微滴喷射阀的种类及发展状况

罗莹莹，罗志伟，赵小双，李志红

(厦门理工学院 机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024)

微滴喷射阀的种类及发展状况

罗莹莹，罗志伟，赵小双，李志红

(厦门理工学院 机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024)

介绍了微滴喷射技术原理，对各种微喷技术进行归纳、总结、分类，阐述了各种类型微喷技术的机理与特点，并对各种微滴喷射阀进行了对比。系统地分析了微喷技术的应用领域，针对气压驱动阀控制式微喷技术的研究现状进行了分析，并指出该项技术存在的问题。

微滴喷射阀；容腔体积不变式；气动阀控式

液滴是自然界最普遍的现象，来源于喷墨打印技术的微滴喷射属于直写式精密加工技术[1]，因其喷射精度高、响应速度快及可控制性好，被广泛应用于各行各业，无论是在微机械工程、微电子工程，还是生命科学与生物工程[2]，其发展直接关系到国民经济水平的增长及生活水平的提高。微滴喷射技术在构建复杂三维模型、电子元器件制造、体外生物组织重建方面优势显著：因其属于增材料制造技术，材料利用率高、成本低，广泛应用于微结构及单个微型零部件的生产制造中；喷射液滴微粒小、精度高，对电子元器件的集成化、微型化、精密化起到了很大的作用；响应速度快、可控制性好，在重构生物组织、药品分配中起着较大的作用[2]。

1 微滴喷射原理及种类

液体在周期性的外力作用下，克服自身表面张力和喷嘴摩擦力即可形成液滴。控制外作用力的作用时间、频率和力度，即可控制喷射液滴的尺寸和喷射速度。按液体容腔体积是否改变可将微滴喷射阀划分为液体容腔体积发生改变式和液体容腔体积不变式2种。液体容腔体积改变式主要有膜片式、静电式。容腔体积不变式又可按微滴喷射阀内是否有运动部件分为运动部件驱动式和非运动部件驱动式。运动部件驱动式主要有机械阀式[3-4]、电磁致动式[5]、应力波驱动式[6]；无运动部件驱动式主要有电磁力驱动式[7]、声学激励方法[8]、激光激励式[9]。微滴喷射技术分类如图1所示。

图1 微滴喷射技术分类

膜片式按驱动力的不同又可分为气动膜片式[10-13]、压电驱动膜片式[12-16]。气动膜片式微滴喷射阀与压电驱动膜片式微滴喷射阀的区别在于驱动力的不同。气动微滴喷射阀的驱动力是空气而压电驱动膜片式的驱动力是压电陶瓷。其基本原理都是在周期性的驱动信号作用下，膜片实现周期性弹性形变，膜片的弹性形变使液体腔的体积发生改变从而控制微液滴的产生。改变气体脉冲的频率即可实现喷射的速度，具有响应速度快、频响范围宽等优势，但是受温度特性的限制，不适合高黏度材料的喷射，且价格昂贵，也不易拆卸、清洗。2种不同驱动力式的膜片式微滴喷射阀如图2所示。

图2 膜片式微滴喷射阀

静电式微滴喷射阀[17]的基本原理：在电极上输入一适当电压时，由于电极与压板之间所产生的静电吸附力使压板变形、容腔内体积变大，迫使液体喷射形成液滴。该喷射阀消耗的功率小，但由于静电作用产生的变形有限，需要较大的隔膜，然而隔膜较大将会影响制造成本、分辨率和喷射速度，如图3所示。

图3 静电式微滴喷射阀

微滴喷射阀内有运动部件的喷射阀包括机械式、电磁致动式和应力波驱动式。机械式微滴喷射阀撞针在外力作用下移动一定的距离，使喷嘴处的局部压力增大，从而导致喷嘴处的胶液形成束状流体紧接着被切断，进而脱离喷嘴喷射在基板上形成液滴[18]，适用于高黏度液体。阀控式微滴喷射阀中有机械运动零件(活塞、控制阀等)，受这些零件的惯性影响，其喷射精度、灵敏度和工作频率不够高，且在液体浓度过低时会出现流涎，难以控制成形。电磁致动式微滴喷射阀的原理：当给电磁致动器输入脉冲信号时，电磁致动器冲击膜片，致使坩埚内振动阀杆受迫向下移动，液态原料的体积被压缩，使液滴克服喷嘴处摩擦阻力以及自身的表面张力从喷孔喷射而出；之后，阀杆在恢复力的作用下复位，完成一个喷射周期。该喷射阀成本较低，但被喷射溶液中有运动部件。应力波驱动式是冲击杆在脉冲信号的作用下冲击传振杆，传振杆加速运动产生应力波，应力波使液体喷出微滴喷射阀形成液体。通过改变冲击杆的加速行程即可改变冲击杆的冲击能，产生不同的应力波，以满足不同材料的喷射要求，其能够产生比喷嘴尺寸小的金属微滴。该喷射装置具有结构简单、参数调节范围广、成本低，易控制等优点。微滴喷射阀内有运动部件的3种喷射阀如图4所示。

无运动件驱动式主要有电磁力驱动式、声学激励方法[8]、激光激励式[9](见图5)。电磁力驱动式[7]的基本原理：建立一个方向和大小都恒定的磁场，在给导电金属流体通以可控电流后，导电流体在洛伦磁力的作用下通过喷嘴喷射成滴；在电场和磁场同时作用下产生的电磁体积力，由于电能和磁能没有相互转换，故在改变电流时，洛仑兹力也能瞬间发生变化，所以可通过控制电流来控制液滴大小、喷出和停止。该喷射阀具有较好的可控性和速度响应性能，但是需要加热装置，材料必须导电，焊料高温容易被氧化。声学激励方法通过聚焦声学能量使微孔板中液面产生波动，从而分裂出微小液滴并转移到盖板上。它具有动力源温和、无污染、一致性好、可喷射高黏度液体、喷射微粒达PL级等优点，但是不适用于固态金属。激光激励式是通过激光束给焊丝加热使焊丝熔化，熔化的焊液在重力作用下克服液体表面张力脱离焊丝形成液滴，可通过计算机控制激光束和焊料的进给实现焊点尺寸及喷射频率的控制。惰性气体的作用是避免焊滴被氧化。其焊点体积小，且尺寸很容易被控制。但是，当激光功率过高或者脉冲持续时间过短时，焊丝将在熔化分解之前被打断，则无法得到理想的焊点。

图4 有运动部件驱动式

图5 无运动部件驱动式

综上所述，微滴喷射阀因其结构的差异和驱动力的不同，使各种微滴喷射阀在使用范围、精度、可控制性、响应速度等方面各有优势，优缺点比较如表1所示。

表1 微滴喷射方式优缺点比较

2 微滴喷射的应用

微滴喷射应用的广泛性是基于其喷射材料的多样性，包括从墨水到水性溶液，到固体可熔金属，再到生物活性溶液。它主要应用于机械工程、微电子工程、医学等领域。

相对于减材料制造的增材料制造技术——微滴喷射成型[19]，通过将复杂的三维形体切片处理转化为简单的二维截面，即三维至二维的转化，无需模具，能有效解决材料对加工工具和模具依赖性，使工件的成形大为简化。加工工艺周期减短，材料废弃量少，利用率高，成本降低。因其具有极大的柔性，理论上可以制造任何复杂形状、大小的物体，这是传统机械加工工艺所无法达到和实现的。采用三维微满喷射成形能够及时、方便地制作原型件，特别是形状复杂的原型件。原型件的形状愈复杂，微滴喷射快速成形增材料加工技术的优势愈明显。如三维金属微构件、陶瓷模型、首饰蜡模、建筑模型[19-21]。图6为采用三维打印技术打印的一些模型和构件。

图6 微喷在机械工程领域的应用

在微电子领域中，人们对电子产品的性能和质量也提出了更高的要求。电子元器件越来越趋于集成化、精密化和微型化，集成电路对半导体封装技术也提出了更高的要求[3]。而流体点胶因其使用的流体材料种类多、黏度范围大且有喷射液滴小、定位精准性高、响应速度快等优势越来越广泛地被应用于微电子领域，如微电子制造[22-24]、微电子封装[3,25-27]。流体点胶技术在微元器件制造及微电子封装中的一些应用实例如图7所示。

图7 微电子中部分应用实例

在医学领域中，医疗设备、医疗药物和医疗技术的提高得到了广泛关注。在体外模仿构建具有一定生物功能的组织和结构，对于生产疫苗预防疾病、替代损伤组织恢复组织功能以及治疗疾病康复身体具有重要的意义[31]。微滴喷射技术可用于无损伤微量地递送稀少药物，从而降低生产成本；也可用于遗传物质及临床应用的假体、可降解组织工程支架、含有细胞的三维结构体、微胶囊、精细生物支架、复杂器官的三维构建[32-34]等。图8为喷墨打印技术在医疗领域的一些应用[35]。

图8 微喷技术在医疗领域的应用

3 气动阀控制式微喷研究现状

气压驱动微滴喷射可分为气压直接驱动式[36-38]、气压驱动膜片式[39-40]、气动撞针式3种。

多伦多大学的Chandra和Jivraj提出气压直接驱动式微喷技术。该装置通过控制电磁阀的开关形成气体脉冲,直接作用于液面上将液体从喷嘴处喷出从而形成液滴。由于气体的可压缩性，喷射液滴的可控制性和稳定性差，精度也不高。华中科技大学张鸿海、舒霞云、谢丹[11][39-42]等在分析气压直接驱动微喷技术的基础上，提出了气动膜片式微滴喷射技术。与气压直接驱动式相比，这种微滴喷射技术减小了气压工作腔的体积和压力传动路径，在微滴成形的尺寸一致性上有了一定的改善，但不适用于高黏度液体。驱动源为空气的阀控式撞针微滴喷射阀采用压缩空气使活塞运动，控制微型控制阀开启或关闭使液体喷射而出，可以通过调节弹簧的预压量，改变控制阀的开启量、进气压力或喷嘴直径控制液滴大小和喷射速度，适用于高黏度和金属液体的喷射。

4 结束语

微喷技术是基于 Rayleigh 在19世纪对稳定的液体射流断裂产生液滴的研究[43]而产生。Sweet[44]在1965年提出了用电场来控制微滴的方法，这成为以后连续式喷墨打印机的基础。20 世纪70年代的 Zoltan和 Kyser的2个专利标志着压电式微滴喷射阀也是最早的DOD 式微滴喷射阀的诞生。之后不断出现了不同驱动方式的微滴喷射阀，如热气泡式、阀控制式、 声学激励式、激光激励式等。各种微滴喷射阀满足了不同工程的需求，但是对于高熔点金属的喷射，由于加热对设备本身寿命的影响，其加热装置也需要进一步改进，这对绝缘材料的性能提出了更高的要求。理论上喷嘴喷孔越小，能喷射的液滴就更小，但是过小的喷孔容易被堵塞，也不易加工。整个系统的性能影响了液滴的最终成型，需要寻找更好的方案为整个微滴喷射系统建立一个有效的数学模型。不可否认的是，微喷技术对现代化建设以及科学技术的发展起了很大的作用，科学工作者们正在为微喷的进一步改进和完善不懈地努力。可以预见的是，在未来道路的发展进程中，微喷技术的应用将会更加广泛，前景也将会更加光明。

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(责任编辑 陈 艳)

Types and Development Status of Micro-Droplet Jetting Valve

LUO Ying-ying, LUO Zhi-wei, ZHAO Xiao-shuang, LI Zhi-hong

(School of Mechanical and Automotive Engineering,Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China)

This article introduced the principle of droplet spray technology. A variety of micro spray technology were summarized, concluded and classificated. It also expounded the mechanism and a characteristic of various types of micro spray technology, and compared the various micro drip nozzles. Application domain of micro spray technology system were analyzed. Study of air pressure drive valve control micro-sprinkler technology’s present situation was also analyzed and the existing problems were pointed out, which has good guidance meaning to the direction of the research.

micro-droplet jetting valve; invariant vessel volume; pneumatic generator

2015-08-18 基金项目：福建省自然科学基金面上项目(2015J01227)；福建省教育厅A类课题(JA13237)

罗莹莹(1990—)，女，福建尤溪人，硕士研究生，主要从事微滴喷射方面的研究。

罗莹莹，罗志伟，赵小双，等.微滴喷射阀的种类及发展状况[J].重庆理工大学学报(自然科学版)，2015(12):77-83.

format：LUO Ying-ying, LUO Zhi-wei, ZHAO Xiao-shuang, et al.Types and Development Status of Micro-Droplet Jetting Valve[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2015(12):77-83.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.12.013

TH16

A

1674-8425(2015)12-0077-07