CN107930707A - 基于气动驱动的阵列型微液滴产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于气动驱动的阵列型微液滴产生装置，属于生物医学微量样品施加、生物3D打印等领域。进气路径与排气路径相连接，排气路径与储液腔连接，调压阀位于进气路径处，电磁阀位于进气路径与排气路径之间，控制进气路径的开断；储液腔用于储存液体，储液腔底部设有若干微孔，喷嘴阵列的各个喷嘴与储液腔底部的微孔相粘接，当电磁阀开启一段时间后，储液腔内的压强增大，挤压液滴，会在喷嘴阵列的喷嘴处喷出微液滴。当需要某个或者某些喷嘴上产生微液滴时，在设定选定的喷嘴上施加电压，施加阈值驱动气压时，施加电压的喷嘴会产生微液滴，其余喷嘴未产生微液滴，这样就可以按需设定喷嘴阵列中的喷嘴产生微液滴。
Description
技术领域
本发明涉及利用介电润湿效应，可以实现微液滴从任意设定的喷嘴喷出的阵列型微液滴阵列产生装置的喷射控制技术，属于生物医学微量样品施加、生物3D打印等领域。
背景技术
常见的阵列喷射方式主要有压电驱动喷射、热泡驱动喷射。特别是对于生物医学领域样品施加和3D生物打印，压电驱动喷头实际操作中工作参数的设定比较复杂，而且喷射液体的黏度不能过大；热泡驱动喷头制作简单。但是喷头局部温度可达到300℃，喷射过程对包括细胞在内的生物医学样品的活性影响难以评估。因此，需要对生物细胞打印没有不利影响的阵列型微液滴产生装置。基于气动的微液滴产生技术可以实现较高粘度液体的喷射。常温工作，对生物医学样本活性影响小，细胞喷射的成活率高。气动微液滴产生装置主要分为储液腔4、喷嘴阵列5、气路(1,2,3)三部分，喷射工作原理是利用高速电磁阀产生气压脉冲进入储液腔，挤压储液腔内液体喷出喷嘴，形成液滴。目前多是单一喷嘴的微液滴产生装置。
本发明致力于设计一种基于气动驱动的阵列型微液滴产生装置，其基于介电润湿效应的喷嘴阵列，结合单一储液腔、单一气动驱动器(如：基于高速电磁阀的脉冲气压产生装置)微液滴产生装置，可以实现微液滴从任意设定的喷嘴喷出。
发明内容
本发明提出了由单一储液腔，单一高速电磁阀以及基于介电润湿效应的喷嘴阵列制作基于气动驱动的阵列型微液滴产生装置，如图1所示。单喷头气动微液滴产生装置的简要工作原理在技术背景中有描述。
本发明采用的技术方案为基于气动驱动的阵列型微液滴产生装置，该装置由调压阀3、电磁阀2、排气路径1、储液腔4和喷嘴阵列5组成。进气路径与排气路径1相连接，排气路径1与储液腔4连接，调压阀3位于进气路径处，调压阀3用于调节进气路径的气压压强；电磁阀2位于进气路径与排气路径1之间，控制进气路径的开断；储液腔4用于储存液体，储液腔4底部设有若干微孔，喷嘴阵列5的各个喷嘴与储液腔4底部的微孔相粘接，当电磁阀2开启一段时间后，储液腔4内的压强增大，挤压液滴，会在喷嘴阵列5的喷嘴处喷出微液滴。
单个喷嘴结构如图2所示，喷嘴阵列5的喷嘴由两块ITO玻璃9、微孔陶瓷片7和两块绝缘垫片10组成。ITO玻璃9的中心部分表面依次涂覆有介电层8和疏水层6，微孔陶瓷片7经过疏水化处理；两块ITO玻璃9相对布置，两块ITO玻璃9的疏水层6相对布置；绝缘垫片10并列设置在两块ITO玻璃9之间，ITO玻璃9与绝缘垫片10之间采用绝缘液态胶黏合密封，形成腔体，腔体设置在微孔陶瓷片7上。ITO玻璃9在边缘处留有部分未被涂覆的空白ITO电极层与外界电压信号连接。
微孔陶瓷片7上的微孔孔径大小为几十微米至几百微米之间，微孔孔径的中心对准腔体的中心。
介电层8和疏水层6的涂覆厚度为微米级别或纳米级别。
气动微液滴产生是利用气压脉冲将储液腔内液体挤出喷嘴，形成液滴。如果喷嘴附近有气泡，将会对液滴喷出产生极大的阈值。介电润湿效应是利用电极上施加电压所产生的变化电场，改变液滴表面张力，实现改变介质膜与表面液体的润湿特性，即改变固-液接触角的现象。假设储液腔内的液体的高度适量，在液体内部压强差的作用下，液体会进入喷嘴，如果喷嘴内ITO玻璃之间的电压为零时疏水层表面表现为疏水性；反之施加电压时产生介电润湿效应，疏水层表面变为亲水层。
未施加电压时，喷嘴内部表现为疏水性，固-液接触角大于90°，喷嘴内部液面11如图3中的(a)所示，除大气压外，液面主要受液体内部压强和作用在喷嘴液面的表面张力产生的压强的作用。喷嘴液面受到方向向下的内部压强Pl为：
Pl＝ρlgh
其中，ρl为储液腔4内的液体密度，g为重力加速度，h为储液腔内液体的高度此时忽略喷嘴的高度。作用在喷嘴液面底部的表面张力产生的压强Pt为：
其中a为垫片之间的距离，b为垫片的宽度，如图2中的(b)所示，Ft为喷嘴液面底部的表面张力，θ为Ft在竖直方向上的夹角，与喷嘴液面的接触角互补。通过调整储液腔内的液体高度h，忽略喷嘴的高度，使Pt>Pl，即压强差ΔP>0(ΔP＝Pt-Pl)，方向向上，液面上升，由于喷嘴内液面的固-液接触角不变，最终液面会上升到喷嘴的顶部时固-液接触角改变，达到一种稳定平衡状态，如图3中的(b)所示。
施加电压时，喷嘴内部表现为亲水性，固-液接触角ψ小于90°，喷嘴内液面表面张力FT的方向向下，如图4中的(a)所示，PT与PL方向相同，方向向下，则压强差方向向下，喷嘴内液体向下运动，当进入经过疏水处理后的微孔陶瓷片的微孔内时，由于微孔内表面是疏水性，接触角ψ方向向上，FT方向改变，方向向上，PT方向向上，作用在喷嘴液面底部的表面张力产生的压强PT为：
其中r为微孔半径，θ为FT在竖直方向上的夹角，由于微孔孔径远远小于喷嘴腔体截面，这时很容易满足PT>>PL，即ΔP>0(ΔP＝PT-PL)，总压强方向向上，液面在微孔陶瓷片的微孔顶部达到一种新的稳定平衡状态，如图4中的(b)所示。
气路采用高速电磁阀2和调压阀3产生适当气体压强脉冲，挤压储液腔4内的液体，产生微液滴，在喷嘴5上施加电压时的情况下实现微液滴阵列产生装置喷出微液滴的驱动气压设为阈值气压。若未施加电压时，施加气体压强脉冲为气压阈值，将导致液面下降，由于液面距离喷嘴底部有高度差作为缓冲，不会产生微液滴，储液腔内的气压恢复时至初始状态时喷嘴内部液面也恢复至初始状态；反之，若施加电压，喷嘴内部会因为亲水性，液面下降至微孔陶瓷片7的微孔腔内，施加阈值气压时，挤压储液腔的液体将产生微液滴。
气动微液滴产生装置实现的喷射频率最高可达到50Hz左右，介电润湿的反应速度可达到100HZ以上，所以液体的介电润湿的反应速度完全满足气动喷射频率。当需要某个或者某些喷嘴上产生微液滴时，在设定选定的喷嘴上施加电压，施加阈值驱动气压时，施加电压的喷嘴会产生微液滴，其余喷嘴未产生微液滴，这样就可以按需设定喷嘴阵列5中的喷嘴产生微液滴。
附图说明
图1为基于介电润湿效应制作的气动驱动的阵列型微液滴产生装置结构示意图。
图2为喷嘴结构示意图。
图3为未施加电压的喷嘴内液面状态与受力示意图。
图4为施加电压后的喷嘴内液面状态与受力示意图。
具体实施方式
用电磁阀2和调压阀3控制气体压强脉冲的强度和宽度，设置喷嘴10施加电压时产生微液滴所需的阈值气压。按需求把设定的喷嘴施加电压，并对储液腔4施加阈值气压，实现微液滴从设定的喷嘴喷出，其余喷嘴未产生微液滴。随后关闭电磁阀2以及电压降为零，喷嘴内液面恢复初始状态。
气动微液滴产生是利用气压脉冲将储液腔内液体挤出喷嘴，形成液滴。如果喷嘴附近有气泡，将会对液滴喷出产生极大的阈值。介电润湿效应是利用电极上施加电压所产生的变化电场，改变液滴表面张力，实现改变介质膜与表面液体的润湿特性，即改变固-液接触角的现象。假设储液腔内的液体的高度适量，在液体内部压强差的作用下，液体会进入喷嘴，如果喷嘴内ITO玻璃之间的电压为零时疏水层表面表现为疏水性；反之施加电压时产生介电润湿效应，疏水层表面变为亲水层。
未施加电压时，喷嘴内部表现为疏水性，固-液接触角大于90°，喷嘴内部液面11如图3中的(a)所示，除大气压外，液面主要受液体内部压强和作用在喷嘴液面的表面张力产生的压强的作用。喷嘴液面受到方向向下的内部压强Pl为：
Pl＝ρlgh
其中，ρl为储液腔4内的液体密度，g为重力加速度，h为储液腔内液体的高度此时忽略喷嘴的高度。作用在喷嘴液面底部的表面张力产生的压强Pt为：
其中a为垫片之间的距离，b为垫片的宽度，如图2中的(b)所示，Ft为喷嘴液面底部的表面张力，θ为Ft在竖直方向上的夹角，与喷嘴液面的接触角互补。通过调整储液腔内的液体高度h，忽略喷嘴的高度，使Pt>Pl，即压强差ΔP>0(ΔP＝Pt-Pl)，方向向上，液面上升，由于喷嘴内液面的固-液接触角不变，最终液面会上升到喷嘴的顶部时固-液接触角改变，达到一种稳定平衡状态，如图3中的(b)所示。
施加电压时，喷嘴内部表现为亲水性，固-液接触角ψ小于90°，喷嘴内液面表面张力FT的方向向下，如图4中的(a)所示，PT与PL方向相同，方向向下，则压强差方向向下，喷嘴内液体向下运动，当进入经过疏水处理后的微孔陶瓷片的微孔内时，由于微孔内表面是疏水性，接触角ψ方向向上，FT方向改变，方向向上，PT方向向上，作用在喷嘴液面底部的表面张力产生的压强PT为：
其中r为微孔半径，θ为FT在竖直方向上的夹角，由于微孔孔径远远小于喷嘴腔体截面，这时很容易满足PT>>PL，即ΔP>0(ΔP＝PT-PL)，总压强方向向上，液面在微孔陶瓷片的微孔顶部达到一种新的稳定平衡状态，如图4中的(b)所示。
气路采用高速电磁阀2和调压阀3产生适当气体压强脉冲，挤压储液腔4内的液体，产生微液滴，在喷嘴5上施加电压时的情况下实现微液滴阵列产生装置喷出微液滴的驱动气压设为阈值气压。若未施加电压时，施加气体压强脉冲为气压阈值，将导致液面下降，由于液面距离喷嘴底部有高度差作为缓冲，不会产生微液滴，储液腔内的气压恢复时至初始状态时喷嘴内部液面也恢复至初始状态；反之，若施加电压，喷嘴内部会因为亲水性，液面下降至微孔陶瓷片7的微孔腔内，施加阈值气压时，挤压储液腔的液体将产生微液滴。
气动微液滴产生装置实现的喷射频率最高可达到50Hz左右，介电润湿的反应速度可达到100HZ以上，所以液体的介电润湿的反应速度完全满足气动喷射频率。当需要某个或者某些喷嘴上产生微液滴时，在设定选定的喷嘴上施加电压，施加阈值驱动气压时，施加电压的喷嘴会产生微液滴，其余喷嘴未产生微液滴，这样就可以按需设定喷嘴阵列5中的喷嘴产生微液滴。
参考文献
[1]CHENG S,CHANDRA S.A pneumatic droplet-on-demand generator[J].Experiments in Fluids,2003,34(6):755-762.
Claims (5)
1.基于气动驱动的阵列型微液滴产生装置，其特征在于：该装置由调压阀(3)、电磁阀(2)、排气路径(1)、储液腔(4)和喷嘴阵列(5)组成；进气路径与排气路径(1)相连接，排气路径(1)与储液腔(4)连接，调压阀(3)位于进气路径处，调压阀(3)用于调节进气路径的气压压强；电磁阀(2)位于进气路径与排气路径(1)之间，控制进气路径的开断；储液腔(4)用于储存液体，储液腔(4)底部设有若干微孔，喷嘴阵列(5)的各个喷嘴与储液腔(4)底部的微孔相粘接，当电磁阀(2)开启一段时间后，储液腔(4)内的压强增大，挤压液滴，会在喷嘴阵列(5)的喷嘴处喷出微液滴。
2.根据权利要求1所述的基于气动驱动的阵列型微液滴产生装置，其特征在于：喷嘴阵列(5)的喷嘴由两块ITO玻璃(9)、微孔陶瓷片(7)和两块绝缘垫片(10)组成；ITO玻璃(9)的中心部分表面依次涂覆有介电层(8)和疏水层(6)，微孔陶瓷片(7)经过疏水化处理；两块ITO玻璃(9)相对布置，两块ITO玻璃(9)的疏水层(6)相对布置；绝缘垫片(10)并列设置在两块ITO玻璃(9)之间，ITO玻璃(9)与绝缘垫片(10)之间采用绝缘液态胶黏合密封，形成腔体，腔体设置在微孔陶瓷片(7)上；ITO玻璃(9)在边缘处留有部分未被涂覆的空白ITO电极层与外界电压信号连接。
3.根据权利要求2所述的基于气动驱动的阵列型微液滴产生装置，其特征在于：微孔陶瓷片(7)上的微孔孔径大小为几十微米至几百微米之间，微孔孔径的中心对准腔体的中心。
4.根据权利要求2所述的基于气动驱动的阵列型微液滴产生装置，其特征在于：介电层(8)和疏水层(6)的涂覆厚度为微米级别或纳米级别。
5.根据权利要求1所述的基于气动驱动的阵列型微液滴产生装置，其特征在于：气动微液滴产生是利用气压脉冲将储液腔内液体挤出喷嘴，形成液滴；如果喷嘴附近有气泡，将会对液滴喷出产生极大的阈值；介电润湿效应是利用电极上施加电压所产生的变化电场，改变液滴表面张力，实现改变介质膜与表面液体的润湿特性，即改变固-液接触角的现象；假设储液腔内的液体的高度适量，在液体内部压强差的作用下，液体会进入喷嘴，如果喷嘴内ITO玻璃之间的电压为零时疏水层表面表现为疏水性；反之施加电压时产生介电润湿效应，疏水层表面变为亲水层；
未施加电压时，喷嘴内部表现为疏水性，固-液接触角大于90°，喷嘴内部液面(11)，除大气压外，液面受液体内部压强和作用在喷嘴液面的表面张力产生的压强的作用；喷嘴液面受到方向向下的内部压强Pl为：
Pl＝ρlgh
其中，ρl为储液腔(4)内的液体密度，g为重力加速度，h为储液腔内液体的高度此时忽略喷嘴的高度；作用在喷嘴液面底部的表面张力产生的压强Pt为：
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施加电压时，喷嘴内部表现为亲水性，固-液接触角ψ小于90°，喷嘴内液面表面张力FT的方向向下，PT与PL方向相同，方向向下，则压强差方向向下，喷嘴内液体向下运动，当进入经过疏水处理后的微孔陶瓷片的微孔内时，由于微孔内表面是疏水性，接触角ψ方向向上，FT方向改变，方向向上，PT方向向上，作用在喷嘴液面底部的表面张力产生的压强PT为：
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其中r为微孔半径，θ为FT在竖直方向上的夹角，由于微孔孔径远远小于喷嘴腔体截面，这时很容易满足PT>>PL，即ΔP>0，ΔP＝PT-PL，总压强方向向上，液面在微孔陶瓷片的微孔顶部达到一种新的稳定平衡状态；
气路采用高速电磁阀(2)和调压阀(3)产生适当气体压强脉冲，挤压储液腔(4)内的液体，产生微液滴，在喷嘴上施加电压时的情况下实现微液滴阵列产生装置喷出微液滴的驱动气压设为阈值气压；若未施加电压时，施加气体压强脉冲为气压阈值，将导致液面下降，由于液面距离喷嘴底部有高度差作为缓冲，不会产生微液滴，储液腔内的气压恢复时至初始状态时喷嘴内部液面也恢复至初始状态；反之，若施加电压，喷嘴内部会因为亲水性，液面下降至微孔陶瓷片(7)的微孔腔内，施加阈值气压时，挤压储液腔的液体将产生微液滴。
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| CN107930707B (zh) | 2020-02-11 |
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