[实用新型]二段电场结构静电喷射系统及阵列

说明书

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：