在一个特定的喷射腔内，腔内可以注入特定载气或使用空气或抽成真空。其喷射也可以没有特定的喷射腔限制，其喷射在空气或载气中进行。

第一级静电喷射装置1，可以包括流量控制装置和电荷注入装置的静电喷射装置。也可以不使用流量控制装置5，而是使用脉冲式电荷注入装置控制静电喷射过程。

液滴控制装置可以使用一个特定的控制腔，腔内可以注入特定载气或使用空气或抽成真空，液滴控制部件可以在腔内也可以在腔外；也可以不使用特定的控制腔，液滴控制在空气或载气中直接进行。液滴控制可以使用电磁力(静电场或静磁场或交变电磁场)实现，也可以通过改变载气的类型、组分、流速、温度、压强等物理化学性质来实现.

库仑液滴分离可以在静电喷射装置内进行，也可以在液滴控制装置内进行。库仑液滴分离可以使用电磁力(静电场或静磁场或交变电磁场)实现控制，也可以通过改变载气的类型、组分、流速、温度、压强等物理化学性质来实现控制，或使用机械装置比如具有特定孔径的机械筛或通过在特定部位开口等方式来进行库仑液滴分离。

本发明所产生的静电液滴尤其是库仑液滴可以采用各种不同的收集方法采集，包括使用固体、液体、气体或真空的收集容器，而收集基底可以是纸张、塑料、聚合物、半导体、绝缘体、导体、动植物以至人体，等等。根据具体应用需要，收集装置可以加上特定的电压、温度、气压等控制，也可以不加。

本发明可以有包括但不限于下列情况的各种组合：(1)不同装置共用某些部件或者互为组成部分，比如收集装置可以同时是静电喷射装置的一部分；(2)各装置之间可以在物理上截然分开，也可以没有明确的界限，比如液滴控制装置可以和静电喷射装置直接组合在一起成为一套装置；(3)部分装置可以根据情况省略，比如在某些应用中液滴控制装置可以不用；(4)在一个系统中可以同时使用多个相同或相似部件，如可以有多个静电喷射装置喷射相同或不同的材料，对应于一个静电喷射装置可以同时使用一个或多个液滴控制装置，或对应于一个液滴控制装置可以有一个或多个静电喷射装置；同样的，也可以有一个或多个库仑液滴分离装置，可以有一个或多个收集装置，而且根据需要某一级或几级装置可以排成二维阵列或特定的三维空间排布，等等。

以上应用均应构成本发明的一部分。

Claims (4)

1.一种多级静电喷射系统，其特征在于：

包括第一级静电喷射装置(1)、与第一级静电喷射装置(1)相连的液体储存装置(4)和电荷注入装置(6)；

还包括安装于第一级静电喷射装置(1)后的至少包括第二级静电喷射装置(3)在内的下级静电喷射装置；上述第一级静电喷射装置(1)和下级静电喷射装置共组成N级，其中N为大于等于2的自然数；

上述下级静电喷射装置中至少一个下级静电喷射装置设有使静电液体进行库仑分裂从而产生库仑液滴的温度和压力调节装置；

该系统还安装有库仑液滴分离收集装置。

2.根据权利要求1所述的多级静电喷射系统，其特征在于：在上述第n级静电喷射装置与第n+1级静电喷射装置之间还安装有第n级静电液滴控制装置，用于控制第n级静电液滴的下列参数之一或几项：体积、温度、带电状态、空间分布、飞行轨迹；其中n为从1到N的自然数。

3.利用权利要求1所述多级静电喷射系统实现多级静电喷射的方法，其特征在于包括以下过程：

(a)、利用液体储存装置(4)向第一级静电喷射装置(1)提供液体，并利用电荷注入装置(6)给第一级静电喷射装置(1)内的液体注入电荷，最后通过第一级静电喷射装置(1)产生并喷出第一级静电液滴；

(b)、利用温度和/或气压调节装置控制相应下级静电喷射装置中的温度和气压，使得上一级静电液滴进入该级静电喷射装置后由于高温和/或低压的作用而快速蒸发出不带电的中性分子，最终使得静电液滴的带电量达到瑞利极限，达到瑞利极限后的静电液滴会发生库仑分裂，形成大小和带电量一致性好的库仑液滴，其中库仑液滴的尺寸和带电量都由且仅由该液体本身性质决定，而与外界条件无关，涉及公式如下：

Q＝8π(εTR³)^1/2

其中Q是库仑液滴所带电荷的总量，ε是该液体的介电常数，T是该液体的表面张力系数，R是该液滴的半径；

$R=\mathrm{\η}{\left(\frac{{\mathrm{T\ϵ}}^2}{\mathrm{\ρ}{K}^2}\right)}^{1/3}$

其中R是库仑液滴的半径，η是一个只与液体性质相关的比例系数，ρ是该液体的质量密度，ε是该液体的介电常数，T是该液体的表面张力系数，K是该液体的电导率；

(c)、利用下述方法之一分离并收集库仑液滴：

(c-1)、因为库仑液滴的电荷/质量比远大于其他液滴，所以在知道其大小和带电量后，使用静电场或静磁场使得库仑液滴在特定方向上产生一定的位移从而偏离原轨道，而其他液滴因为电荷/质量比远小于库仑液滴，在同样的静电场或静磁场中所产生的位移相对小很多，从而实现库仑液滴和其他液滴的分离；

(c-2)、利用库仑液滴的直径和质量远小于其他液滴的特点，使用机械方法分离库仑液滴，即使用具有特定孔径的机械过滤装置来收集库仑液滴而把其他较大的液滴都过滤掉。

4.根据权利要求3所述的多级静电喷射方法，其特征在于在上述步骤(a)与步骤(b)之间包括以下过程：

根据需要通过第n级静电喷射装置与第n+1级静电喷射装置之间还安装的第n级静电液滴控制装置控制第n级静电液滴的的下列参数之一或几项：体积、温度、带电状态、空间分布、飞行轨迹；其中n为从1到N的自然数。

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