CN107070293A - 基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置及方法，属于微流控技术领域，该装置主要由压电蜂鸣片通过谐振腔与针头连接，压电蜂鸣片由压电陶瓷与金属基板构成，所述金属基板与谐振腔粘接，谐振腔再与针头上的通孔粘接；振动的压电蜂鸣片带动谐振腔内的流动或空气振动，进而将扰动嵌入流动聚焦的管道中。当加压电蜂鸣片的扰动时，振动能量通过谐振腔传递至管道中的流体，振动能量在形成锥形和射流柱的过程中实现扰动的效果，本发明通过控制压电蜂鸣片的驱动电压、驱动频率或驱动波形来控制射流柱破碎产生的微液滴尺寸、生成频率。

Description

基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置及方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置及方法。

背景技术

微滴的形成过程很直观地说明了微流体处理的复杂性。与表面张力有关的相对小的力在微滴形成过程中产生高度的非线性且对外部干扰异常敏感。从连续液相形成液滴，需要引入能量进而转换成微滴形成后的表面能量。当此能量仅来源于流体压力，并无外界能量输入时，为被动控制；相反，在微滴生成过程中，有外界能量输入时为主动控制。被动控制的经典结构为：T型和流动聚焦型。这两种结构的被动控制主要是通过改变流量或压力来实现。被动控制的最大问题是：响应时间太长，通常为几秒钟甚至几分钟。较长的响应时间主要受制于相对较大的流体阻力。在预先设置好的流量与压力下，此时若想得到一个特定尺寸的微滴，唯一的办法就是调节液体属性和通道的形状。根据外部输入能量类型的不同，微滴主动控制生成主要分为：热控制，磁控制，气驱/液驱控制，压电控制等。由于压电驱动具有很快的响应，一般可达到200μs，所以对于压电主动激励制备微液滴的研究受到越来越多的关注，目前压电扰动的引入主要针对微流控芯片，如在进口管道上引入压电圆片、压电双晶片或压电叠堆的振动来控制微液滴形成的体积或频率。相比于微流控芯片的微液滴制备，利用液驱流动聚焦的微液滴制备具有很多优势，如低成本，高包封率，高产量等。二维平面的微流控芯片技术所生成的微液滴经常与腔壁接触而变形，而基于液驱的流动聚焦三维装置所生成的微液滴在液体环境中，对外部的扰动的影响也小，浸润性问题也得到进一步改善。但目前对基于液驱的流动聚焦，通常是改变流量来改变生成微液滴的尺寸和生成频率，但是改变的幅度有限，流量太大和太小都不易行程稳定的锥形，而且生成的微液滴尺寸均匀度差，常伴有卫星液滴的出现，因此，如何提供一种主动控制制备所需尺寸和生成频率的微液滴的装置是需要解决的问题。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置及方法，能主动控制制备所需尺寸和生成频率的微液滴。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施例提供一种基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置，包括：

压电蜂鸣片、谐振腔

所述谐振腔设有开口，该开口经针头侧壁上的通孔与所述针头连接，所述谐振腔的腔体处于所述针头侧壁外，所述谐振腔上设置所述压电蜂鸣片，所述压电蜂鸣片能振动带动所述谐振腔内的空气流动或空气振动来扰动针头中流动的液体。

本发明实施例还提供一种基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备方法，采用本发明所述的基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置，包括以下步骤：

通过控制所述微液滴主动制备装置的压电蜂鸣片的驱动电压、驱动频率或驱动波形来控制射流柱破碎产生的微液滴尺寸和生成频率。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置及方法，其有益效果为：

通过在针头的侧壁上设置谐振腔，并在谐振腔上设置压电蜂鸣片，能在液驱流动聚焦装置中，在射流柱形成之前引入压电蜂鸣片振动的能量，进行干扰可控的形成微液滴。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明实施例提供的基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于压电蜂鸣片扰动的流动聚焦装置结构示意图。

图中：1-针头，2-通孔，3-谐振腔，4-压电蜂鸣片，41-压电陶瓷，42-金属基板，5-管道，6-微液滴相，7-锥形，8-射流柱，9-出口，10-容器，11-圆孔，12-驱动液入口。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置，可以主动制备微液滴，包括：

压电蜂鸣片、谐振腔

所述谐振腔设有开口，该开口经针头侧壁上的通孔与所述针头连接，所述谐振腔的腔体处于所述针头侧壁外，所述谐振腔上设置所述压电蜂鸣片，所述压电蜂鸣片能振动带动所述谐振腔内的空气流动或空气振动来扰动针头中流动的液体。

上述制备装置中，压电蜂鸣片由压电陶瓷与金属基板构成，所述金属基板与所述谐振腔粘接。

具体的，上述制备装置如图1、2所示，主要由压电蜂鸣片通过谐振腔与针头连接，压电蜂鸣片由压电陶瓷与金属基板构成，所述金属基板与谐振腔粘接，谐振腔再与针头侧壁上的通孔粘接；振动的压电蜂鸣片带动谐振腔内的流动或空气振动，进而将扰动嵌入流动聚焦的管道中；对于液驱流动聚焦系统，驱动液从驱动液入口流经圆孔，对由管道通入的微液滴相提供剪切力形成稳定的锥形，微液滴相进而穿过圆孔形成射流柱，容器里面的液体通过出口流出。

本发明实施例还提供一种基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备方法，采用上述的基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置，包括以下步骤：

通过控制所述微液滴主动制备装置的压电蜂鸣片的驱动电压、驱动频率或驱动波形来控制射流柱破碎产生的微液滴尺寸和生成频率。

本发明基于液驱流动聚焦在射流柱形成之前引入压电蜂鸣片振动的能量，通过主动控制制备所需均匀尺寸、生成频率的微液滴。该装置当不加压电蜂鸣片的扰动时，射流柱在液体环境下延长由于表面张力进而破碎，破碎液滴的尺寸只能根据流量控制，响应时间较长，通常为几秒钟，而且生成的微滴尺寸不均匀，常伴有卫星液滴的出现；当加压电蜂鸣片的扰动时，振动能量通过谐振腔传递至管道中的流体，振动能量在形成锥形和射流柱的过程中实现扰动的效果，本发明通过控制压电蜂鸣片的驱动电压、驱动频率或驱动波形来控制射流柱破碎产生的微液滴尺寸和生成频率。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

如图1所示，本实施例提供一种基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置，该装置主要由压电蜂鸣片4通过谐振腔3与针头1连接，压电蜂鸣片4由压电陶瓷41与金属基板42构成，所述金属基板42与谐振腔3粘接，谐振腔3再与针头1上的通孔2粘接，这样解决了压电蜂鸣片的绝缘问题；振动的压电蜂鸣片4带动谐振腔3内的流动或空气振动，进而将扰动嵌入流动聚焦的管道5中。

如图2所示，对于液驱流动聚焦系统，驱动液从驱动液入口12流经圆孔11，对由管道5通入的微液滴相6提供剪切力形成稳定的锥形7，微液滴相6进而穿过圆孔11形成射流柱8，容器10里面的液体通过出口9流出。

当不加压电蜂鸣片4的扰动时，射流柱8在液体环境下延长由于表面张力进而破碎，破碎液滴的尺寸只能根据流量控制，响应时间较长，通常为几秒钟，而且生成的微滴尺寸不均匀，常伴有卫星液滴的出现；当加压电蜂鸣片4的扰动时，振动能量通过谐振腔3传递至管道5中的流体，振动能量在形成锥形7和射流柱8的过程中实现扰动的效果，本发明通过控制压电蜂鸣片4的驱动电压、驱动频率或驱动波形来控制射流柱8破碎产生的微液滴尺寸和生成频率，所述驱动电压小于压电蜂鸣片4的击穿电压，所述驱动波形为正弦波、方波或锯齿波中的任一种。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置，其特征在于，包括：

压电蜂鸣片、谐振腔

所述谐振腔设有开口，该开口经针头侧壁上的通孔与所述针头连接，所述谐振腔的腔体处于所述针头侧壁外，所述谐振腔上设置所述压电蜂鸣片，所述压电蜂鸣片能振动带动所述谐振腔内的空气流动或空气振动来扰动针头中流动的液体。

2.根据权利要求1所述的基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置，其特征在于，所述压电蜂鸣片由压电陶瓷与金属基板构成，所述金属基板与所述谐振腔粘接。

3.一种基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的基于压电蜂鸣片扰动的微液滴主动制备装置，包括以下步骤：

通过控制所述微液滴主动制备装置的压电蜂鸣片的驱动电压、驱动频率或驱动波形来控制射流柱破碎产生的微液滴尺寸和生成频率。