TWI783693B

TWI783693B - 削尖毛細管製作方法及裝置

Info

Publication number: TWI783693B
Application number: TW110135081A
Authority: TW
Inventors: 林芳新; 張敬萱; 劉益宏; 吳昱賢
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2021-09-22
Filing date: 2021-09-22
Publication date: 2022-11-11
Also published as: TW202313208A

Abstract

一種削尖毛細管製作方法及裝置，方法包含：備置一毛細管，毛細管沿其軸向具有相對之第一端與第二端；將毛細管之軸向垂直於蝕刻液之液面並將第一端浸入蝕刻液中，部分蝕刻液呈凹弧狀附著於毛細管外壁周圍；將水由第二端輸入毛細管中且水由第一端流出；將一套管同軸套設於毛細管外，套管沿軸向具有相對之第三端與第四端，第三端朝向蝕刻液且與蝕刻液具有第一距離，套管之內壁與毛細管外壁間具有第二距離；將氣體由第四端輸入套管與毛細管間，氣體由第三端流出後向套管之外圍逸散；呈凹弧狀附著於毛細管外壁周圍之蝕刻液將毛細管蝕刻成錐形。

Description

削尖毛細管製作方法及裝置

本發明涉及毛細管製作領域，尤指一種削尖毛細管製作方法及裝置。

電噴灑式霧化器的主要功能為氣膠化奈米粒子樣品，提供後端的粒徑分析儀、質譜儀等進行尺寸及成分的研究。

單一、大小均一的氣膠於量測分析儀器中具備較高的重複性。為了達成此目的，電噴灑式霧化器多搭配噴嘴削尖的毛細管，產生尺寸縮減及均一的液珠，進而獲得該規格的奈米粒子氣膠。

傳統製作毛細管的錐狀噴嘴的方法大致包含以下三種：加熱拉伸法，利用電漿局部加熱於毛細管再加以拉伸；機械研磨法，將毛細管與砂紙相互磨擦；濕式蝕刻，利用蝕刻液侵蝕毛細管外壁。

加熱拉伸與機械研磨受限於毛細管的尺寸，取得來源有限且價格昂貴。

至於濕式蝕刻法，已知一種以蝕刻液蝕刻毛細管的習知專利，依該習知專利於說明書中所揭露的技術手段，其主要是將毛細管浸入蝕刻液中，且將水持續送入毛細管中以避免毛細管內壁被蝕刻液侵蝕。蝕刻液會呈凹弧狀附著於毛細管外壁周圍，蝕刻速度隨液面距離增加而遞減(毛細現象) ，繼而產生錐狀噴嘴。

然而，依該習知專利所揭露的方法實作後發現，即使毛細管內部有水流而避免被蝕刻液侵蝕，但是毛細管外壁則會因為蝕刻液的蒸氣上升而被侵蝕，造成毛細管尖端被蝕刻成平均的厚度，並無法如該習知專利聲稱可蝕刻成尖端。顯見該習知專利單純屬於理論而無法實現。

據此，如何發展出一種可使毛細管達到削尖結果的「削尖毛細管製作方法及裝置」，是相關技術領域人士亟待解決之課題。

於一實施例中，本發明提出一種削尖毛細管製作方法，其包含：備置一毛細管，毛細管沿其軸向具有相對之一第一端與一第二端；將毛細管之軸向垂直於蝕刻液之液面並將第一端浸入蝕刻液中，部分蝕刻液呈凹弧狀附著於毛細管外壁周圍；將水由第二端輸入毛細管中，且水由第一端流出；將一套管同軸套設於毛細管外，套管沿軸向具有相對之一第三端與一第四端，第三端朝向蝕刻液且與蝕刻液具有一第一距離，套管之內壁與毛細管之外壁之間具有一第二距離；將氣體由第四端輸入套管與毛細管間，氣體由第三端流出後向套管之外圍逸散；以及呈凹弧狀附著於毛細管外壁周圍之蝕刻液將毛細管蝕刻成錐形。

於一實施例中，本發明提出一種削尖毛細管製作裝置，其包含：一毛細管，沿其軸向具有相對之一第一端與一第二端，毛細管之軸向垂直於蝕刻液之液面，且第一端浸入蝕刻液中，部分蝕刻液呈凹弧狀附著於毛細管外壁周圍，水由第二端進入毛細管且由第一端流出；以及一套管，同軸套設於毛細管外，套管沿軸向具有相對之一第三端與一第四端，第三端朝向蝕刻液且與蝕刻液具有一第一距離，套管之內壁與毛細管之外壁之間具有一第二距離，氣體由第四端進入套管與毛細管間且由第三端流出後向套管之外圍逸散，呈凹弧狀附著於毛細管外壁周圍之蝕刻液將毛細管蝕刻成錐形。

請參閱圖1至圖3所示，圖1所示本發明所提供之一種削尖毛細管製作方法之流程100，是利用圖2所示本發明所提供之一種削尖毛細管製作裝置，其包含以下步驟：

步驟102：備置一毛細管10，毛細管10沿其軸向C具有相對之一第一端11與一第二端12。

步驟104：將毛細管10之軸向C垂直於蝕刻液20之液面21並將第一端11浸入蝕刻液20中，部分蝕刻液22呈凹弧狀附著於毛細管10之外壁13周圍。

步驟106：將水1由第二端12輸入毛細管10中，且水1由第一端11流出。

步驟108：將一套管30同軸套設於毛細管10外，套管30沿軸向C具有相對之一第三端31與一第四端32，第三端31朝向蝕刻液20且與蝕刻液20具有一第一距離D1，套管30之內壁33與毛細管10之外壁13之間具有一第二距離D2。

步驟110：將氣體2由第四端32輸入套管30與毛細管10間，氣體2由第三端31流出後向套管30之外圍逸散；以及

步驟112：呈凹弧狀附著於毛細管10之外壁13周圍之蝕刻液22將毛細管10蝕刻成錐形。

水1可採用純水。藉由水1的流動作用，可避免蝕刻液20因毛細現象而進入毛細管10內，避免毛細管10的內壁14被蝕刻液20侵蝕。

藉由空氣2流出時所形成的氣簾作用，可避免蝕刻液20的蒸氣上升而侵蝕毛細管10之外壁13。

毛細管10及套管30之材質與蝕刻液20之種類相互搭配。毛細管10之材質例如可為二氧化矽、不鏽鋼、聚合物及其組合的材料。

蝕刻液20則採用可侵蝕毛細管10的種類。通常，蝕刻液20為酸類蝕刻液，包括氫氟酸(HF)、硝酸(HNO ₃) 、硫酸、過氧化氫及其組合的液體。若蝕刻液20為氫氟酸(HF)，則其所含氟化氫的比例可介於25~49%之範圍，其餘為水。

視蝕刻液20的種類，套管30採用不會被蝕刻液20侵蝕的材料。例如，聚四氟乙烯(PTFE)或可熔性聚四氟乙烯(PFA)。

氣體2的種類不限，例如可為惰性氣體、氮氣、空氣之一。若氣體2為惰性氣體，則例如可為氬氣。

必須說明的是，水1由第二端12輸入毛細管10中再由第一端11流出，水1可充滿毛細管10內之全部空間。此外，氣體2由第四端32輸入套管30與毛細管10間再由第三端31流出，氣體2可充滿套管30與毛細管10間之全部空間，圖2、圖3僅為示意圖，不代表只有兩道氣體2由第四端32輸入套管30與毛細管10間。

請參閱圖2所示，依實際所採用的毛細管10、蝕刻液20、套管30之尺寸、材質及種類，以及氣體2的種類，第一端11浸入蝕刻液20中之深度H、水1的流速、氣體2的流速、第一距離D1、第二距離D2會有不同。

例如，第一端11浸入蝕刻液20中之深度H介於1~2公厘(mm)之範圍。水1的流速為每分鐘0.1微升(μL)。氣體2的流速為每分鐘90毫升(mL)。第一距離D1介於1~2公分(cm)之範圍。第二距離D2介於0.4~0.6微米(μm)之範圍。

請參閱圖2至圖4所示，藉由圖2所示裝置實施圖1所示方法步驟，可形成如圖所示之削尖之毛細管10A。毛細管10A之外壁13A朝向第一端11A漸縮一角度θ形成錐狀。

角度θ介於6~8度之範圍，視毛細管10、蝕刻液20、套管30之尺寸、材質及種類，以及氣體2的種類、第一端11浸入蝕刻液20中之深度H、水1的流速、氣體2的流速、第一距離D1、第二距離D2等數據的搭配而會有不同。

依本發明所提供之削尖毛細管製作方法及裝置進行實驗，當毛細管10的材質石英、毛細管10的內徑為50.7微米(μm)、毛細管10的外徑為152.7微米(μm)、套管30的材質為聚四氟乙烯(PTFE)、氣體2為氬氣、水1的流速為每分鐘0.1微升(μL)、氣體2的流速為每分鐘90毫升(mL)、第一距離D1約為1~2公分(cm)、第二距離D2約為0.4~0.6微米(μm)、蝕刻液20為氫氟酸(HF)時，若氟化氫的比例為25%，蝕刻時間約需75分鐘；若氟化氫的比例為36%，蝕刻時間約需60分鐘；若氟化氫的比例為49%，蝕刻時間約需45分鐘；皆可於毛細管10形成角度θ為7.4度的尖錐，尖錐的長度L約為270微米(μm)。證實本發明之蝕刻方法與裝置於毛細管切削的效能。

綜上所述，本發明所提供之削尖毛細管製作方法及裝置，利用套管套設於毛細管外，並將氣體輸入套管與毛細管間，藉由氣體阻擋蝕刻液蒸氣上升，可避免蒸氣侵蝕毛細管外壁，使毛細管外壁形成所需的尖錐狀。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:削尖毛細管製作方法之流程

102~112:削尖毛細管製作方法之流程之步驟

1:水

2:氣體

10,10A:毛細管

11,11A:第一端

12:第二端

13,13A:外壁

14:內壁

20:蝕刻液

21:液面

22:部分蝕刻液

30:套管

31:第三端

32:第四端

33:內壁

C:軸向

D1:第一距離

D2:第二距離

H:深度

L:長度

θ:角度

圖1為本發明之方法實施例流程圖。圖2為本發明之裝置實施例之軸向剖面結構示意圖。圖3為本發明之氣體作用於蝕刻液之軸向剖面結構示意圖。圖4為本發明之削尖毛細管之結構示意圖。

100:削尖毛細管製作方法之流程

102~112:削尖毛細管製作方法之流程之步驟

Claims

一種削尖毛細管製作方法，其包含：備置一毛細管，該毛細管沿其軸向具有相對之一第一端與一第二端；將該毛細管之軸向垂直於蝕刻液之液面並將該第一端浸入蝕刻液中，部分蝕刻液呈凹弧狀附著於該毛細管外壁周圍；將水由該第二端輸入該毛細管中，且該水由該第一端流出；將一套管同軸套設於該毛細管外，該套管沿該軸向具有相對之一第三端與一第四端，該第三端朝向該蝕刻液且與該蝕刻液具有一第一距離，該套管之內壁與該毛細管之外壁之間具有一第二距離；將氣體由該第四端輸入該套管與該毛細管間，該氣體由該第三端流出後向套管之外圍逸散；以及呈凹弧狀附著於該毛細管外壁周圍之該蝕刻液將該毛細管蝕刻成錐形。
如請求項1之削尖毛細管製作方法，其中該第一距離介於1~2公分之範圍。
如請求項1之削尖毛細管製作方法，其中該第二距離介於0.4~0.6微米之範圍。
如請求項1之削尖毛細管製作方法，其中該套管之材質為聚四氟乙烯(PTFE)或可熔性聚四氟乙烯(PFA)。
如請求項1之削尖毛細管製作方法，其中該氣體的流速為每分鐘90毫升(mL)。
如請求項1之削尖毛細管製作方法，其中該氣體為惰性氣體、氮氣、空氣其中之一。
如請求項6之削尖毛細管製作方法，其中該氣體為氬氣。
如請求項1之削尖毛細管製作方法，其中該第一端浸入該蝕刻液中之深度介於1~2公厘之範圍。
如請求項1之削尖毛細管製作方法，其中該水的流速為每分鐘0.1微升(μL)。
如請求項1之削尖毛細管製作方法，其中該蝕刻液為酸類蝕刻液，包括氫氟酸(HF)、硝酸(HNO₃)、硫酸、過氧化氫及其組合的液體。
如請求項10之削尖毛細管製作方法，其中該蝕刻液為氫氟酸(HF)，其中，氟化氫的比例介於25~49%之範圍，其餘為水。
如請求項1之削尖毛細管製作方法，其中該毛細管之外壁朝向該第一端漸縮一角度形成該錐狀，該角度介於6~8度之範圍。
如請求項1之削尖毛細管製作方法，其中該毛細管之材質為二氧化矽、不鏽鋼、聚合物及其組合的材料。