CN203578051U - 二段电场结构静电喷射系统及阵列 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种二段电场结构静电喷射系统及阵列，属于静电喷射技术领域。该系统主要包括接入第一电位的喷头（1）、接入第二电位的控制电极（2）和接地或接入第三电位的喷射基底（3），其中控制电极（2）与喷头（1）共同组成静电液滴产生装置；控制电极（2）与喷射基底（3）共同组成静电液滴收集装置。本实用新型通过引进控制电极分开了静电液滴的产生装置和收集装置，并把传统的单段电场隔断成两段电场，使用第一段电场产生静电液滴，使用第二段电场来控制静电液滴的运动和空间分布，增加了安全性和灵活性，且节省空间，提高效率，尤其适宜于在阵列化和微型化系统中使用。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种二段电场结构静电喷射系统及阵列与使用方法，属于静电喷射技术领域。
背景技术
静电喷射技术通常使用静电力使液体从喷头喷射出来，产生细小的静电喷射液滴，其大小通常在几微米到几百微米不等。其基本物理原理一般可以从G. Taylor和J. R. Melcher等提出的泄漏介质模型得到解释。该技术在工业喷涂、精细编织、微纳制造、喷墨打印、生物检测等领域有广泛的应用。
但是，传统的静电喷射技术通常把静电液滴收集装置和静电液滴产生装置合为一体，构成简单的一段式结构，从而使得静电液滴的产生和其空间分布都处在同一个空间电场中，使用上存在较大的局限。一般为了达到一定的静电液滴空间分布的需要，喷头和液滴收集装置间的距离为厘米量级或更高，从而为了达到静电喷射所需的高场强，在喷头上需要加载几千伏乃至几十千伏的高压静电。其缺点主要体现在：控制受限，一般静电喷射的产生需要较高的电场强度，而静电液滴的收集和其运动与空间分布控制只需要较低的电场强度，但是一段式结构下只能用同一个电场去实现这两个不同要求的功能；难以做到器件的微型化，在阵列式系统中该缺点尤其突出；外加电压过高，静电屏蔽和绝缘连接等难度大，且成本较高；单一电场限制了对静电液滴空间分布的有效调节。
实用新型内容
本实用新型针对上述传统一段式结构静电喷射系统的不足，提供一种二段场强结构的静电喷射系统及阵列，从而避免了上述缺点，在静电喷射系统的微型化和阵列化中尤其实用。
本实用新型的第一方面：就是一种二段电场结构静电喷射产生及控制系统，其特征在于：包括接入第一电位的喷头、接入第二电位的控制电极和接地或接入第三电位的喷射基底，其中控制电极与喷头共同组成静电液滴产生装置，产生和控制第一段电场，用于产生静电液滴；同时控制电极与喷射基底共同组成静电液滴收集装置，产生和控制第二段电场，用于控制静电液滴的运动和空间分布；这样就做到了静电液滴的产生和收集装置分开，增加了控制上的灵活性。
本实用新型的第二方面：就是根据第一方面所述的二段电场结构静电喷射系统，其特征在于：
（a）上述接入第一电位的喷头包括接入第一电位的电源和液体存储输送装置，喷头到控制电极的距离为厘米至微米量级。因为喷头与控制电极之间的第一段电场的主要功能是用来激发静电喷射，而决定静电喷射激发与否的关键在于是否有足够高的电场强度，其设计原则为不低于产生静电喷射所需要的电场强度，不高于引发包括空气电离等介质击穿在内的泄漏电场强度，喷头与控制电极之间的电压差为几伏到几万伏，所产生的高强度电场足以激发静电喷射，通常范围在100～10000千伏/米量级之间。我们知道，电场强度正比于两电极之间的电压差且反比于两电极之间的距离，从而在二段电场结构的系统中，可以通过减小第一电极到控制电极的距离来降低激发静电喷射所需要的电压差，在距离为几到几十微米的情况下，只需要低达几伏到几十伏的低电压差就可以产生足够高的高强度电场以激发静电喷射。这不仅避免了高电压带来的成本高、屏蔽难度大、危险性高等一系列问题，而且可以实现第一段静电液滴产生装置的微型化和阵列化。
（b）上述接地或接入第三电位的喷射基底与控制电极之间的距离为厘米至米量级。喷射基底与控制电极之间的电压差范围在几伏到几万伏。第二段电场主要用于对第一段电场产生的静电液滴通过静电力进行控制影响其运动和空间分布等，其设计原则为一般不高于第一级电场，一般只需要较低强度的电场，通常范围在0.1～100千伏/米量级之间，特殊情况下电场强度可以为零。因此，通常控制电极和喷射基底也不需要加几千伏或以上的高压，从而可以避免高电压带来的成本高、屏蔽难度大、危险性高等一系列问题。喷射基底可以接地，特殊情况下喷射基底也可以接入第三电位以维持一定的对地压差，
典型应用情况为：控制电极可施加几十到几百伏电压，喷头与控制电极之间的电压差为几伏至几十伏，距离为几到几十微米；喷射基底接地，喷射基底与控制电极之间的电压差为几十到几百伏，距离为几到几十厘米。
本实用新型的第三方面：就是一种静电喷射系统阵列，其特征是包含若干个单元，每个单元中包括一个如第一方面所述的二段电场结构静电喷射产生及控制系统，各单元的结构参数和控制参数可以完全一致也可以根据需要加以调整。
本实用新型的第四方面：第一方面和第二方面所述的二段电场结构静电喷射产生及控制系统的使用方法，其特征在于：
（a）通过调节喷头的电压或空间位置或液体流量或液体性质，而保持控制电极及喷射基底的参数不变，以改变静电液滴的产生方式和静电液滴的参数，但是不改变第二段电场，从而基本不改变第二段电场中静电液滴的空间分布；
（b）通过调节喷射基底的电压或空间位置，而保持控制电极及喷头的参数不变，以改变静电液滴的运动和空间分布，但是不改变其大小等，且不影响第一段电场的分布和其中的静电液滴状态；
（c）通过调节控制电极的电压或空间位置，而保持喷头和喷射基底的参数不变，从而实现静电液滴在第一段和第二段的同时调节；
（d）通过分别独立调节控制电极的电压或空间位置，喷头的电压或空间位置或液体流量或液体性质，喷射基底的电压或空间位置参数，实现静电液滴在第一段电场和第二段电场的同时调节。
本实用新型针对上述传统一段式结构静电喷射系统的不足，在喷头和喷射基底之间加入了一个控制电极，从而把静电液滴产生和静电液滴收集分开，而且静电液滴产生部分的尺寸降低一个量级以上，从而可以使用较低的电压产生同样的场强以激发静电喷射，同时也有利于系统的微型化和阵列化。同时，该系统在使用时也可以把静电液滴的产生和收集部分分开独立调节，增大了使用的自由度。
附图说明
图1是本实用新型的原理示意图；
图2是本实用新型用于静电喷射阵列时的原理示意图；
图3是第一实施例的正面示意图；
图4是第二实施例的正面示意图；
图中标号名称：1、喷头，2、控制电极，3、喷射基底。
具体实施方式
实施例之一：
一单元静电喷射系统示意图；通过调节喷头所加电压的高低（这里外加电压直接连接到导电的喷头上进而施加到待喷射液体上）来调节第一段电场从而控制静电喷射液滴的产生，可调节静电喷射液滴的大小、数目等；控制电极所加电压及位置等参数保持不变；通过调节喷射基底（这里用一个接地的导电杯来收集静电液滴）相对于控制电极的距离来调节第二段电场，可改变进入第二段电场的液滴的空间分布及沉积速率等参数。
实施例之二：
三单元二段电场结构静电喷射系统阵列示意图，三个单元并排喷射，但是采用不同的调节方式：左边的喷射单元通过调节喷头和喷射基底（接地的导电杯）上所加电压来分别独立调节第一和第二段电场，从而分别独立调节静电液滴的产生和空间分布，控制电极的参数保持不变；中间的喷射单元通过调节控制电极的空间位置同时改变第一段和第二段电场，实现对静电喷射液滴产生和控制系统的联调，喷头和喷射基底（接地的导体平面）的参数保持不变；右边的喷射单元通过调节喷头和喷射基底（接地的导电碗）相对于控制电极的距离来分别独立调节第一和第二段电场，从而分别独立调节静电液滴的产生和空间分布，控制电极的参数保持不变。
本实用新型可以应用于静电喷射所有已知的和待扩展的应用的各个方面，包括但不限于：喷墨打印机，有机物电路印刷，显示屏印刷，集成电路印刷，生物组织工程，液体雾化器，电离器，大分子质谱仪用带电粒子分离，无掩膜光刻，微纳材料和结构制备，等等，以上应用均应构成本实用新型的一部分。
上述的喷头可以有针管式、无针头液面激发式、多头阵列式等各种形状和材质，控制电极可以有方形、圆形、环形、金属、合金等不同形状和材质，喷射基底可以有金属、玻璃、塑料、氧化物、有机物、平面、球面、不规则形状等各种材质和形状，均应构成本实用新型的一部分。
上述静电喷射产生的液体形态可以有液滴、纤维、丝状、珠串等各种形态，均应构成本实用新型的一部分。
在本实用新型的基础上，可以将控制电极2或喷射基底3再细分成数段，接入多个不同电位的电极，或设计不同的电极形状等以形成不同的电场分布，以根据实际需要进行调节，实现对静电液滴的精确控制，仍应构成本实用新型的一部分。
Claims (4)
1.一种二段电场结构静电喷射系统，其特征在于：
包括接入第一电位的喷头（1）、接入第二电位的控制电极（2）和接地或接入第三电位的喷射基底（3）；其中喷头（1）与控制电极（2）共同组成静电液滴产生装置，产生第一段电场；控制电极（2）与喷射基底（3）共同组成静电液滴收集装置，产生第二段电场。
2.根据权利要求1所述的二段电场结构静电喷射系统，其特征在于：
（a）上述喷头（1）包括接入第一电位的电源和液体存储输送装置；喷头到控制电极（2）的距离为厘米至微米量级；喷头与控制电极之间的电压差为几伏到几万伏，所产生的高强度电场足以激发静电喷射，所述高强度电场为100~10000千伏/米量级；
（b）上述喷射基底（3）与控制电极（2）之间的距离为厘米至米量级；喷射基底（3）与控制电极（2）之间的电压差为几伏到几万伏，所产生的液滴空间分布控制电场为低强度电场，所述低强度电场为0.1～100千伏/米量级。
3.根据权利要求1所述的二段电场结构静电喷射系统，其特征在于：
上述喷头与控制电极之间的电压差为几伏至几十伏；上述控制电极（2）所施加的电压为几十到几百伏；上述喷射基底（3）接地；喷头（1）与控制电极（2）之间的距离为几到几十微米；喷射基底（3）与控制电极（2）之间的距离为几到几十厘米。
4.一种静电喷射系统阵列，其特征是包含若干个单元，每个单元中包括一个如权利要求1所述的二段电场结构静电喷射系统，各单元的结构参数和控制参数完全一致或不一致。
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| CN112893867A (zh) * | 2021-01-19 | 2021-06-04 | 重庆大学 | 均匀金属微滴喷射3d打印孔洞缺陷的抑制方法 |
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