CN112317222A - 一种具有反馈控制功能的液滴发生器及其反馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有反馈控制功能的液滴发生器及其反馈控制方法，本发明压力保持组件向容腔内部供给液体并保持相对于外部环境的正压；还包括连通容腔内部和外部环境的喷孔，用于喷射液体流；喷孔附近设置振动扰动组件，振动扰动组件具有激振元件，激振元件与喷孔所在构件连接，激振元件传递振动至喷孔；还包括反馈控制组件，反馈控制组件包括振幅检测传感器。对喷孔的振幅进行反馈控制，使喷孔的振幅在液滴发生器工作参数改变后仍然保持稳定，喷孔的振幅稳定使液滴的形状和尺寸稳定，从而提高装置产生的液滴的质量。

Description

一种具有反馈控制功能的液滴发生器及其反馈控制方法

技术领域

本发明涉及液滴发生器技术领域，特别是涉及一种具有反馈控制功能的液滴发生器及其反馈控制方法。

背景技术

射流的瑞利失稳是一种界面流体力学原理，指射流在给定频率的振动扰动下，会自动断裂成和给定频率一致的液滴。基于射流瑞利失稳的微液滴发生装置，能产生频率、尺寸、液滴间距可调节的微米级的液滴，并且特别适用于例如通量超过10000滴/秒的高通量液滴需求场合，在工业中有广泛的应用，如喷墨打印、生物制药、增材制造及产生EUV光刻机光源靶滴等。

根据设置方式不同，振动扰动组件可以分为内置式和外置式。内置式的振动扰动组件，由正弦信号源产生信号，经压电陶瓷变换为机械振动后传递给变幅杆，变幅杆再将振动传递给液体。外置式的振动扰动组件，由正弦信号源产生信号，经压电陶瓷变换为机械振动后通过压紧环传递给孔板，孔板再将振动传递给液体。但不论是哪种形式，整个系统均为开环状态；为了调节产生液滴的频率，需要改变信号源的频率而保持其振幅；由于结构具有随频率变化的振幅响应特性，在改变激励信号频率后，现有的内置式或外置式振动扰动组件传递到射流上的实际振幅常会发生变化，例如，增大频率时，实际振幅会减小，减小频率时，实际振幅会变大；但是，当振幅过大时，产生的液滴会出现雾化现象，而当振幅过小时，射流的长度会变长，卫星液滴会变大，从而液滴的抖动也会变大，两种情况都会使液滴的质量降低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有反馈控制功能的液滴发生器及其反馈控制方法，液滴发生器具有振幅检测传感器，检测喷孔的振幅，对喷孔的振幅进行反馈控制，使喷孔的振幅在液滴发生器工作参数改变后仍然保持稳定。

一种具有反馈控制功能的液滴发生器，包括容纳液体的容腔、压力保持组件以及振动扰动组件；压力保持组件向容腔内部供给液体并保持相对于外部环境的正压；还包括连通容腔内部和外部环境的喷孔，用于喷射液体流；喷孔附近设置振动扰动组件，振动扰动组件具有激振元件，激振元件与喷孔所在构件连接，激振元件传递振动至喷孔；还包括反馈控制组件，反馈控制组件包括振幅检测传感器。

所述振动扰动组件还包括振杆，振杆的一端连接于激振元件，振杆的另一端由容腔的内部延伸至出液口附近，激振元件通过支撑件固定于容腔的内部或外部。

所述振幅检测传感器是激光位移传感器。

所述喷孔位于孔板上，孔板固定连接于所述容腔壁面。

所述振幅检测传感器检测孔板的振幅，具体检测孔板振动波腹处的振幅。

所述激振元件采用压电片或压电陶瓷。

还包括压力传感器和/或温度传感器，监测容腔内部液体的压力和/或温度。

在所述的出液口中设置过滤器。

一种液滴发生器的反馈控制方法，包括如下步骤：

步骤1.1：开机试运行液滴发生器，预估设置喷孔的初始振幅设定值，控制器控制作用于激振元件的信号功率，使用激光位移传感器检测喷孔的振幅；

步骤1.2：检测液滴发生器产生的液滴直径、连续多个液滴的直径偏差、以及液滴频率参数；

步骤1.3：调节振幅设定值，控制器控制喷孔振幅至振幅设值，使液滴直径和频率符合预期，并且连续多个液滴的直径偏差在预期范围内；

步骤1.4：连续运行液滴发生器，如果不希望改变液滴尺寸，则保持振幅设定值不变。

步骤1.3具体包括如下步骤：

步骤2.1：采集施加到射流上的实际振幅值A(i)；

步骤2.2：用设定幅值A减去实际幅值A(i)，得出差值e(i)；

步骤2.3：利用下面公式所示的增量式PID算法，计算功率放大器放大倍数的增量Δk(i)：

Δk(i)＝K_p[e(i)-e(i-1)]+K_ie(i)+K_d[e(i)-2e(i-1)+e(i-2)]

其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，e(i-1)为前一次测量的差值，e(i-2)为再前一次测量的差值；

步骤2.4：设置功率放大器的放大倍数k为k+Δk(i)，然后重复上述步骤；

在开机后的最初两次采集到振幅时，e(i-1)、e(i-2)不存在，设其值为0。

本发明提供了一种具有反馈控制功能的液滴发生器及其反馈控制方法，对喷孔的振幅进行反馈控制，使喷孔的振幅在液滴发生器工作参数改变后仍然保持稳定，喷孔的振幅稳定使液滴的形状和尺寸稳定，从而提高装置产生的液滴的质量；采用激光位移传感器测量喷孔振幅，具有灵敏度高、响应快、受温度影响小，输出线性的优点；采用增量式PID控制算法对喷孔振幅进行反馈控制，控制方案具有便于实施、响应快、性能稳定的优点。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明另一种实施例的整体结构示意图；

图3为本发明涉及的反馈控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1：

一种具有反馈控制功能的液滴发生器，包括容纳液体的容腔1、压力保持组件以及振动扰动组件。

如图1所示，振动扰动组件位于容腔1的外部，称为外置扰动式液滴发生器。压力保持组件包括液体供给组件21，液体供给组件可以采用现有的泵、阀、过滤器等器件组合的方案，向容腔1内部供给液体并保持相对于外部环境的正压；压力保持组件还可以包括排放组件22，以实现持续更新容腔1内部液体的功能，便于调节容腔1内部的压力，也降低了容腔1内部微生物滋生等污染风险；容腔1还设置压力传感器23以监测内部液体的压力，压力传感器23也可以替换为温度传感器以监测内部液体的温度，或者同时设置压力传感器和温度传感器。容腔1包括位于底部的出液口11；出液口11末端设置孔板5，压紧环3将孔板5固定在容腔1的壁面上，孔板5具有小尺寸的喷孔51，喷孔51连通液滴发生器外部和容腔1内部的液体，喷孔51的尺寸决定了自容腔1中喷射的液体射流的直径，从而影响射流断裂形成的液滴尺寸；孔板5与容腔1分离的设置便于替换不同尺寸的喷孔51；由于喷孔51的尺寸可能很小，例如在EUV光刻机锡靶液滴发生器中可能小至数十微米，小尺寸的喷孔51是容易堵塞的，孔板5与容腔1分离的设置便于替换堵塞的喷孔51，另外可以设置射流过滤器6，以降低喷孔51被液体内污染物堵塞的风险。出液口11附近设置振动扰动组件，振动扰动组件包括振幅检测传感器7、控制器8、信号激励源10、功率放大器9以及激振元件4；激振元件4与孔板5连接，激振元件4接收信号激励源10发出并且经过功率放大器9放大功率的的激励信号，产生振动并传递至孔板5，使得喷孔51产生振动扰动作用于液滴射流；设置振幅检测传感器7以检测孔板5的振幅，传递至控制器8进行反馈控制运算，控制器8计算后向信号激励源10发出相应的控制信号，调节信号激励源10发出的信号使喷孔51的振幅稳定。

压力保持组件使容腔1内部充入液体并保持相对于外部环境的正压，液体在正压力的驱动下经出液口11和喷孔51喷出形成射流，振动扰动组件驱动喷孔51发生振动，对射流施加振动扰动，使其在瑞利失稳现象的作用下断裂形成液滴。喷孔51的振动频率决定了产生液滴的频率，调节信号激励源10发出的振动激励信号频率可以改变喷孔51的振动频率，但由于固体结构的振幅不仅与振动激励信号的幅值有关，还与振动激励信号的频率有关，当振动激励信号的频率达到固体结构的共振频率时固体结构的振幅达到极值；因此，改变振动激励信号的频率可能引起喷孔51的振幅改变，但这往往是不希望发生的，因为改变振幅可能导致液滴质量降低，当振幅过大时，产生的液滴会出现雾化现象，而当振幅过小时，射流的长度会变长，卫星液滴会变大，从而液滴的抖动也会变大。因此，有必要控制喷孔51的振幅稳定，采用反馈控制方法，令振动激励信号的幅值随喷孔51的幅值而调节；当检测到喷孔51的振幅高于设定值时，减小振动激励信号的幅值以减小喷孔51的幅值至设定值，同理，当检测到喷孔51的振幅低于设定值时，增大振动激励信号的幅值以增大喷孔51的幅值至设定值。为了确定喷孔51的振幅设定值，可以先开机试运行液滴发生器并预估设置一个初始振幅设定值，使用高速相机等检测装置产生的液滴尺寸等参数，逐步调节振幅设定值使得液滴尺寸等参数符合预期；后续使用过程中如果希望调节液滴产生频率等参数而保持液滴尺寸时，仅需要改变振动激励信号的频率即可，装置会自动稳定喷孔的振幅在设定值。

优选地，本发明涉及的振幅检测传感器7使用激光位移传感器，激光位移传感器相对于其他类型的位移传感器具有更高的响应速度，受温度影响小，是非接触式测量方法，不影响孔板的振动，有利于及时、准确地测量孔板的振幅，尤其适用于例如高达每秒数万个的大液滴通量情况；另外，振幅检测传感器7设置于容腔1的外部，进一步避免激光光路介质受温度影响造成传感器精度下降。激振元件4可以采用压电片或者压电陶瓷。

为了实现孔板5的振幅反馈控制，采用激振元件4的振幅而不是孔板5的振幅作为反馈采样信号也是可行的，激振元件4的振动最终将传递至孔板5和喷孔51，对激振元件4的振幅进行控制也能起到对喷孔51的振幅的控制效果。但由于激振元件4至喷孔51之间还要经过液体、振杆11、孔板5中一个或多个组件，振动传递环节会受到各组件本身振动特性的影响，导致喷孔51的振幅不能与激振元件4的振幅线性对应，因此直接检测喷孔51的振幅用于反馈控制是更直接、准确、稳定的控制方案。由于喷孔51的尺寸可能很小，直接检测喷孔51的振幅可能有困难，而喷孔51位于孔板5上，因此可以采用检测孔板5的振幅代替检测喷孔51的振幅，检测位置取孔板5的振动波腹位置为佳。

实施例2：

如图2所示的本发明涉及的一种实施例，其振动扰动组件位于容腔1的内部，称为内置扰动式液滴发生器。振动扰动组件还包括振杆12，振杆12的一端连接于激振元件4，振杆12的另一端由容腔1的内部延伸至出液口11附近，激振元件4通过支撑件13固定于容腔1的内部或外部。其余设置同实施例1。

激振元件4激发振动，振动传递至振杆12并引起振杆12在竖直方向上振动，造成容腔1内部的液体进入出液口11的流量周期性地改变，因此传递到外部液体射流上的作用力也周期性的改变，对射流形成振动扰动。在实施例2中，振幅检测传感器7同样设置于容腔1的外部，以避免容腔1内部的液体干扰振幅检测。内置扰动式液滴发生器相对于外置扰动式液滴发生器的优点在于喷孔51的振动更小，对于小尺寸的喷孔51来说更不易造成堵塞或损坏，因此对于激振元件4和振杆11的振动控制精度也相对较低；而外置扰动式液滴发生器的振动扰动组件位于容腔1的外部，振动扰动组件与容腔1内部液体的相互干扰较少。

用于上述实施例的一种液滴发生器的反馈控制方法，采用PID控制算法，对比振幅检测传感器7检测到的振幅，与振幅的设定值进行对比，如果振幅的采样值与设定值有偏差，则根据PID控制算法调节振动激励信号，使激振元件4以及孔板5的振幅回归至设定值。PID控制算法具有控制参数设定简单、实施容易、实施成本低、性能稳定可靠的优点。

具体包括如下步骤：

步骤1.1：开机试运行液滴发生器，预估设置喷孔的初始振幅设定值，控制器控制作用于激振元件的信号功率，使用激光位移传感器检测喷孔的振幅；

步骤1.2：检测液滴发生器产生的液滴直径、连续多个液滴的直径偏差、以及液滴频率参数；

步骤1.3：调节振幅设定值，控制器控制喷孔振幅至振幅设值，使液滴直径和频率符合预期，并且连续多个液滴的直径偏差在预期范围内(也即不产生卫星液滴)；具体为：

步骤1.3.1：采集施加到射流上的实际振幅值A(i)；

步骤1.3.2：用设定幅值A减去实际幅值A(i)，得出差值e(i)；

步骤1.3.3：利用下面公式所示的增量式PID算法，计算功率放大器放大倍数的增量Δk(i)：

Δk(i)＝K_p[e(i)-e(i-1)]+K_ie(i)+K_d[e(i)-2e(i-1)+e(i-2)]；

其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，e(i-1)为前一次测量的差值，e(i-2)为再前一次测量的差值。

步骤1.3.4：设置功率放大器的放大倍数k为k+Δk(i)，然后重复上述步骤。在开机后的最初两次采集到振幅时，e(i-1)、e(i-2)不存在，设其值为0。

采用增量式PID控制算法以进一步提高控制系统的响应速度和抗干扰性能。采集孔板5的振幅后经计算得出新的功率放大器9放大倍数，通过调节功率放大器9的放大倍数，控制施加在孔板5上的实际振幅，

步骤1.4：连续运行液滴发生器，如果不希望改变液滴尺寸，则保持振幅设定值不变。

以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种具有反馈控制功能的液滴发生器，其特征在于：包括容纳液体的容腔、压力保持组件以及振动扰动组件；压力保持组件向容腔内部供给液体并保持相对于外部环境的正压；还包括连通容腔内部和外部环境的喷孔，用于喷射液体流；喷孔附近设置振动扰动组件，振动扰动组件具有激振元件，激振元件与喷孔所在构件连接，激振元件传递振动至喷孔；还包括反馈控制组件，反馈控制组件包括振幅检测传感器。

2.如权利要求1所述的一种具有反馈控制功能的液滴发生器，其特征在于：所述振动扰动组件还包括振杆，振杆的一端连接于激振元件，振杆的另一端由容腔的内部延伸至出液口附近，激振元件通过支撑件固定于容腔的内部或外部。

3.如权利要求1所述的一种具有反馈控制功能的液滴发生器，其特征在于：所述振幅检测传感器是激光位移传感器。

4.如权利要求1所述的一种具有反馈控制功能的液滴发生器，其特征在于：所述喷孔位于孔板上，孔板固定连接于所述容腔壁面。

5.如权利要求1所述的一种具有反馈控制功能的液滴发生器，其特征在于：所述振幅检测传感器检测孔板的振幅，具体检测孔板振动波腹处的振幅。

6.如权利要求1所述的一种具有反馈控制功能的液滴发生器，其特征在于：所述激振元件采用压电片或压电陶瓷。

7.如权利要求1所述的一种具有反馈控制功能的液滴发生器，其特征在于：还包括压力传感器和/或温度传感器，监测容腔内部液体的压力和/或温度。

8.如权利要求1所述的一种具有反馈控制功能的液滴发生器，其特征在于：在所述的出液口中设置过滤器。

9.一种液滴发生器的反馈控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1.1：开机试运行液滴发生器，预估设置喷孔的初始振幅设定值，控制器控制作用于激振元件的信号功率，使用激光位移传感器检测喷孔的振幅；

步骤1.2：检测液滴发生器产生的液滴直径、连续多个液滴的直径偏差、以及液滴频率参数；

步骤1.3：调节振幅设定值，控制器控制喷孔振幅至振幅设值，使液滴直径和频率符合预期，并且连续多个液滴的直径偏差在预期范围内；

步骤1.4：连续运行液滴发生器，如果不希望改变液滴尺寸，则保持振幅设定值不变。

10.如权利要求9所述的一种液滴发生器的反馈控制方法，其特征在于步骤1.3具体包括如下步骤：

步骤2.1：采集施加到射流上的实际振幅值A(i)；

步骤2.2：用设定幅值A减去实际幅值A(i)，得出差值e(i)；

步骤2.3：利用下面公式所示的增量式PID算法，计算功率放大器放大倍数的增量Δk(i)：

Δk(i)＝K_p[e(i)-e(i-1)]+K_ie(i)+K_d[e(i)-2e(i-1)+e(i-2)]

其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，e(i-1)为前一次测量的差值，e(i-2)为再前一次测量的差值；

步骤2.4：设置功率放大器的放大倍数k为k+Δk(i)，然后重复上述步骤；

在开机后的最初两次采集到振幅时，e(i-1)、e(i-2)不存在，设其值为0。

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