CN107175181A - 一种含杠杆结构的压电膜片式微喷喷射阀 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种含杠杆结构的压电膜片式微喷喷射阀。本喷射阀微喷材料通过过滤网过滤到出料管道进入到喷嘴腔，以压电陶瓷为驱动元件，通过杠杆结构将所传递的动力变大，推动薄膜片变形挤压喷嘴腔内的材料，使得流体压力急剧变化，形成微滴喷射出去。由函数发生器与电压放大器发出信号驱动压电陶瓷，能够精确控制微滴产生，通过杠杆结构可以将粘度大的流体更好的喷射出去。通过加热装置来对高熔点的材料进行熔融。并且喷射机构与驱动元件分开，通过杠杆传递动力，可以避免温度对压电陶瓷的影响。本发明喷射阀推力大，产生微滴小且可控，适用于高粘度、高熔点的材料。在器件封装、微信光学元器件、微小金属零件快速成型和微小电气连接等领域有很大的应用和发展前景。

Description

一种含杠杆结构的压电膜片式微喷喷射阀

技术领域

本发明涉及一种微喷喷射阀，是一种含杠杆结构的压电膜片式装置，属于机械工程，器件封装，微小金属零件快速成形技术领域。

背景技术

在微电子工业中常用到多种不同性质的材。有机发光器件制造中需要使用包括铟硒氧化物、三(8—羟基喹啉)铝等在内的多种不同有机材料、聚合物材料，和电介质材料等。制造过程中如采用传统的化学气相沉积、电镀、光刻等加工工艺，将造成其中贵重材料的浪费。我们可以用微滴喷射生成微米级别来实现微量材料的精确技术。

人们对电子产品精密化、小型化的要求的逐渐提高，推动着半导体芯片制造技术和微电子封装中，焊球阵列制作和封装用流体材料的微量精确分配是在追求电子产品体积小，重量轻的前提下又能保证芯片良好的散热和抗震性的关键。

目前的微喷喷射阀类型中，一般采用静电式、热气泡式、气动膜片式、压电式、机械式、电磁式、应力驱动式、声学激励式和激光式。静电式需要较大的隔膜，会加大制造成本，影响分辨率。热气泡式不适合材料本身需要加热或高粘度流体中应用。电磁式不适合非导电材料。气动膜片式微喷技术喷射液滴成形一致性差且气压脉冲频率不高，驱动力小。而压电式现有收缩管式、平板式、叠堆型几种类型，但是几种一是都是压电陶瓷贴紧表面，中间没有隔热措施，可是由于压电陶瓷本身的温度特性限制，当温度高一点就会影响压电陶瓷的性能，二是当喷射高粘度的材料，如金属微滴，则需要驱动力比较大。所以一般这种方法只能用于常温低粘度材料的微滴喷射。目前对于粘度很大的金属微滴喷射效果不是很好。由于喷头直径小，特别容易堵塞，目前很多方法都是通过清水冲洗或者在喷嘴处设置过滤网来实现清理或防止堵塞，这种方法清理过滤网很不方便，要拆卸喷头。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种含杠杆结构的压电膜片式微喷喷射阀。

本发明的目的通过下述技术方案实现按需喷射精确性和能够使用压电驱动进行喷射高粘度液体与金属微滴喷射，更方便解决喷头堵塞问题。解决了传统气动微喷液体成型一致性差与压电陶瓷的温度特性的限制喷射溶液种类，解决传统喷射高粘度液体动力不足问题，并且具备高精度按需对高粘度液体与金属微滴进行喷射。

该喷射阀采用压电陶瓷作为驱动元件，在压电信号的激励下，产生逆压电信号通过压电陶瓷变形使杠杆传递动力，通过杠杆原理可知压电陶瓷产生的驱动力放大后，带动薄膜片出现弯曲变形，挤压喷嘴腔内，使得喷嘴腔中流体压力急剧变化，使得流体从喷射阀喷嘴处有规律的挤出，压电陶瓷失电的时候，在弹簧的回弹力作用下活塞杆快速回弹，使得形成的射流颈缩断裂，形成液滴。通过加热装置温度反馈系统能够更合适地对喷射材料进行熔融，而通过杠杆对喷嘴腔进行挤压，有强大的推力进行高粘度的微喷材料喷射。

本发明包括基座、驱动机构、微调机构、喷射机构、储料机构、温度反馈元件。其中温度反馈元件包括加热圈与热电偶，加热圈紧贴在储料缸，加热圈用于使得材料熔融，热电偶的测温探针插到出料管道内，用于实时检测温度情况，实现充分利用能源加热。微调机构包括微调器与微调器固定件，通过微调固定件将微调器固定在固定基板上，通过微调器、弹簧可以精确地调节压电陶瓷在竖直方向上的初始位置，对薄膜片进行预压，使驱动机构出于最佳状态。

基座包括固定基板与喷嘴腔基座，其是由不锈钢材质制成的方形体结构，微调器与杠杆固定在固定基板上，喷嘴腔基座与固定基板连接固定。

驱动机构包括杠杆机构、压电陶瓷固定件、压电陶瓷连接件、压电陶瓷、弹簧、推杆，压电陶瓷与压电陶瓷连接件连接，压电陶瓷另一端与杠杆连接，压电陶瓷为驱动元件，通过杠杆及推杆挤压薄膜片。

喷射机构包括薄膜片，薄膜片固定钉、薄膜片压紧件、喷嘴腔、排气口、出料管道和保温套，薄膜片与喷嘴腔的接触面使用液态密封垫密封，薄膜片为不锈钢材质，薄膜片和薄膜片压紧件安装在喷嘴腔的上端面，薄膜片压紧件为阶梯状，其轴肩上加工有薄膜片固定钉，使用薄膜片固定钉将薄膜片压紧件固定在喷嘴腔基座内，薄膜片压紧件下端面紧压在薄膜片上，保证薄膜片在工作时的定位和压紧。喷嘴腔右侧上端面加工有排气口，通过排气口可将喷嘴腔的空气完全排除，防止残留的气体对微喷喷射效果的影响。出料管道成倾斜状，这样能够便于材料顺利到达喷嘴腔。设计喷嘴腔为锥形，薄膜片有足够大的自由振动半径，并且有利于微喷材料的流体压力和动量在微喷孔处汇聚。喷嘴腔内壁光滑，以减小驱动压力损失。热电偶插入出料管道中用于测量温度。保温套紧贴在储料管道，在喷嘴腔基座中。防止流体经过出料管道热量散失严重。压电陶瓷振动通过杠杆传递动力使薄膜片变形使得喷嘴腔流体压力变大，当这个压力大于克服流体本身的表面张力的时候，微滴喷射成型。

储料机构包括气压接口、储料缸盖、密封圈、储料缸、隔热套、过滤网，过滤网固定螺钉与隔热板。气压接口与储料缸盖上端螺纹连接，储料缸盖下端与储料缸上端螺纹连接，气压接头连接气压管作为供料背压，储料缸盖内加工有密封沟槽，密封圈安装在密封沟槽内。用密封圈使得储料缸盖与储料缸密封，保证高温环境下达到良好的效果。隔热套套在加热圈上，防止温度散失，隔热板盖在喷嘴腔基座上面，进行二次防护热散失，同时也起到安全保护作用。本设计充分考虑了温度问题，目的是为了使得喷射效果更好。过滤网安装在储料缸底部，用固定螺钉定位在储料缸最下方，材料采用耐高温的材料。这样可以从源头上过滤杂质，以防喷头堵塞，安装在储料缸下端，拆卸方便。

本发明的工作原理为：使用函数发生器与电压放大器产生对不同波形频率的信号，对压电陶瓷进行控制，压电陶瓷在信号的控制下进行高频振动，通过杠杆把动力变大作用到推杆上，挤压薄膜片，喷嘴腔体积变小使得喷嘴腔内材料压力增大，当电压信号出于零的状态，薄膜片就恢复到原来的状态，此时喷嘴腔内材料压力减小为负压。这样压电陶瓷的往复高频率的振动使得喷嘴腔流体压力变化使得微喷流体有规律的喷射出来。

喷射阀装置一个微滴产生的过程分为四个阶段：第一个阶段是：液柱伸长，由于压电信号，压电陶瓷产生位移，通过杠杆使薄膜片运动挤压喷嘴腔，液面向外凸出行程液柱并逐渐伸长。第二阶段是：液柱缩颈，电压增大到巅峰值，薄膜片运动速度减小至零，由于已喷出喷嘴部分的液柱获得了膜片驱动的动量以较高速度运动，加上喷嘴口处黏性阻力的作用，液柱缩颈。第三阶段是：电压逐渐减为零，断裂成型，膜片复位，喷嘴腔腔内产生负压，液柱在其颈部上下两部分受到反向作用力，下端部分液滴断裂。第四阶段是：液滴喷射，微滴形成后以一定速度喷射出去。一个阶段的的喷射已经完成，准备下一个个喷射过程。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：本发明采用压电陶瓷作为动力来源，通过杠杆将其动力变大挤压薄膜片变形，从而使得喷射材料压力急剧变化，这样液滴就有规律的喷射出来。压电信号由函数发生器与电压放大器精确控制，这样使得液滴成型一致性变得更好。通过加热装置与保温隔热装置，使得材料熔融，这就使得本装置可以不用考虑压电陶瓷温度特性，使得材料能够加热到很高温度，能够来喷射金属微滴等，一般来说金属熔融后粘度比较大，所以本装置采用杠杆原理将动力变大，使得更加顺畅地喷射像金属微滴粘度大的微滴。对于一些粘度大的液体能够不用加温也能喷射出去，节约能源。过滤装置可以解决喷嘴堵塞问题，能够更加方便的清理过滤网。本发生装置推力大，产生微滴点胶尺寸小，精密可控，适用于高熔点的金属类材料，高粘度材料不用加热喷射。在器件封装、微信光学元器件、微小金属零件快速成型和微小电气连接等领域有很大的应用和发展前景。

附图说明

图1为本发明喷射装置的内部结构示意图；

图2位本发明喷射装置外形结构示意图；

图1中1气压接头、2储料缸盖、3密封圈、4加热圈、5储料缸、6隔热套、7过滤网固定螺钉、8过滤网、9隔热板、10保温套、11热电偶、12喷嘴腔基座、13出料管道、14液滴、15喷嘴腔、16薄膜片、17排气口、18薄膜固定钉、19薄膜压紧件、20推杆、21微调器、22微调器固定件、23压电陶瓷固定件、24压电陶瓷固定件、25弹簧、26压电陶瓷、27杠杆结构、28杠杆安装件、29固定基板。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明：

如图1、图2所示，本发明包括基座、驱动机构、微调机构、喷射机构、储料机构、温度反馈元件。其中温度反馈元件包括加热圈4与热电偶11，加热圈4紧贴在储料缸5，用于使得材料熔融。热电偶11的测温探针插到出料管道13内，检测温度。

储料机构包括气压接口1、储料缸盖2、密封圈3、储料缸5、隔热套6、过滤网8，过滤网固定螺钉7与隔热板9。气压接口1与储料缸盖2上端螺纹连接，储料缸盖2下端与储料缸5上端螺纹连接，气压接头1连接气压管作为供料背压，储料缸盖2内加工有密封沟槽，密封圈3安装在密封沟槽内。用密封圈3使得储料缸盖2与储料缸5密封。隔热套6套在加热圈4上，隔热板9盖安装在喷嘴腔基座12上面，进行二次防护热散失。过滤网8安装在储料缸5底部，用过滤网固定螺钉7定位在储料缸5最下方。材料在储料缸5熔融后或者流体在储料缸5加热后，通过过滤网8过滤杂质，进入储料管道13，热电偶11检测实时检测温度。

驱动机构包括杠杆机构27、压电陶瓷固定件23、压电陶瓷连接件24、压电陶瓷26、弹簧25、推杆20，压电陶瓷26与压电陶瓷连接件24连接，压电陶瓷26另一端与杠杆27连接，压电陶瓷26为驱动元件，压电信号使得压电陶瓷26振动，通过杠杆27及推杆20挤压薄膜片16。

喷射机构包括薄膜片16、薄膜片固定钉18、薄膜片压紧件19、喷嘴腔15、排气口17、出料管道13和保温套10，薄膜片16与喷嘴腔15的接触面使用液态密封垫密封，薄膜片16为不锈钢材质，薄膜片16和薄膜片压紧件19安装在喷嘴腔15的上端面，薄膜片压紧件19为阶梯状，其轴肩上加工有薄膜片固定钉18，使用薄膜片固定钉18将薄膜片压紧件19固定在喷嘴腔基座12内，薄膜片压紧件19下端面紧压在薄膜片16上，保证薄膜片16在工作时的定位和压紧。喷嘴腔15右侧上端面加工有排气口17，通过排气口17可将喷嘴腔15的空气完全排除。出料管道13成倾斜状，这样能够便于使得储料缸5的材料顺利到达喷嘴腔15。在驱动机构的作用下，薄膜片16变形使得喷嘴腔15体积发生变化，喷射材料压力急剧变化，当这个压力大于克服流体本身的表面张力的时候，液滴14就喷射出来了。设计喷嘴腔15为锥形，薄膜片16有足够大的自由振动半径，并且有利于微喷材料的流体压力和动量在微喷孔处汇聚。喷嘴腔15内壁光滑，以减小驱动压力损失。

基座包括固定基板30与喷嘴腔基座12，其是由不锈钢材质制成的方形体结构，微调器21与杠杆27固定在固定基板30上，喷嘴腔基座12与固定基板12连接固定。

微调机构包括微调器21与微调器固定件22，通过微调固定件22将微调器21固定在固定基板29上，通过微调器21、弹簧25可以精确地调节压电陶瓷26在竖直方向上的初始位置，对薄膜片16进行预压，使驱动机构出于最佳状态。

本发明的工作原理为：使用函数发生器与电压放大器产生对不同波形频率的信号，对压电陶瓷26进行控制，压电陶瓷26在信号的控制下进行高频振动，通过杠杆27把动力变大作用到推杆20上，挤压薄膜片16，喷嘴腔15体积变小使得喷嘴腔15内材料压力增大，当电压信号出于零的状态，薄膜片16就恢复到原来的状态，此时喷嘴腔15内材料压力减小为负压。这样压电陶瓷26的往复高频率的振动使得喷嘴腔15流体压力变化使得微喷流体有规律的喷射出来。

喷射阀装置一个微滴产生的过程分为四个阶段：第一个阶段是：液柱伸长，由于压电信号，压电陶瓷26产生位移，通过杠杆27使薄膜片16运动挤压喷嘴腔15，液面向外凸出行程液柱并逐渐伸长。第二阶段是：液柱缩颈，电压增大到巅峰值，薄膜片16运动速度减小至零，由于已喷出喷嘴部分的液柱获得了膜片驱动的动量以较高速度运动，加上喷嘴口处黏性阻力的作用，液柱缩颈。第三阶段是：电压逐渐减为零，断裂成型，薄膜片16复位，喷嘴腔15腔内产生负压，液柱在其颈部上下两部分受到反向作用力，下端部分液滴14断裂。第四阶段是：液滴喷射，微滴形成后以一定速度喷射出去。一个阶段的的喷射已经完成，准备下一个个喷射过程。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种含杠杆结构的压电膜片式微喷喷射阀，包括基座、驱动机构、微调机构、喷射机构、储料机构、温度反馈元件，其特征在于：温度反馈元件包括加热圈(4)与热电偶(11)，加热圈(4)紧贴在储料缸(5),热电偶(11)的测温探针插到出料管道(13)内,储料机构包括气压接口(1)、储料缸盖(2)、密封圈(3)、储料缸(5)、隔热套(6)、过滤网(8)，过滤网固定螺钉(7)与隔热板(9),气压接口(1)与储料缸盖(2)上端螺纹连接，储料缸盖(2)下端与储料缸(5)上端螺纹连接，气压接头(1)连接气压管，储料缸盖(2)内加工有密封沟槽，密封圈(3)安装在密封沟槽内,用密封圈(3)使得储料缸盖(2)与储料缸(5)密封,隔热套(6)套在加热圈(4)上，隔热板(9)盖安装在喷嘴腔基座(12)上面,过滤网(8)安装在储料缸(5)底部，用过滤网固定螺钉(7)定位在储料缸(5)最下方,材料在储料缸(5)熔融后或者流体在储料缸(5)加热后，通过过滤网(8)过滤杂质，进入储料管道(13),驱动机构包括杠杆机构(27)、压电陶瓷固定件(23)、压电陶瓷连接件(24)、压电陶瓷(26)、弹簧(25)、推杆(20)，压电陶瓷(26)与压电陶瓷连接件(24)连接，压电陶瓷(26)另一端与杠杆(27)连接，压电陶瓷(26)为驱动元件,喷射机构包括薄膜片(16)、薄膜片固定钉(18)、薄膜片压紧件(19)、喷嘴腔(15)、排气口(17)、出料管道(13)和保温套(10)，薄膜片(16)与喷嘴腔(15)的接触面使用液态密封垫密封，薄膜片(16)为不锈钢材质，薄膜片(16)和薄膜片压紧件(19)安装在喷嘴腔(15)的上端面，薄膜片压紧件(19)为阶梯状，其轴肩上加工有薄膜片固定钉(18)，使用薄膜片固定钉(18)将薄膜片压紧件(19)固定在喷嘴腔基座(12)内，薄膜片压紧件(19)下端面紧压在薄膜片(16)上，保证薄膜片(16)在工作时的定位和压紧,喷嘴腔(15)右侧上端面加工有排气口(17),出料管道(13)成倾斜状,基座包括固定基板(30)与喷嘴腔基座(12)，其是由不锈钢材质制成的方形体结构，微调器(21)与杠杆(27)固定在固定基板(30)上，喷嘴腔基座(12)与固定基板(12)连接固定,微调机构包括微调器(21)与微调器固定件(22)，通过微调固定件(22)将微调器(21)固定在固定基板(29)上。

2.根据权利要求1所述的一种含杠杆结构的压电膜片式微喷喷射阀，其特征在于压电陶瓷(26)产生的动力由杠杆(27)进行放大传递，杠杆(27)固定在固定基板(29)上。

3.根据权利要求1所述的一种含杠杆结构的压电膜片式微喷喷射阀，其特征在于储料机构中储料缸(5)底部用过滤网固定螺钉(7)固定过滤网(8)，用来从源头上过滤杂质，过滤网采用高熔点的金属材料。

4.根据权利要求1所述的一种含杠杆结构的压电膜片式微喷喷射阀，其特征在于所述薄膜片(16)采用不锈钢材质，隔热板(9)、隔热套(6)与保温套(10)都采用导热系数为0.034W/m·k的橡塑保温材料。