CN107100831A - 基于压电圆管扰动的微液滴主动制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电圆管扰动的微液滴主动制备装置及方法，属于微流控技术领域，该装置主要由压电圆管一端固定在容器上，另一端与容器上的圆孔对中；气体从气体入口通入，从圆孔通出；微液滴相从压电圆管内腔通入，流出压电圆管形成锥形结构，再穿过圆孔形成射流柱。当不加压电圆管的扰动时，射流柱由于表面张力进而破碎，破碎液滴的尺寸只能根据气压控制，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；当加压电圆管的扰动时，压电圆管的振动带动锥形结构微小变动，本发明通过控制压电圆管的驱动电压或驱动频率来控制射流柱破碎产生的微液滴尺寸和生成频率。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种基于气驱流动聚焦压电圆管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，利用气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。但目前对基于气驱的流动聚焦，通常是改变气压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，气压太大和太小都不易行程稳定的锥形结构，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，如何提供一种能解决上述问题的基于气驱流动聚焦的微液滴主动制备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圆管扰动的微液滴主动制备装置及方法，能在气驱流动聚焦中可控的主动制备微液滴。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供一种基于压电圆管扰动的微液滴主动制备装置，包括：
压电圆管和容器；其中，
所述压电圆管一端固定设置在所述容器上，所述压电圆管的后端开口为微液滴相入口，该微液滴相入口设在所述容器外部；所述压电圆管的前端出口从上部伸入到所述容器内，与所述容器底部设置的圆孔对中，
所述容器的侧壁上设有气体入口。
本发明实施方式还提供一种基于压电圆管扰动的微液滴主动制备方法，采用本发明所述的基于压电圆管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圆管的驱动电压或驱动频率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圆管扰动的微液滴主动制备装置及方法，其有益效果为：
通过在容器上设置压电圆管，以压电圆管的内腔形成射流柱，通过对压电圆管施加电压形成压电振动，在基于气驱流动聚焦中，在射流柱形成初期的锥形结构部分引入压电振动的能量，通过主动控制制备所需均匀尺寸和生成频率的微液滴。
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圆管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扰动射流为同轴包裹的结构示意图；
图中：1-压电圆管，2-微液滴相，3-容器，4-气体入口，5-锥形结构，6-射流，7-圆孔，8-内壁电极，9-外壁电极。
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圆管扰动的微液滴主动制备装置，其特征在于，包括：
压电圆管和容器；其中，
所述压电圆管一端固定设置在所述容器上，所述压电圆管的后端开口为微液滴相入口，该微液滴相入口设在所述容器外部；所述压电圆管的前端出口从上部伸入到所述容器内，与所述容器底部设置的圆孔对中，微液滴相从压电圆管内腔通入，流出压电圆管形成锥形结构，再穿过容器的圆孔形成射流柱，压电圆管振动后能扰动射流柱形成微液滴。
所述容器的侧壁上设有气体入口。
上述制备装置中，压电圆管内腔为微液滴相通道。
上述制备装置中，压电圆管的外壁电极为分割的四块电极，分别连接Vsinωt,Vcosωt,-Vsinωt,-Vcosωt四种不同相位与极性的电压，所述压电圆管的内壁电极接地。
本发明实施例还提供一种基于压电圆管扰动的微液滴主动制备方法，采用上述的基于压电圆管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圆管的驱动电压或驱动频率来控制射流柱破碎产生的微液滴尺寸和生成频率。
上述制备方法中，若所述微液滴主动制备装置的压电圆管的外壁电极采用分割的四块电极，四块电极分别接入Vsinωt,Vcosωt,-Vsinωt,-Vcosωt四种不同相位与极性的电压，压电圆管的内壁电极接地；所述方法还包括：通过控制所述压电圆管的Vsinωt,Vcosωt,-Vsinωt,-Vcosωt四种不同相位与极性的电压，使所述压电圆管的前端出口处的一端产生圆周摆动控制射流柱破碎产生微液滴。
本发明的制备装置在基于气驱流动聚焦中在射流柱形成初期的锥形结构部分引入压电振动的能量，通过主动控制制备所需均匀尺寸和生成频率的微液滴。这种结构的制备装置，当不加压电圆管的扰动时，射流柱由于表面张力进而破碎，破碎液滴的尺寸只能根据气压控制，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；当加压电圆管的扰动时，压电圆管的振动带动锥形结构微小变动进而形成微液滴，通过控制压电圆管的驱动电压或驱动频率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圆管扰动的微液滴主动制备装置，该装置主要由压电圆管1一端固定在容器3上，另一端与容器3上的圆孔7对中；气体从气体入口4通入，从圆孔7通出；微液滴相2从压电圆管1内腔通入，流出压电圆管1形成锥形结构5，再穿过圆孔7形成射流柱6。
当不加压电圆管1的扰动时，射流柱6由于表面张力进而破碎，破碎液滴的尺寸只能根据气压控制，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；当加压电圆管1的扰动时，压电圆管1的振动带动锥形结构5微小变动，本发明通过控制压电圆管1的驱动电压或驱动频率来控制射流柱6破碎产生的微液滴尺寸和生成频率。
如图2所示，压电圆管1的外壁电极9也可分割成四块，分别接入Vsinωt,Vcosωt,-Vsinωt,-Vcosωt四种不同相位与极性的电压，压电圆管1的内壁电极8接地，这样压电圆管1靠近锥形结构5的一端会产生圆周摆动，这样扰动区别于单摆运动，对锥形结构5的扰动会更加明显。
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 (5)
1.一种基于压电圆管扰动的微液滴主动制备装置，其特征在于，包括：
压电圆管和容器；其中，
所述压电圆管一端固定设置在所述容器上，所述压电圆管的前端出口从上部伸入到所述容器内，与所述容器底部设置的圆孔对中，所述压电圆管的后端开口为微液滴相入口，该微液滴相入口设在所述容器外部；
所述容器的侧壁上设有气体入口。
2.根据权利要求1所述的基于压电圆管扰动的微液滴主动制备装置，其特征在于，所述压电圆管内腔为微液滴相通道。
3.根据权利要求1或2所述的基于压电圆管扰动的微液滴主动制备装置，其特征在于，所述压电圆管的外壁电极为分割的四块电极，分别连接Vsinωt,Vcosωt,-Vsinωt,-Vcosωt四种不同相位与极性的电压，所述压电圆管的内壁电极接地。
4.一种基于压电圆管扰动的微液滴主动制备方法，其特征在于，采用权利要求1至3任一项所述的基于压电圆管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圆管的驱动电压或驱动频率来控制射流柱破碎产生的微液滴尺寸和生成频率。
5.根据权利要求4所述的基于压电圆管扰动的微液滴主动制备方法，其特征在于，若所述微液滴主动制备装置的压电圆管的外壁电极采用分割的四块电极，四块电极分别接入Vsinωt,Vcosωt,-Vsinωt,-Vcosωt四种不同相位与极性的电压，压电圆管的内壁电极接地；所述方法还包括：通过控制所述压电圆管的Vsinωt,Vcosωt,-Vsinωt,-Vcosωt四种不同相位与极性的电压，使所述压电圆管的前端出口处的一端产生圆周摆动控制射流柱破碎产生微液滴。
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