基于超聲振動的微液滴生成裝置設計與實驗研究

吳必成+姚志遠

摘 要 設計了一種基于V型直線超聲電機驅(qū)動的微液滴生成裝置用于制備具有微米級尺寸的微液滴。此裝置由基于V型直線超聲電機驅(qū)動的微液滴生成部件、基于V型直線超聲電機的三維位移控制平臺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、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)動直線超聲電機高精度地移動，由滑臺推動注射器，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，蒸餾水在直線電機的精密驅(qū)動下，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，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，通過測量得出此裝置生成的球形液滴的半徑小于40 μm。

關(guān)鍵詞 超聲電機； 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)域有著廣泛的應用，相關(guān)研究受到了研究者的關(guān)注。從20世紀90年代開始，微液滴成形技術(shù)已經(jīng)被應用于醫(yī)學與生物工程中。當生物信息分子作為原材料時，通過微液滴生成技術(shù)可以制作生物芯片[6～7]。

2009年張鴻海等[8]提出了一種氣動膜片式微液滴生成技術(shù)，以壓縮氣體為驅(qū)動源，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85 μm。2014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)， 對微液滴噴射的壓電信號參數(shù)和噴槍結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，模擬了液滴形成的過程。先進的微液滴制造系統(tǒng)要突破三項關(guān)鍵的技術(shù)。首先是如何制造出內(nèi)徑為微米級的玻璃基噴嘴。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]。關(guān)鍵技術(shù)之二是微液滴的生成與精密控制進給量。采用高精度的直線超聲電機[11～13]可以有效地控制生成部件的驅(qū)動位移量，使得微液滴在微噴嘴的尖端生成且不會形成噴射。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)。液體的粘度會對噴射效果產(chǎn)生影響。噴射時，噴射能轉(zhuǎn)化為液滴的動能，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)，考察了水動力法、電動法、氣動法、光控法等微液滴生成方法[14]， 并對分離生成的微液滴的位置進行評估，使其落在可控的范圍內(nèi)。

本研究設計并制作了一種基于直線超聲電機驅(qū)動的微液滴生成裝置。其中，驅(qū)動和推進微液滴生成的部件采用V型直線超聲電機和相應的控制器，該直線超聲電機的位移分辨率為50 nm，使得微液滴成形時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)， 測量并計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40 μm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計

2.1 裝置的總體設計與組裝

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

2.2 微液滴生成部件

微液滴生成部件以V型直線超聲電機為基礎，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，注射器由江西洪達醫(yī)療器械集團有限公司制造。此注射器的容積為1 mL， 其內(nèi)徑為4.60 mm。注射器被固定在夾具上，注射端與直線超聲電機的導軌固連。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)科大學儀器廠生產(chǎn)，其材質(zhì)為硬質(zhì)中性玻璃，內(nèi)徑為0.3 mm，外徑為0.6 mm，管長100 mm。如圖2所示，拉制后的玻璃管尖端內(nèi)徑為3.25 μm。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

三維位移控制平臺由二維自由度平臺和升降平臺裝配而成。二自由度平臺由兩個單自由度平臺用螺栓固定連接而成，分別驅(qū)動兩個移動自由度，每個平臺均由一個V型直線超聲電機驅(qū)動，可連續(xù)驅(qū)動或單步驅(qū)動，連續(xù)驅(qū)動用于大位移移動，單步驅(qū)動用于精細調(diào)整。其優(yōu)點在于模塊化程度高，每個部分均有很高的可替換性。同時，其驅(qū)動精度很高，最小位移分辨率為50 nm。每個電機的行程為100 mm。升降平臺的行程為60 mm。將XY平面內(nèi)的二自由度平臺和Z軸方向的升降平臺用螺栓固定連接，形成三維位移控制平臺。該三維位移控制平臺的運動范圍為100 mm×100 mm×60 mm的長方體運動空間，且XY平面內(nèi)的最小的步進移動距離為50 nm。

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信號發(fā)生器（RIGOL公司）和HFVA153系列信號放大器（南京佛能科技實業(yè)有限公司）驅(qū)動。信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號，并通過信號放大器激勵壓電振子振動。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的升降平臺上。

2.5 壓電振子與噴嘴的模態(tài)分析

利用ANSYS公司的仿真分析軟件ANSYS Workbench15.0對微液滴分離部件進行模態(tài)分析，確定可行的振動模態(tài)。設定分析頻率范圍為20～60 kHz。經(jīng)過分析， 在此范圍內(nèi)有5個振動模態(tài)，分別為24256、24516、27728、28214和29848 Hz。對各模態(tài)下的噴嘴尖端的運動狀態(tài)進行分析，選取頻率為29848 Hz的振動模態(tài)，在此模態(tài)下，噴嘴的振型被激發(fā)。當微液滴附著在噴嘴尖端時，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)。信號放大器控制正弦信號的強度幅值。對于該壓電振子，當激勵電壓小于400 V時，噴嘴尖端的振幅與激勵電壓的幅值成正比。在實際應用中，當電壓的幅值足夠大時，噴嘴尖端的微液滴能夠克服粘性力，從尖端落下。

3 微液滴成形體積計算與實驗

3.1 微液滴生成的體積變化分析

在微液滴生成部件中，預先在注射器中注入液體。在實驗中，選擇常溫的蒸餾水作為研究對象。將生成部件裝配后，在顯微鏡下觀察液滴生成時的體積變化。當直線超聲電機精密推進時，在噴嘴尖端形成球冠狀液滴。此時，當電機前進一個最小步距l(xiāng)=50 nm時，顯微鏡下觀察到球冠狀液滴變大。通過電機的最小步距l(xiāng)=50 nm的精密驅(qū)動，微液滴可以附著在噴嘴尖端。相反地，當電機后退一個最小步距，球冠狀液滴會變小，即電機的運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的微液滴生成裝置，此裝置結(jié)構(gòu)簡單，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)。以三維控制平臺為基礎，為噴嘴提供100 mm×100 mm×60 mm的長方體運動空間，且XY平面內(nèi)的位移分辨率為50 nm，可以將液滴生成至特定的范圍內(nèi)。以蒸餾水為實驗對象，生成的液滴附著在載物臺上，將其等效為球形微液滴，推算得球形液滴的半徑均小于40 μm，半徑的相對標準偏差為9.4%，進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微液滴。

References

1 Ho C M， Ng S H， Li K H， Yoon Y J. Lab Chip， 2015， 15（18）： 3627-3637

2 Du G， Fang Q， den Toonder J M. Anal. Chim. Acta， 2016， 903： 36-50

3 Zhang J， Yan S， Yuan D， Alici G，Nguyen N， Warkiani M， Li W. Lab Chip， 2016， 16（1）： 10-34

4 Hosokawa M， Hoshino Y， Nishikawa Y， Hirose T， Yoon D， Mori T， Sekiguchi T， Shoji S， Takeyama H. Biosens. Bioelectron.， 2015， 67（S1）： 379-385

5 Feng W， Li L， Du X， Welle A， Levkin P A. Adv. Mater.， 2016， 28（16）： 3202-3208

6 Li N， Yang J， Feng C， Yang J， Zhu L， Guo A. Int. J. Biomed. Imaging， 2016， 2016： 5057347

7 Jang M， Yang S， Kim P. Biochip J.， 2016： 1-8

8 ZHANG HongHai， SHU XiaYun， XIAO JunFeng， XIE Dan. Chinese Journal of Huazhong University of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2009， （12）： 100-103

張鴻海， 舒霞云， 肖峻峰， 謝 丹. 華中科技大學學報（自然科學版）， 2009， （12）： 100-103

9 XUE GuangHuai， HE Yong， FU JianZhong， WU SenYang. Chinese J. Optics and Precision Engineering， 2014， 22（8）： 2166-2172

薛光懷， 賀 永， 傅建中， 吳森洋. 光學精密工程， 2014， 22（8）： 2166-2172

10 Chen S， Yao Z Y. J. Appl. Mechan. Mate.， 2014， 618： 492-497

11 Yang X， Liu Y， Chen W， Liu J. Ceramics Inter.， 2015， 41（1）： S607-S611

12 Li X， Yao Z Y， Zhou S L， Lyu Q B， Liu Z. Ultrasonics， 2016， 72： 117-127

13 Zhu C， Chu X C， Yuan S M， Zhong Z J， Zhao Y Q， Gao S N. Ultrasonics， 2016， 72： 66-72

14 CHEN JiuSheng， JIANG JiaHuan. Chinese J. Anal. Chem.， 2012， 40（8）： 1293-1300

陳九生， 蔣稼歡. 分析化學， 2012， 40（8）： 1293-1300

Abstract A micro droplet generator based on Vshape linear ultrasonic motor was prepared to produce micro droplets with higher accuracy in the field of biochemistry. The device was composed of a micro droplet generator which was driven by the Vshaped linear ultrasonic motor， a threedimensional displacement platform based on Vshaped linear ultrasonic motor， and a micro droplet separation unit based on the piezoelectric vibrator. The generating part consisted of an ultrasonic motor， a medical syringe， a silica flexible tube and a selfmade micro nozzle based on glass. Utilizing the drive controller to drive the linear ultrasonic motor， the slipway pushes forward the syringe and the micro droplet was attached to the glass nozzle. The natural mode of the rod nozzle was excited by the piezoelectric vibrator. The attached droplet was separated from the tip of the nozzle after overcoming the viscous force. The separated droplet fell in a certain range. And the radius of the spherical droplet was calculated. In the experiment， distilled water was used as the initial liquid to investigate the characteristics of the micro droplets produced by the device. The experimental results showed that the droplet was attached to the tip of the micro nozzle which was formed by distilled water under the linear motor. By the vibration of the separation unit， the attached droplets formed the spherical droplets by overcoming the viscous forces in the tip of the nozzle. The radius of spherical droplets generated by this device was less than 40 μm by measuring the size.

Keywords Ultrasonic motor； Piezoelectric vibrator； Micro nozzle； Micro droplet