CN112916286B - 一种微滴喷射装置和相关方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种微滴喷射装置和相关方法。该微滴喷射装置包括：压电芯片、设置于所述压电芯片上表面的叉指换能器；所述压电芯片的厚度与所述叉指换能器的周期的比值为1～3；所述叉指换能器在射频信号驱动下在压电芯片中激发出声表面波和体声波，所述声表面波和所述体声波在压电芯片的上、下表面发生反射产生复合声波，以驱动液体附着区域上的待驱动液体沿垂直于压电芯片表面方向拉伸形成液柱，使所述液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴；所述液体附着区域位于所述压电芯片的上表面和/或下表面上对应于所述叉指换能器所产生的声表面波沿压电芯片表面传播所覆盖的区域。解决装置结构复杂、成本高、效率低、不便于实现按需喷射的问题。
Description
技术领域
本发明涉及声波器件微流控技术领域，特别涉及一种微滴喷射装置和相关方法。
背景技术
按需喷射(Drop on Demand，DOD)的液滴喷射技术能够根据需求精确控制喷射液滴的粒径大小和喷射速度，在喷墨打印、生物医药、材料成型、微电子封装、微电子机械制造、基因工程等领域均具有广泛应用。目前，按需喷射的液滴喷射装置根据驱动方式主要包括压电式、热泡式、气动式、机械式、电磁式等，这几种方式的液滴喷射装置的基本作用原理均为使用外力迫使液体以液滴的形式从喷嘴或孔口中喷射出。
近年来，出现了一种新的利用声表面波实现液滴喷射的按需喷射技术，其中，使用最广泛的是基于瑞利(Rayleigh)声表面波的液滴喷射技术，Rayleigh声表面波的大部分能量被限制在压电芯片材料表面一个波长范围内，沿压电芯片深度方向上呈指数衰减。若将液体置于Rayleigh声表面波传输路径上，Rayleigh声表面波就会向液体辐射能量，当液体吸收的声波能量足以克服其自身表面张力和粘性力时便会产生拉伸变形形成液柱，最后由于Rayleigh-Plateau不稳定性使液柱断裂形成液滴。
但是，由于单列Rayleigh声表面波同时具备沿声波传播方向的水平分量和垂直于声波传播平面的竖直分量，声波折射进入液体以纵向压力波的形式继续向前传播，由于两个分量大小相当,相位相差90°,导致纵向压力波的传播方向与垂直于压电芯片表面方向会产生一个偏角，会造成液滴的喷射方向与垂直于压电芯片表面方向也会呈现出同样大小的偏角，这个偏角被称为瑞利角(Rayleigh angle)。在实际使用中，液体的喷射偏角大小还会受液体粘性、瑞利声表面波频率、器件表面润湿性等条件影响。由于存在瑞利角，现有技术中利用瑞利声表面波实现液滴喷射的技术的适用性较差，利用单列Rayleigh声表面波驱动液体时，很难实现垂直于压电芯片方向的液滴喷射效果，液滴喷射方向不稳定，不能保证液滴喷射效率，液滴喷射性能差。
发明内容
鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本公开实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种微滴喷射装置和相关方法。
作为本公开实施例的一个方面，涉及一种微滴喷射装置，包括：压电芯片、设置于所述压电芯片上表面的叉指换能器；
所述压电芯片的厚度与所述叉指换能器的周期的比值为1～3；
所述叉指换能器在射频信号驱动下在压电芯片中激发出声表面波和体声波，所述声表面波和所述体声波在压电芯片的上、下表面发生反射产生复合声波，以驱动液体附着区域上的待驱动液体沿垂直于压电芯片表面方向拉伸形成液柱，使所述液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴；所述液体附着区域位于所述压电芯片的上表面和/或下表面上对应于所述叉指换能器所产生的声表面波沿压电芯片表面传播所覆盖的区域。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，所述压电芯片与所述叉指换能器之间设置有过渡金属层。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，所述过渡金属层厚度与所述叉指换能器的厚度之比为0.006～0.06。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，所述叉指换能器的孔径为0.5～2mm。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，所述待驱动液体的体积为0.05～10μL。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，所述叉指换能器包括叉指电极和与所述叉指电极连接的汇流电极，所述装置还包括：至少覆盖于所述叉指电极和所述汇流电极的表面的钝化层薄膜。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，所述钝化层薄膜厚度与所述叉指换能器的周期之比为0.01/2π～0.09/2π。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，还包括：PCB电路板和芯片粘接层，所述压电芯片与所述PCB电路板在相邻侧面通过所述芯片粘接层固定连接；
所述叉指换能器还包括与所述汇流电极连接的汇流接线端，所述PCB电路板上设置有电极引脚，所述汇流接线端通过连接线连接所述电极引脚。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，所述连接线为金线、银线和铜线中的至少一种，且所述连接线表面覆盖有绝缘胶。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，所述PCB电路板的上表面与所述压电芯片的上表面处于同一平面。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，还包括射频信号发生装置；
所述射频信号发生装置与所述PCB电路板的电极引脚电连接，用于向所述叉指换能器加载射频信号。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，所述射频信号发生装置包括射频信号发生器和连接所述射频信号发生器的功率放大器，所述功率放大器与所述PCB电路板的电极引脚电连接。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，还包括液体加载装置，用于输送所述待驱动液体；
所述液体输运装置包括注射器、与注射器连接的注射泵。
在一个或一些可选的实施例中，该微滴喷射装置中，所述压电芯片的材料为铌酸锂、石英、钽酸锂、四硼酸锂单晶材料中的至少一种，且所述压电芯片双面抛光。
作为本公开实施例的另一个方面，涉及一种微滴喷射装置的制作方法，包括：
将叉指换能器蒸镀于压电芯片的一表面，且使所述压电芯片的厚度与所述叉指换能器的周期的比值为1～3。
作为本公开实施例的第三个方面，涉及一种微滴喷射装置的液滴喷射方法，包括：
将一个或多个待驱动液体输送至液体附着区域；所述液体附着区域位于所述压电芯片的上表面和/或下表面上对应于所述叉指换能器所产生的声表面波沿压电芯片表面传播所覆盖的区域；
向叉指换能器加载射频信号，在压电芯片中激发出声表面波和体声波，所述声表面波和所述体声波在压电芯片的上、下表面发生多次反射形成复合声波，驱动所述待驱动液体沿垂直于压电芯片表面方向拉伸形成液柱，使所述液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。
本公开实施例至少实现了如下技术效果：
1、本公开实施例提供的微滴喷射装置中，压电芯片的厚度与叉指换能器的周期的比值为1～3，通过向叉指换能器加载射频信号，在压电芯片中同时激发出声表面波和体声波，声表面波和体声波在压电芯片上、下表面之间发生多次反射，使声波与声波的反射波相互作用，从而在压电芯片的上、下表面产生复合声波，由于在压电芯片的上、下表面的复合声波的频率高于叉指换能器所产生的瑞利声表面波的频率，复合声波的沿垂直于压电芯片表面方向的位移振幅远大于沿压电芯片表面的位移振幅，因此，附着于压电芯片的待驱动液滴在复合声波的作用下，发生垂直于压电芯片表面的液滴喷射效果，液滴喷射方向稳定，对不同的待驱动液体均能够实现无喷射角度差异的单个液滴按需喷射，使用性能好。
2、本公开实施例提供的微滴喷射装置中，由于复合声波在压电芯片上具有多个谐振频率点，频率范围广，从而可以根据实际需要选择合适的射频信号的频率实现微滴喷射，并且根据待驱动液体的体积大小，通过调节射频信号的输入功率或驱动时间可以有效调控液滴的喷射高度、粒径大小和喷射速度，从而保证液滴喷射效率和液滴喷射性能。
3、本公开实施例提供的微滴喷射装置中，由于复合声波分布在压电芯片的上、下表面，因此，在压电芯片上、下表面都可以实现液滴喷射，还可实现压电芯片上下表面液滴同时喷射效果，并且，由于复合声波在压电芯片上的喷射能力相当，因此，可以在压电芯片的上表面和/或下表面的液体附着区域上均实现一个或多个待驱动液体的液滴喷射效果。
4、本公开实施例提供的微滴喷射装置中，由于在压电芯片的上、下表面的复合声波的频率高于叉指换能器所产生的瑞利声表面波的频率，在压电芯片上的振幅较大，在振动方向产生的加速度较大，在液体中发生能量衍射效应，对液体的驱动能力强，微滴喷射速度快，喷射出的液滴一致性好，生产效率高，能够适用大粘度的待驱动液体的驱动。可以实现分离高粘度液体中包裹的细胞、微球或生物微粒，由于通过复合声波实现液滴喷射的速度更快，液滴喷射时间短，因此，喷射液滴发热特性低，减少了液体喷射驱动过程中产生的热量对喷射出的液滴中的细胞、微球或生物微粒的活性的影响，并且实现液滴喷射时不需要任何形式的喷嘴或孔口来限制液滴喷射，进一步保证了喷射出的液滴中的细胞、微球或生物微粒的活性，细胞成活率更高。
5、本公开实施例提供的微滴喷射装置中，由于压电芯片的厚度与叉指换能器的周期的比值为1～3时会产生复合声波，复合声波在压电芯片上、下表面之间发生多次反射，声波在压电芯片厚度范围内不能完全衰减，因此，在压电芯片内部各质点都在发生机械振动，压电芯片内部所产生的热量分布均匀，可以有效避免因热分布不均引起的热应力，减少了压电芯片发生裂片的风险，进而提高了提供的微滴喷射装置的可靠性和使用寿命。
本公开的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本公开而了解。本公开的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所记载的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本公开的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开，并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1为本公开实施例提供的微滴喷射装置的结构示意图；
图2为本公开实施例提供的叉指换能器的结构示意图；
图3为本公开实施例中压电芯片的频率响应特性曲线图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
下面分别对本公开实施例提供的一种微滴喷射装置和微滴喷射方法的各种具体实施方式进行详细的说明。
实施例一：
本公开实施例一提供的一种微滴喷射装置，参照图1所示，包括：压电芯片1、设置于压电芯片1上表面的叉指换能器2；
该压电芯片1的厚度与叉指换能器2的周期的比值为1～3；
该叉指换能器1在射频信号驱动下在压电芯片中激发出声表面波和体声波，该声表面波和体声波在压电芯片2的上表面11、下表面12发生反射形成复合声波，以驱动液体附着区域上的待驱动液体沿垂直于压电芯片表面方向拉伸形成液柱，使液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴；所述液体附着区域位于所述压电芯片1的上表面11和/或下表面12上对应于所述叉指换能器2所产生的声表面波沿压电芯片表面传播所覆盖的区域。
在一个具体实施例中，参照图1所示，压电芯片1是声波传输的介质和载体，该压电芯片包括上表面11和下表面12，其中，在压电芯片1的上表面11镀有叉指换能器2，该叉指换能器用于实现电-声能量转换，当在叉指换能器2施加高频射频电信号时，在压电芯片1产生逆压电效应将射频信号转换为机械振动信号，在压电芯片1中激发声表面波和体声波，该声表面波和体声波在压电芯片2的上表面、下表面发生反射形成复合声波，以驱动附着于液体附着区域上的待驱动液体。
在一个具体实施例中，参照图2所示，本公开实施例中所描述的叉指换能器2可以是直型均匀叉指换能器，该叉指换能器由叉指电极21、汇流电极22以及汇流接线端23组成。其中，汇流电极22与叉指电极21和汇流接线端23分别连接。假设，电极宽度为a，电极间距为b，其中a＝b，则叉指换能器的周期λ＝2(a+b)。当然本公开实施例中的叉指换能器2的结构，还可以是现有技术中的其他类型的叉指换能器，例如弧形叉指换能器，只要能够实现本公开实施例的目的即可，对此，在本公开的实施例中可以不做具体限定。
本公开的发明人发现，参照图1和图2所示，如果压电芯片的厚度h与叉指换能器的周期λ的比值小于1，则叉指换能器2工作时在压电芯片1内将激发体声波，包括对称和反对称的兰姆(Lamb)波，会导致压电芯片1在整个厚度范围上以几乎相同的位移振幅同相振动，不适用于对液体驱动喷射出液滴；而如果压电芯片1的厚度h与叉指换能器2的周期λ的比值大于3，则叉指换能器2工作时在压电芯片1激发的是普通的Rayleigh声表面波，其能量大部分被限制在一个很小的波长范围内，声波在压电芯片1的厚度范围呈指数衰减，声波还没有到达压电芯片1的下表面12就已经完全衰减，不能发生反射形成复合声波，因此，本公开实施例的微滴喷射装置中压电芯片1的厚度h与叉指换能器2的周期λ的比值为1～3，例如压电芯片1的厚度h与叉指换能器2的周期λ的比值为1.2、1.8、2.0、2.6或2.8，则叉指换能器2工作时在压电芯片1中激发出声表面波和体声波，声表面波和体声波在压电芯片1的上、下表面发生反射，从而得到复合声波，以实现对液体驱动，喷射出单个液滴。
需要说明的是，本公开实施例中所描述的液体附着区域具体可以是指所述压电芯片1的上表面11和/或下表面12上对应于所述叉指换能器2所产生的声表面波沿压电芯片表面传播所覆盖的区域，且该区域不包括叉指换能器2所覆盖的区域，该液体附着区域的宽度等于该叉指换能器2的孔径W。只要待驱动液体中心附着于该液体附着区域就可以实现液滴喷射，因此，待驱动液体的位置选择范围较大，可实现不同坐标位置下的液滴喷射效果。
本公开的发明人发现，在对任一给定的待驱动液体进行驱动，实现单个液滴喷射时，不同的待驱动液体的流体粘性、体积、与压电芯片的接触面积等存在差异，因此，对于每个待驱动液体都会存在能够产生单液滴喷射的射频信号的功率阈值范围。叉指换能器在对应功率阈值范围内的射频信号下，在压电芯片1中激发出声表面波和体声波，声表面波和体声波在压电芯片的上、下表面发生反射得到复合声波，在复合声波作用下待驱动液体沿垂直于压电芯片表面方向被拉伸形成液柱，且液柱长度与输入射频信号的功率成正比。当射频信号的功率低于这个射频信号的功率阈值范围的最小值，在复合声波作用下待驱动液体沿垂直于压电芯片表面方向被拉伸形成液柱，但无法发生液滴夹断效应，不能喷射出单个液滴；当射频信号的功率高于这个射频信号的功率阈值范围的最大值，在复合声波作用下待驱动液体将会产生多液滴喷射现象，即沿垂直于压电芯片表面方向被拉伸的液柱，会产生夹断形成至少两个液滴。
通过针对不同的待驱动液体，选择合适的驱动功率范围，可以便于复合声波与待驱动液体相互作用，发生能量衍射效应，在液体内部产生自下而上的声压梯度，以克服液体表面张力和粘性力，促使液体表面沿垂直于压电芯片表面方向发生变形和收缩，随着液体收缩与表面形成凸起，液体与压电芯片的接触面积减小，在保持输入射频信号的功率不变的情况下，与压电芯片接触的下部分液体吸收的声波能量也减小，进而导致与压电芯片接触的下部分液体变形速度减小，而凸起的上端部液体由于惯性作用保持其变形速度，导致液柱的上端部液体的速度高于与压电芯片接触的下部分液体的速度，因此液体会被进一步被拉伸形成液柱，由于扰动作用，最终液柱前端会发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。并且，在射频信号的功率阈值范围内随着功率增加，液滴喷射高度和喷射速度增加，而喷射液滴体积减小。
本公开的发明人还发现，本公开实施例提供的微滴喷射装置中，在进行按需喷射时一个液滴的喷射周期仅为几毫秒，相应地，待驱动液体的驱动时间仅需几微秒，对于一个给定的待驱动液体和给定的输入射频信号，实现单个液滴喷射也存在一个驱动时间阈值范围，当驱动时间低于这个阈值范围的最小值，由于液体吸收声波能量不足便不能喷射液滴，当驱动时间高于这个阈值范围的最大值，则液体吸收声波能量过大同时喷射多个液滴。并且在这个驱动时间阈值范围内随着驱动时间增加，液体喷射高度和喷射速度减小，而喷射液滴体积增大。
参照图3所示，本公开的发明人在试验中发现，在射频信号的频率发生变化时，在压电芯片的上、下表面所产生复合声波的作用下，在压电芯片上会产生多个谐振频率点，在不同的谐振频率点，液滴喷射的效果不同，并且，随着射频信号的频率增加，液体喷出所形成液柱的高度会变短，在液柱前端发生夹断的时间会缩短，喷射出的液滴体积会增加，因此，可以根据需要喷射的液滴的速度、体积等因素选择合适的射频信号的频率，向叉指换能器加载相应的射频信号。假设叉指换能器周期为400μm，孔径为0.5mm，压电芯片厚度为500μm，此时压电芯片的的频率响应特性曲线参照图3所示，当叉指换能器加载的射频信号的频率不同时，在压电芯片中所产生的声波幅度不同，当射频信号的频率为10.2MHz时，产生的声波是普通的Rayleigh声表面波，信号幅度较小，相应地对液体的驱动能力较弱；当射频信号频率增加，会在压电芯片中产生复合声波场，特别的是从图3中可以看出产生的复合声波同时具有多个谐振频率点，大部分的谐振频率点的幅值都远高于10.2MHz时的Rayleigh声表面波的幅值，具有更强的液体驱动能力。本公开实施例中，可以选择的射频信号的频率范围可以在20-270MHz，例如，29.5MHz、51.4MHz、90.6MHz、145.9MHz、168.7MHz、194MHz、201.4MHz或242.1MHz，此时，产生的复合声波在压电芯片的幅值较大，振动加速度高，因此对液体的驱动能力强。
本公开的发明人在试验中发现，现有技术中的气动式按需喷射装置需要外接压力泵形成高压，设备体积庞大；热泡式按需喷射装置只针对能被快速加热至沸点发生膨胀与压缩的流体，微滴的方向性与尺寸可控性差；压电式、电磁式和机械式按需喷射均是由伸缩元件的延伸对喷嘴处的流体产生冲击作用，液滴飞离喷嘴瞬间伸缩元件收缩而形成液滴，机械结构比较复杂，运动摩擦力大，长时间使用机械磨损严重，喷嘴易堵塞，不易清理。
而现有技术中的利用单列Rayleigh声表面波来驱动液体实现按需喷射的方式中，由于Rayleigh声表面波同时具备沿声波传播方向的水平分量和垂直于声波传播平面的竖直分量，声波折射进入液体以纵向压力波的形式继续向前传播，纵向压力波的传播方向与垂直于压电芯片表面方向会产生一个偏角，相应地液体的喷射方向与垂直于压电芯片表面方向也会呈现出同样大小的偏角，这个偏角被称为瑞利角(Rayleigh angle)，瑞利角大小由声波在压电芯片中的传播速度和声波在液体中的传播速度共同决定，假设声波在压电芯片中的传播速度为cs＝3990m/s，声波在水中的传播速度为cl＝1495m/s，则相应地瑞利角满足θSAW＝sin-1(cl/cs)≈23°，Rayleigh声表面波驱动水发生喷射的方向便与垂直于压电芯片表面方向呈23°偏角。
并且，在实际使用中，液体发生喷射的角度主要受到三大因素影响，分别为：(1)液体粘性，使用同一列Rayleigh声表面驱动不同液体时，不同粘度的液体引起声波在液体中不同的传播速度，进而造成喷射角度差异；(2)声表面波频率，随着Rayleigh声表面频率增加，喷射角度逐渐减小；(3)放置液体的固体表面湿润性，压电芯片表面越疏水，液体接触角越大，越容易发生喷射，喷射角度也越小。所以单列Rayleigh声表面驱动液体发生喷射的适用性差。
由于现有技术中的单列Rayleigh声表面驱动液体发生喷射所存在的上述问题，无法实现液滴在垂直于压电芯片表面的方向喷射的技术目的，因此，现有技术中还提出了一种采用在压电芯片的一表面蒸镀对称设置的两个叉指换能器，由该对称设置的两个叉指换能器产生两列对称传输的Rayleigh声表面波，且将待驱动液体置于这两列对称的Rayleigh声表面波的对称中心位置进行液滴喷射的方法。由于在这两列对称传输的Rayleigh声表面波作用下，可以消除声波沿压电芯片表面的分量，叠加增强声波在沿垂直于压电芯片方向的分量，因此，最终可以实现液滴沿垂直于压电芯片表面的方向喷射。但是，由于叉指换能器的加工工艺误差以及连接驱动叉指换能器与射频信号发生装置的射频信号线的传输损耗误差，要实现产生两列完全相同的声表面波是异常困难的，因此，并不能完全消除声波沿压电芯片表面的分量。并且，叉指换能器的数量增加，势必使液滴喷射装置的体积变大，生产制作成本也大大增加。
基于现有技术中的上述技术问题，本公开的发明人提供的微滴喷射装置，通过在压电芯片的一表面设置一个叉指换能器；并且使压电芯片的厚度h与叉指换能器的周期λ的比值为1～3，则在向叉指换能器加载射频信号时，叉指换能器在压电芯片中激发出声表面波和体声波，该声表面波和体声波在压电芯片厚度方向不能完全衰减，而是在压电芯片上、下表面之间发生多次反射，使声表面波和体声波与反射波相互作用，从而在压电芯片的上、下表面产生复合声波，由于在压电芯片的上、下表面的复合声波的频率高于叉指换能器所产生的瑞利声表面波的频率，且复合声波沿垂直于压电芯片方向的位移振幅远大于沿压电芯片表面的位移振幅，因此，附着于压电芯片的待驱动液滴在复合声波的作用下，发生垂直于压电芯片表面的液滴喷射效果，液滴喷射方向稳定，对不同的待驱动液体均能够实现无喷射角度差异的单个液滴按需喷射，使用性能好。射频信号功率和驱动时间阈值范围大，液滴喷射时不容易产生二次液滴及不规则卫星滴，实现单个可控的液滴按需喷射，喷射的液滴体积均匀，重复性好。
相比于上述的气动式、热泡式、压电式、电磁式和机械式按需喷射装置，本公开实施例提出的微滴喷射装置，体积小、重量轻、结构简单、性能可靠、使用更加方便、成本更低。
而相比于现有技术中的基于单列Rayleigh声表面波的液滴喷射装置，由于单列Rayleigh声表面波沿压电芯片表面的位移振幅约为垂直于压电芯片表面方向的位移振幅的0.86倍，且沿压电芯片表面的位移振幅与垂直于压电芯片表面方向的位移振幅的相位相差90°，造成质点振动位移呈椭圆运动；本公开实施例提出的微滴喷射装置，由于复合声波的作用，压电芯片1表面振动模式发生改变，声波沿压电芯片表面的位移振幅受到抑制，垂直于压电芯片表面方向的位移振幅得到加强，使得垂直于压电芯片表面方向的位移振幅远远大于声波沿压电芯片表面的位移振幅，且沿压电芯片表面的位移振幅与垂直于压电芯片表面方向的位移振幅的相位相差约180度。因此，置于压电芯片1表面的待驱动液体10将发生垂直于压电芯片表面方向的液滴喷射，通过调节射频信号的输入功率大小或驱动时间可有效调控液滴的喷射高度、粒径大小和喷射速度。
而相比于现有技术中的采用对称设置的两个叉指换能器的液滴喷射装置，实现液滴喷射的原理不同，两种装置的结构差异较大。本公开实施例提出的微滴喷射装置，体积更小、结构简单、使用更加方便、成本更低。
并且，本公开实施例提供的微滴喷射装置，还可以实现下述技术效果：
本公开实施例提供的微滴喷射装置中，由于复合声波在压电芯片上具有多个谐振频率点，频率范围广，从而可以根据实际需要选择合适的射频信号的频率实现微滴喷射，并且根据待驱动液体的体积大小，通过调节射频信号的输入功率或驱动时间可以有效调控液滴的喷射高度、粒径大小和喷射速度，从而保证液滴喷射效率和液滴喷射性能。
本公开实施例提供的微滴喷射装置，由于复合声波分布在压电芯片的上、下表面，因此，在压电芯片上、下表面都可以实现液滴喷射，还可实现压电芯片上下表面液滴同时喷射效果，并且，由于复合声波在压电芯片上的喷射能力相当，因此，可以在压电芯片的上表面和/或下表面的液体附着区域上均实现一个或多个待驱动液体的液滴喷射效果。
本公开实施例提供的微滴喷射装置中，由于在压电芯片的上、下表面的复合声波的频率高于叉指换能器所产生的瑞利声表面波的频率，在压电芯片上的振幅较大，在振动方向产生的加速度较大，在液体中发生能量衍射效应，对液体的驱动能力强，微滴喷射速度快，喷射出的液滴一致性好，生产效率高，能够适用大粘度的待驱动液体的驱动。可以实现分离高粘度液体中包裹的细胞、微球或生物微粒，由于通过复合声波实现液滴喷射的速度更快，液滴喷射时间短，因此，喷射液滴发热特性低，减少了液体喷射驱动过程中产生的热量对喷射出的液滴中的细胞、微球或生物微粒的活性的影响，并且实现液滴喷射时不需要任何形式的喷嘴或孔口来限制液滴喷，进一步保证了喷射出的液滴中的细胞、微球或生物微粒的活性，细胞成活率更高。
本公开实施例提供的微滴喷射装置中，由于压电芯片的厚度与叉指换能器的周期的比值为1～3时会产生复合声波，复合声波在压电芯片上、下表面之间发生多次反射，声波在压电芯片厚度范围内不能完全衰减，因此，在压电芯片内部各质点都在发生机械振动，压电芯片内部所产生的热量分布均匀，可以有效避免因热分布不均引起的热应力，减少了压电芯片发生裂片的风险，进而提高了提供的微滴喷射装置的可靠性和使用寿命。
在一个或一些可选的实施例中，本公开实施例所提供的微滴喷射装置中，该压电芯片1与叉指换能器2之间设置有过渡金属层(图中未示出)。从而可以有效增强叉指换能器2在压电芯片1上的附着能力，并且可以使得叉指换能器2所承受的功率范围更大。
在一个具体实施例中，该过渡金属层的材料可以是镍Ni、钛Ti、锆Zr、钼Mo中的至少一种。
在一个或一些可选的实施例中，本公开实施例所提供的微滴喷射装置中，过渡金属层的厚度与叉指换能器2的厚度之比为0.006～0.06。
由于叉指换能器2的厚度太小，会使得叉指换能器2所承受的射频信号的功率范围变小，在工作过程中容易被击穿而损坏，而叉指换能器2的厚度太大，会降低响应频率，使其实际工作频率与预设工作频率产生较大偏差，且会使得压电芯片1表面的位移振幅强度减弱，降低其复合声波对待驱动液体的喷射能力，液滴喷射效果不能得到保障，因此，本公开实施例中，该叉指换能器2的厚度可以为80～500nm，这样既可以保证叉指换能器2所承受的射频信号的功率范围满足使用要求，而且可以保证复合声波对待驱动液滴的喷射效果。
在一个具体实施例中，为了保证叉指换能器2在压电芯片1上的附着能力，该金属过渡层的厚度为3～5nm。
在一个具体实施例中，该叉指换能器2的材料为金、银、铝、铜四种金属中的至少一种。
在一个或一些可选的实施例中，本公开实施例所提供的微滴喷射装置中，该叉指换能器2的孔径W为0.5～2mm。
本公开实施例中，如果叉指换能器2的孔径W过小，复合声波会发生严重的衍射二阶效应严重，而造成复合声波品质因素降低，如果叉指换能器2的孔径W过大，复合声波能量分布不集中，造成能量不能有效作用于待驱动液体，造成复合声波的能量浪费，增加了产生液滴喷射的成本。因此，本公开实施例中，该叉指换能器2的孔径W为0.5～2mm，这样既可以保证复合声波不会发生衍射二阶效应，提高复合声波的品质因素，而且，可以保证复合声波能量分布集中，避免能量浪费，节约了产生液滴喷射时的成本。
在一个或一些可选的实施例中，本公开实施例所提供的微滴喷射装置中，待驱动液体10的体积为0.05～10μL。
本公开实施例中，如果待驱动液体10的体积太小，容易在压电芯片1上蒸发或者在复合声波作用下被雾化，不能产生液滴喷射；而如果待驱动液体10的体积过大，待驱动液体10与压电芯片1的接触表面积与待驱动液体10的体积的比值变大，造成复合声波的能量不足以克服待驱动液滴10的表面张力和惯性力，液体在垂直于压电芯片1表面的方向喷出形成的液柱无法发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。因此，本公开实施例中，待驱动液体10的体积可以为0.05～10μL，从而防止待驱动液体蒸发或被雾化，并且，可以便于复合声波与待驱动液体10相互作用，发生能量衍射效应，当液体由于吸收能量所具有的惯性力足以克服液体本身的表面张力和粘性力时，液体会喷出形成液柱，由于扰动作用，最终液柱前端会发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。
在一个或一些可选的实施例中，本公开实施例所提供的微滴喷射装置中，压电芯片1的材料为铌酸锂、石英、钽酸锂、四硼酸锂单晶材料中的至少一种，且压电芯片1双面抛光。
在一个具体实施例中，该压电芯片1为双面抛光的128°Y-X方向的铌酸锂(LiNbO3)，其机电耦合系数为5.5％，其温度系数为-72×10-6/℃；
在一个具体实施例中，该压电芯片1的厚度为0.25～1mm。
本公开实施例中，如果压电芯片1的厚度太小，由于压电芯片1的材料本身材料较为脆弱，容易发生折断现象，而如果压电芯片1的厚度太大，在压电芯片1制备时，不利于压电芯片1切割，切割时的应力过大，容易引起在压电芯片1内部产生微裂痕、切割毛边严重等问题，影响复合声波在压电芯片1中的产生和传播。因此，本公开实施例中，该压电芯片1的厚度为0.25～1mm，既可以防止压电芯片1折断，又可以防止压电芯片1在制备过程中产生的裂痕或者毛边影响复合声波的产生和传播。
在一个或一些可选的实施例中，本公开实施例所提供的微滴喷射装置还包括：至少覆盖于叉指电极21和汇流电极22的表面的钝化层薄膜3。
本公开实施例中，通过在叉指换能器2的叉指电极21和汇流电极22上表面覆盖钝化层薄膜3，实现保护叉指换能器2，避免叉指换能器2在使用过程中发生氧化或遇强酸强碱被腐蚀等现象引起的性能衰退，同时，还能有效提升叉指换能器2的机电耦合性能，增强电-声转换效率，增强微滴喷射装置对待驱动液体10的驱动能力，更容易实现微滴喷射。
在一个或一些可选的实施例中，本公开实施例所提供的微滴喷射装置中，该钝化层薄膜3的厚度与叉指换能器的周期λ之比为0.01/2π～0.09/2π。从而使得钝化层薄膜3不仅实现防止叉指换能器2氧化和腐蚀的效果，还能进一步提升叉指换能器2机电耦合系数，保证电-声转化效率，实现采用较低的射频信号输入功率产生液滴喷射的效果，达到节约能源和成本的目的。
在一个具体实施例中该，钝化层薄膜3的材料为氮化铝绝缘材料，该材料具有较高电阻率，可以防止叉指换能器2氧化和腐蚀。
在一个具体实施例中，该钝化层薄膜3的厚度hAIN与叉指换能器2的周期λ的比值为0.06/2π。例如，若叉指换能器2的周期为λ＝200μm，则钝化层薄膜3的厚度为1.9μm。当然，该钝化层薄膜3的厚度hAIN与叉指换能器2的周期λ的比值还可以为0.02/2π、0.04/2π、0.07/2π或0.08/2π。
在一个或一些可选的实施例中，本公开实施例所提供的微滴喷射装置还包括：PCB电路板5和芯片粘接层4，压电芯片1与PCB电路板5在相邻侧面通过芯片粘接层4固定连接；
PCB电路板5上设置有电极引脚52，汇流接线端23通过连接线6连接该电极引脚52。
在一个具体实施例中，该芯片粘接层4的材料为不导电且具有良好粘接性、没有腐蚀性的粘接胶材，例塑钢泥、陶瓷胶或玻璃胶。当然，本公开实施例中该芯片粘接层的材料还可以是现有技术中的中其他粘接材料，对此，本公开实施例中可以不做具体限定。
在一个具体实施例中，参照图1示，该PCB电路板5包括基板51和基板51上的电极引脚。该PCB电路板5的基板51为FR-4基板或氧化铝陶瓷基板。当然，本公开实施例中PCB电路板的材料还可以是现有技术中的中其他材料，对此，本公开实施例中可以不做具体限定。
作为本公开实施例的一个具体实施方式，该电极引脚52包括两个对称分布的工字型焊盘，该工字型焊盘的表面可以通过沉金工艺进行处理。
在一个具体实施例中，该连接线6为金线、银线和铜线中的至少一种，且连接线6表面覆盖有绝缘胶7。
该绝缘胶7可以是电子封装专用黑胶7，通过在连接线6上表面覆盖一层电子封装专用黑胶，用于保护连接线6，避免在运输及使用过程中连接线发生折断而使微滴喷射装置发生损坏，同时，还可以防止汇流接线端23及连接线6由于裸露受潮而发生短路现象。
在一个具体实施例中，PCB电路板5的上表面与压电芯片1的上表面处于同一平面。从而可以使得连接汇流接线端23和电极引脚52的连接线6敷设的更平整，防止连接线6因高低不平而引起磨损而折断，节省了连接线6的材料，节约了生产成本。
在一个具体实施例中，该连接线6的材料为金线、铝线、铜线中的至少一种，且该连接线6能够承受至少1A以上的电流冲击。该连接线6的数量可以是一根或者多根，假设直径30μm的金线的安全的恒定工作电流为0.343-0.446A，如果要保证连接线6能够承受能1A以上的电流，则该连接线6为三根线径为30μm的金线并行排列而成，或者该连接线6为一根线径为90μm的金线。
在一个或一些可选的实施例中，本公开实施例所提供的微滴喷射装置还包括：射频信号发生装置8；
射频信号发生装置8与PCB电路板5的电极引脚电连接，用于向叉指换能器2加载射频信号。
在一个具体实施例中，射频信号发生装置8包括射频信号发生器81和连接射频信号发生器81的功率放大器82，功率放大器82与PCB电路板5的电极引脚电连接。
在一个具体实施例中，射频信号发生装置8通过SMA导线或金属夹持件电连接的PCB电路板5的电极引脚。
在一个具体实施例中，该射频信号发生装置8除采用现有技术中的射频信号发生器81和功率放大器82来实现外，射频信号发生装置8还可以采用单片机或基于现场可编程门阵列(Field programmable gate array，FPGA)技术结合直接数字频率合成芯片来实现，以适用于某些要求射频信号发生装置8小型化和便携性的场合。
在一个或一些可选的实施例中，本公开实施例所提供的微滴喷射装置还包括：液体加载装置9，用于输送待驱动液体；
液体输运装置9包括注射器92、与注射器92连接的注射泵91。
本公开实施例中的液体加载装置不限于上述实施例中所述的液体加载装置，只要能够实现将待驱动液体输送到压电芯片表面即可，在公开实施例中不作限定。
实施例二：
基于同一发明构思，本公开实施例还提供一种上述实施例一中的微滴喷射装置的制作方法，包括：
将叉指换能器蒸镀于压电芯片的一表面，且使所述压电芯片的厚度与所述叉指换能器的周期的比值为1～3。
在一个具体实施例中，该微滴喷射装置的制备方法，具体可以包括下述步骤：
(1)在双面抛光的128°Y-X方向的铌酸锂(LiNbO3)压电芯片1的一个抛光面蒸镀叉指电极金属薄膜，得到叉指换能器2；并且使压电芯片1的厚度h与叉指换能器2的周期λ的比值为1～3；
(2)在叉指换能器2的叉指电极21和汇流电极22区域的表面溅射钝化层薄膜3；
(3)将压电芯片1与PCB电路板5在在相邻侧面通过芯片粘接层4紧密粘接，使PCB电路板5的上表面与压电芯片1的上表面处于同一平面；
(4)将粘接好的压电芯片1与PCB电路板5在温度120℃-160℃烘烤以固化该芯片粘接层；
(5)将PCB电路板5上的电极引脚52的一端与压电芯片1上表面的叉指换能器2的汇流接线端23通过连接线6电连接；
(6)采用绝缘胶7覆盖包裹连接线6和叉指换能器2的汇流接线端23，并在温度120℃-160℃烘烤以固化该绝缘胶7；
(7)将射频信号发生装置8与PCB电路板上的电极引脚52通过SMA导线或金属夹持件电连接。
本公开实施例中，可以选择压电芯片1的厚度h为500μm，则叉指换能器2的周期λ可以为166.6μm<λ<500μm。
本公开实施例中，上述钝化层薄膜的材料可以是氮化铝绝缘材料，该钝化层薄膜的厚度hAIN可以是0.06λ/2π。
本公开实施例中，PCB电路板5的电极引脚52，可以是在基板51的上表面制作的两个工字型焊盘。
在一个具体实施例中，还可以对该工字型焊盘表面进行沉金工艺处理。
本公开实施例中，上述的连接线可以通过超声波热压焊技术实现PCB电路板5上的电极引脚52与叉指换能器2的汇流接线端23电连接。
在一个具体实施例中，该绝缘胶7可以是电子封装专用黑胶。
本公开实施例中微滴喷射装置的制作方法所解决问题的原理与前述实施例一种微滴喷射装置的描述相似，因此该方法的实施可以参见前述装置的实施，重复之处不再赘述。
实施例三：
基于同一发明构思，本公开实施例还提供一种使用上述任一所述的微滴喷射装置的微滴喷射方法，包括：
将一个或多个待驱动液体输送至液体附着区域；所述液体附着区域位于所述压电芯片1的上表面和/或下表面上对应于所述叉指换能器2所产生的声表面波沿压电芯片表面传播所覆盖的区域；
向叉指换能器2加载射频信号，在压电芯片1中激发出声表面波和体声波，该声表面波和体声波在压电芯片1的上、下表面发生反射形成复合声波，驱动待驱动液体沿垂直于压电芯片表面方向拉伸形成液柱，使液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。
在一个具体实施例中，可以是，利用液体加载装置9将待驱动液体输送至压电芯片的上表面和/或下表面的液体附着区域，其中，压电芯片的上表面为镀有叉指换能器2的一表面，压电芯片的下表面为远离该叉指换能器2的一表面。
在一个具体实施例中，可以是，将射频信号发生装置8与PCB电路板5通过SMA导线或金属夹持件电连接；启动射频信号发生装置8将射频信号加载到PCB电路板5，再经由连接线6将射频信号加载到叉指换能器2。
本公开实施例中，射频信号发生装置8的射频信号的频率与叉指换能器2的响应频率保持一致，以使叉指换能器2处于最佳工作频率状态，叉指换能器2产生的声波的振幅大，在压电芯片的上、下表面产生复合声波，驱动待驱动液体拉伸形成液柱，使液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。加载的射频信号的功率可根据液滴喷射的需求进行调节。通过调节射频信号发生装置8中射频信号的功率，控制液柱的喷射长度及单个液滴的喷射速度。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (6)
1.一种微滴喷射装置，其特征在于，包括：压电芯片、设置于所述压电芯片上表面的叉指换能器和钝化层薄膜；
所述压电芯片的厚度与所述叉指换能器的周期的比值为1～3；所述叉指换能器的厚度为80～500nm，孔径为0.5～2mm；所述钝化层薄膜至少覆盖于所述叉指换能器的叉指电极和汇流电极的表面；所述钝化层薄膜厚度与所述叉指换能器的周期之比为0.01/2π～0.09/2π；所述叉指换能器由叉指电极、汇流电极以及汇流接线端组成，所述叉指换能器的周期为电极宽度和电极间距之和的两倍；
所述叉指换能器在频率范围为20-270MHz的射频信号驱动下在压电芯片中激发出声表面波和体声波，所述声表面波和所述体声波在压电芯片的上、下表面发生反射产生复合声波，以驱动液体附着区域上的待驱动液体沿垂直于压电芯片表面方向拉伸形成液柱，使所述液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴；所述复合声波的频率高于所述叉指换能器所产生的瑞利声表面波的频率；所述液体附着区域位于所述压电芯片的上表面和/或下表面上对应于所述叉指换能器所产生的声表面波沿压电芯片表面传播所覆盖的区域，且该液体附着区域的宽度等于该叉指换能器的孔径。
2.如权利要求1所述的微滴喷射装置，其特征在于，所述压电芯片与所述叉指换能器之间设置有过渡金属层。
3.如权利要求2所述的微滴喷射装置，其特征在于，所述过渡金属层厚度与所述叉指换能器的厚度之比为0.006～0.06。
4.如权利要求1所述的微滴喷射装置，其特征在于，所述待驱动液体的体积为0.05～10μL。
5.如权利要求1所述的微滴喷射装置，其特征在于，还包括：PCB电路板和芯片粘接层，所述压电芯片与所述PCB电路板在相邻侧面通过所述芯片粘接层固定连接；
所述叉指换能器还包括与所述汇流电极连接的汇流接线端，所述PCB电路板上设置有电极引脚，所述汇流接线端通过连接线连接所述电极引脚。
6.一种应用权利要求1-5任一项所述的微滴喷射装置的液滴喷射方法，其特征在于，包括：
将一个或多个待驱动液体输送至液体附着区域；所述液体附着区域位于所述压电芯片的上表面和/或下表面上对应于所述叉指换能器所产生的声表面波沿压电芯片表面传播所覆盖的区域，且该液体附着区域的宽度等于该叉指换能器的孔径；
向叉指换能器加载频率范围为20-270MHz的射频信号，在压电芯片中激发出表面波和体声波，所述表面波和所述体声波在压电芯片的上、下表面发生反射产生复合声波，驱动所述待驱动液体沿垂直于压电芯片表面方向拉伸形成液柱，使所述液柱在端部发生液滴夹断效应，喷射出单个液滴。
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