[发明专利]基于气动和电流体动力学混合驱动的阵列式微液滴产生装置

说明书

本发明公开了基于气动和电流体动力学混合驱动的阵列式微液滴产生装置，整个装置采用单一高压电源，单一气动驱动装置，本发明既能通过气动方法实现按需喷射，又能通过EHD技术喷射粘稠液体以及获得小于喷口直径的液滴，且P2远低于P1，混合两种方法优势互补。采用并行阵列式喷头，通过每个喷口处的控制单元实现对每个喷口的独立控制，适用于并行打印同种墨水；或喷射条件类似的不同墨水。相较于传统阵列式微滴喷射装置需要多个气动驱动装置及储液腔，本发明共享一套气动驱动装置及储液腔，结构紧凑节省空间成本大大降低，整个装置成本低廉，结构紧凑节省空间，具有较广泛的适用范围。

技术领域

本发明涉及基于气动和电流体动力学混合驱动的阵列式微液滴产生装置，通过调整每个喷口处的控制单元，可以实现独立控制任一喷嘴的阵列型微液滴产生装置。该发明可应用于打印电子学、药物开发、生物3D打印等领域。

背景技术

近年来，微滴喷射技术作为非接触式施加技术得到了越来越多的关注。其中，常规的阵列喷射方式主要有压电驱动喷射、热泡驱动喷射等。但压电驱动喷头实际操作中工作参数的设定比较复杂，而且喷射液体的黏度不能过大；热泡驱动喷头制作简单。但是喷头局部温度可达到300℃，导致喷射过程对热敏材料的影响难以评估。与此同时，更多非常规喷射技术也有了长足发展。这些非常规喷射方式包括气动驱动喷射、电流体动力学(EHD)喷射等。它们在包括生物医学打印等领域得到广泛应用。

其中基于气动驱动的微液滴产生装置的工作原理为：利用高速电磁阀的开关控制高压气体进入储液腔，产生气压脉冲，并通过放气通路释放。气压脉冲的幅值通常由电磁阀前端高压气体压强决定。通常情况下气压脉冲的幅值需要超过压强阈值P₁。在喷嘴处被挤出的液体才能断裂形成液滴。气动驱动可以实现按需喷射，并且成本较低适合热敏材料的高精度喷射。气动微滴喷射最大的缺点在于液滴尺寸通常大于喷嘴尺寸，相关实验表明微液滴直径通常大于喷嘴内径的二倍。在需要更小微液滴时，通常只能通过减小喷嘴直径，但是缩小喷嘴直径需要系统提供的气压脉冲幅值大幅增加，尤其是对于高黏度喷射过程，或载有微小颗粒的情况，这一困难会更加突出。

基于EHD法的液滴喷射装置由注射泵和高压电场同时驱动。注射泵对装置连续均匀供液，在喷嘴处挤出液体；高压电场通过在喷嘴(导电)和收集电极(导电)之间施加高压电压实现。实验发现：喷嘴处的液体体积通常需要超过某个临界体积V；随后，液体会在电场力的作用下，快速变形，形成锥形液面(泰勒锥)，泰勒锥末端的液体断裂，可以形成直径小于喷嘴的微液滴。由于其主要是通过电场力将液滴“拉伸”出来，因此该技术能够喷射出远小于喷嘴直径的液滴，实现高分辨率喷印，并且可以有效缓解喷嘴堵塞的问题。但是，EHD微液滴喷射技术也需面对诸多困难。由于液体产生受到持续存在的电场力和供液系统流速的双重影响，液滴的产生频率虽然受电压控制但是难以保持稳定，而且无法实现按需喷射。使用高压脉冲电源可以在一定程度上克服上述喷射频率不稳定的问题，但是按需喷射仍然难以实现。

先前研究中已有学者提出基于气动和电流体动力学混合驱动的微液滴产生装置，其工作原理是：在喷嘴和收集电极之间施加恒定的电压，产生恒定的电场。通过常规气动微滴喷射手段，对储液腔内液体施加一个气压脉冲，将一定量超过临界体积V的液体挤出喷嘴；而后，这部分液体会在电场力作用下迅速变形，形成“泰勒锥”；泰勒锥末端断裂形成微滴。使得喷嘴处液体体积超过临界体积，继而产生微滴的气压脉冲阈值记为P₂。实验发现，由于电场的存在，阈值P₂远低于传统气动微滴喷射气压脉冲阈值P₁。

基于气动和EHD混合驱动的的液滴喷射技术，综合了两者的优点。但喷射频率受限于气动脉冲的重复频率,仅适应于低频喷射。当喷射频率变高时，喷射出的微滴个数、尺寸等均不稳定。当需要打印多种不同液体材料时，多个独立喷射装置并行会导致成本增加，难以小型化等缺点。