基于超聲振動(dòng)的微液滴生成裝置設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

精品文檔-下載后可編輯基于超聲振動(dòng)的微液滴生成裝置設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究摘要設(shè)計(jì)了一種基于V型直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微液滴生成裝置用于制備具有微米級(jí)尺寸的微液滴。此裝置由基于V型直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微液滴生成部件、基于V型直線超聲電機(jī)的三維位移控制平臺(tái)和基于壓電振子的微液滴分離部件組成。其中，生成部件包含超聲電機(jī)、醫(yī)用注射器、硅膠軟管和自制的玻璃基微噴嘴。利用控制器驅(qū)動(dòng)直線超聲電機(jī)高精度地移動(dòng)，由滑臺(tái)推動(dòng)注射器，在玻璃基噴嘴尖端產(chǎn)生附著的微小液滴；再利用壓電振子激發(fā)桿狀噴嘴的固有振型，使得附著的液滴克服粘性力從微噴嘴尖端分離，落在一定的范圍內(nèi)，并計(jì)算生成的球形微液滴的半徑。以蒸餾水作為初始液體，探究此裝置生成的微液滴的特性。研究結(jié)果表明，蒸餾水在直線電機(jī)的精密驅(qū)動(dòng)下，在微噴嘴尖端形成附著的球冠狀液滴。通過分離部件的振動(dòng)，附著的液滴克服自身的粘性力從噴嘴尖端分離，形成球形液滴，通過測(cè)量得出此裝置生成的球形液滴的半徑小于40μm。

關(guān)鍵詞超聲電機(jī)；壓電振子；微噴嘴；微液滴

1引言

微尺度下的液滴成形技術(shù)[1～5]在噴墨打印、增量制造和3D打印、藥物研發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，相關(guān)研究受到了研究者的關(guān)注。從20世紀(jì)90年代開始，微液滴成形技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)與生物工程中。當(dāng)生物信息分子作為原材料時(shí)，通過微液滴生成技術(shù)可以制作生物芯片[6～7]。

2022年張鴻海等[8]提出了一種氣動(dòng)膜片式微液滴生成技術(shù)，以壓縮氣體為驅(qū)動(dòng)源，通過電磁閥通斷了控制流體形成射流，并使射流頸縮分離形成液滴。此種方法獲得的最小球體的直徑為85μm。2022年薛光懷等[9]提出了一種壓電式噴頭以研究微液滴噴射成形技術(shù)，對(duì)微液滴噴射的壓電信號(hào)參數(shù)和噴槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，模擬了液滴形成的過程。先進(jìn)的微液滴制造系統(tǒng)要突破三項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。首先是如何制造出內(nèi)徑為微米級(jí)的玻璃基噴嘴。生成的微液滴的直徑受噴嘴尖端內(nèi)徑的影響較大。目前被廣泛采用的方法是加熱大尺寸的玻璃管，通過拉伸玻璃管使玻璃管收縮，在拉伸的斷面形成微小內(nèi)徑的噴嘴[10]。P鍵技術(shù)之二是微液滴的生成與精密控制進(jìn)給量。采用高精度的直線超聲電機(jī)[11～13]可以有效地控制生成部件的驅(qū)動(dòng)位移量，使得微液滴在微噴嘴的尖端生成且不會(huì)形成噴射。關(guān)鍵技術(shù)之三是使得尖端生成的微液滴克服液體的粘性力，從尖端分離出來，落在可控的位置內(nèi)。液體的粘度會(huì)對(duì)噴射效果產(chǎn)生影響。噴射時(shí)，噴射能轉(zhuǎn)化為液滴的動(dòng)能，還伴隨著液體的粘滯耗散和克服液體表面張力的能量，因此，微液滴生成系統(tǒng)要克服液體的粘性力，使生成的微液滴分離。陳九生等為了克服液體的粘性力，總結(jié)了近期的微流控液滴技術(shù)，考察了水動(dòng)力法、電動(dòng)法、氣動(dòng)法、光控法等微液滴生成方法[14]，并對(duì)分離生成的微液滴的位置進(jìn)行評(píng)估，使其落在可控的范圍內(nèi)。

本研究設(shè)計(jì)并制作了一種基于直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微液滴生成裝置。其中，驅(qū)動(dòng)和推進(jìn)微液滴生成的部件采用V型直線超聲電機(jī)和相應(yīng)的控制器，該直線超聲電機(jī)的位移分辨率為50nm，使得微液滴成形時(shí)的體積變化在微米尺度內(nèi)。通過仿真分析了壓電振子的振動(dòng)模態(tài)，使得微液滴克服粘性力從噴嘴處分離并落在可控范圍內(nèi)，測(cè)量并計(jì)算了生成的微液滴的體積。研究結(jié)果表明，此裝置能生成直徑小于40μm的微液滴，并落在可控范圍內(nèi)。

2微液滴生成裝置的整體設(shè)計(jì)

2.1裝置的總體設(shè)計(jì)與組裝

該裝置分為3個(gè)組成部分，分別為基于V型直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微液滴生成部件、基于V型直線超聲電機(jī)的三維位移控制平臺(tái)和基于壓電振子的微液滴分離部件。其中，所用的V型直線超聲電機(jī)為南京航空航天大學(xué)研制的60Lumv直線超聲電機(jī)。該電機(jī)的定位控制的分辨率在50nm之內(nèi)，行程為60mm，最大推力為50N。電機(jī)額定功率為16W，速度范圍為80～800mm/s。直線超聲電機(jī)由定子、夾持件、預(yù)壓力調(diào)節(jié)件和底座組成。定子通過支夾持件固定在外框上，并通過預(yù)壓力調(diào)節(jié)件調(diào)節(jié)預(yù)壓力。整體裝置的實(shí)物圖如圖1A所示。

2.2微液滴生成部件

微液滴生成部件以V型直線超聲電機(jī)為基礎(chǔ)，依次裝配醫(yī)用注射器、魯爾接頭、硅膠軟管、玻璃基噴嘴。組成微液滴生成部件。其中，注射器由江西洪達(dá)醫(yī)療器械集團(tuán)有限公司制造。此注射器的容積為1mL，其內(nèi)徑為4.60mm。注射器被固定在夾具上，注射端與直線超聲電機(jī)的導(dǎo)軌固連。如圖1B所示。

玻璃基噴嘴采用的是基于激光加熱的玻璃基毛細(xì)管拉伸裝置拉制出的通道。拉制的玻璃管由華西醫(yī)科大學(xué)儀器廠生產(chǎn)，其材質(zhì)為硬質(zhì)中性玻璃，內(nèi)徑為0.3mm，外徑為0.6mm，管長(zhǎng)100mm。如圖2所示，拉制后的玻璃管尖端內(nèi)徑為3.25μm。拉制后的成品被定義為玻璃基噴嘴，其與硅膠軟管的另一端過緊密配合無間隙。

2.3三維位移控制平臺(tái)

三維位移控制平臺(tái)由二維自由度平臺(tái)和升降平臺(tái)裝配而成。二自由度平臺(tái)由兩個(gè)單自由度平臺(tái)用螺栓固定連接而成，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)移動(dòng)自由度，每個(gè)平臺(tái)均由一個(gè)V型直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可連續(xù)驅(qū)動(dòng)或單步驅(qū)動(dòng)，連續(xù)驅(qū)動(dòng)用于大位移移動(dòng)，單步驅(qū)動(dòng)用于精細(xì)調(diào)整。其優(yōu)點(diǎn)在于模塊化程度高，每個(gè)部分均有很高的可替換性。同時(shí)，其驅(qū)動(dòng)精度很高，最小位移分辨率為50nm。每個(gè)電機(jī)的行程為100mm。升降平臺(tái)的行程為60mm。將XY平面內(nèi)的二自由度平臺(tái)和Z軸方向的升降平臺(tái)用螺栓固定連接，形成三維位移控制平臺(tái)。該三維位移控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍為100mm×100mm×60mm的長(zhǎng)方體運(yùn)動(dòng)空間，且XY平面內(nèi)的最小的步進(jìn)移動(dòng)距離為50nm。

2.4微液滴分離部件

微液滴分離部件由固定底板、彈簧和壓電振子組裝而成。其中，壓電振子是最為重要的部分。該振子由上端蓋、壓電陶瓷片、銅片、中間夾持、下端蓋和M4螺栓組裝而成。振子由DG1032Z信號(hào)發(fā)生器（RIGOL公司）和HFVA153系列信號(hào)放大器（南京佛能科技實(shí)業(yè)有限公司）驅(qū)動(dòng)。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào)，并通過信號(hào)放大器激勵(lì)壓電振子振動(dòng)。將玻璃基噴嘴用環(huán)氧樹脂膠固定在下端蓋的圓柱處，噴嘴上端與硅膠軟管密封連接，如圖3所示。微液滴分離部件被固定在三維位移控制平臺(tái)的升降平臺(tái)上。

2.5旱繒褡佑肱繾斕哪L分析

利用ANSYS公司的仿真分析軟件ANSYSWorkbench15.0對(duì)微液滴分離部件進(jìn)行模態(tài)分析，確定可行的振動(dòng)模態(tài)。設(shè)定分析頻率范圍為20～60kHz。經(jīng)過分析，在此范圍內(nèi)有5個(gè)振動(dòng)模態(tài)，分別為24256、24516、27728、28214和29848Hz。對(duì)各模態(tài)下的噴嘴尖端的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，選取頻率為29848Hz的振動(dòng)模態(tài)，在此模態(tài)下，噴嘴的振型被激發(fā)。當(dāng)微液滴附著在噴嘴尖端時(shí)，需要克服液體的粘性力，從尖端分離出來，落在可控的位置內(nèi)。信號(hào)放大器控制正弦信號(hào)的強(qiáng)度幅值。對(duì)于該壓電振子，當(dāng)激勵(lì)電壓小于400V時(shí)，噴嘴尖端的振幅與激勵(lì)電壓的幅值成正比。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電壓的幅值足夠大時(shí)，噴嘴尖端的微液滴能夠克服粘性力，從尖端落下。

3微液滴成形體積計(jì)算與實(shí)驗(yàn)

3.1微液滴生成的體積變化分析

在微液滴生成部件中，預(yù)先在注射器中注入液體。在實(shí)驗(yàn)中，選擇常溫的蒸餾水作為研究對(duì)象。將生成部件裝配后，在顯微鏡下觀察液滴生成時(shí)的體積變化。當(dāng)直線超聲電機(jī)精密推進(jìn)時(shí)，在噴嘴尖端形成球冠狀液滴。此時(shí)，當(dāng)電機(jī)前進(jìn)一個(gè)最小步距l(xiāng)=50nm時(shí)，顯微鏡下觀察到球冠狀液滴變大。通過電機(jī)的最小步距l(xiāng)=50nm的精密驅(qū)動(dòng)，微液滴可以附著在噴嘴尖端。相反地，當(dāng)電機(jī)后退一個(gè)最小步距，球冠狀液滴會(huì)變小，即電機(jī)的運(yùn)行可以有效地控制附著液滴的體積。液滴的變化如圖4所示。

4結(jié)論

本研究建立了一種基于超聲振動(dòng)的微液滴生成裝置，此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用自主拉制的玻璃基微通道作為微噴嘴。利用壓電振子和噴嘴的振動(dòng)使得附著液滴克服粘性力從噴嘴尖端落下，且散落的夾角在合適的范圍內(nèi)。以三維控制平臺(tái)為基礎(chǔ)，為噴嘴提供100mm×100mm×60mm的長(zhǎng)方體運(yùn)動(dòng)空間，且XY平面內(nèi)的位移分辨率為50nm，可以將液滴生成至特定的范圍內(nèi)。以蒸餾水為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，生成的液滴附著在載物臺(tái)上，將其等效為球形微液滴，推算得球形液滴的半徑均小于40μm，半徑的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.4%，進(jìn)一步減小了微液滴的生成尺寸。此裝置將可用于其它液體生成微米級(jí)微液滴。

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AbstractAmicrodropletgeneratorbasedonVshapelinearultrasonicmotorwaspreparedtoproducemicrodropletswithhigheraccuracyinthefieldofbiochemistry.ThedevicewascomposedofamicrodropletgeneratorwhichwasdrivenbytheVshapedlinearultrasonicmotor，athreedimensionaldisplacementplatformbasedonVshapedlinearultrasonicmotor，andamicrodropletseparationunitbasedonthepiezoelectricvibrator.Thegeneratingpartconsistedofanultrasonicmotor，amedicalsyringe，asilicaflexibletubeandaselfmademicronozzlebasedonglass.Utilizingthedrivecontrollertodrivethelinearultrasonicmotor，theslipwaypushesforwardthesyringeandthemicrodropletwasattachedtotheglassnozzle.Thenaturalmodeoftherodnozzlewasexcitedbythepiezoelectricvibrator.Theattacheddropletwasseparatedfromthetipofthenozzleafterovercomingtheviscousforce.Theseparateddropletfellinacertainrange.Andtheradiusofthespher