壓電微噴輔助液滴的多物理場耦合與實(shí)驗(yàn)

范增華,榮偉彬,王樂鋒,孫立寧

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,255049,山東淄博;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,150080,哈爾濱)

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壓電微噴輔助液滴的多物理場耦合與實(shí)驗(yàn)

范增華1,2,榮偉彬2,王樂鋒2,孫立寧2

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,255049,山東淄博;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,150080,哈爾濱)

針對(duì)微對(duì)象輔助釋放的操作液滴需求,基于壓電驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行輔助液滴的分配控制,設(shè)計(jì)了壓電微噴分配器,利用單脈沖壓電激勵(lì)實(shí)現(xiàn)非接觸式分配,分析了單液滴的形成條件。基于多物理場法,建立壓電微噴液滴的多物理場耦合模型,包括壓電設(shè)備、流固耦合、層流和兩相流模型,以此模擬液滴的形成進(jìn)程,并分析影響液滴形成能力的因素。在構(gòu)建的微操作系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果表明,分配液滴的體積隨著驅(qū)動(dòng)電壓的幅值和脈沖寬度的增大而增大,較大的參數(shù)值利于單液滴形成,與仿真結(jié)果分析一致。通過對(duì)控制參數(shù)的復(fù)合調(diào)節(jié),所設(shè)計(jì)的分配器可分配3.5 nL的最小液滴,滿足微對(duì)象輔助釋放的操作液滴要求。直徑為200 μm的錫球和聚苯乙烯微球的輔助釋放任務(wù)的實(shí)施,驗(yàn)證了所提出的方法和研制工具的有效性。

微操作;壓電驅(qū)動(dòng);微噴;液滴;多物理場

微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展促使操作構(gòu)件日益微型化,質(zhì)量輕、黏附力大的特性對(duì)微對(duì)象的可靠、無損操作提出了更高要求。微對(duì)象凸顯的尺寸效應(yīng)使黏著力相對(duì)于重力起到主導(dǎo)作用,拾取后的微對(duì)象易黏附在操作工具的末端,不能單依靠自身的重力而脫落[1-3],需借助外源作用力打破黏著平衡,實(shí)現(xiàn)釋放?；谝旱蚊?xì)力的輔助釋放方法具有操作柔順性,能夠避免表面應(yīng)力集中,且具有自校準(zhǔn)功能,并適應(yīng)形狀復(fù)雜零件的操作[4-6]。然而,輔助液滴的獲取則是毛細(xì)力輔助釋放實(shí)施的先決條件。

Obata等人針對(duì)基于輔助液滴的微對(duì)象釋放策略,建立了毛細(xì)力釋放模型,從理論上分析滿足成功釋放的條件,驗(yàn)證了所提出方案的可行性[7]。Chang等人利用超聲波加濕器產(chǎn)生噴霧,在待釋放基底上噴灑大量輔助液滴,實(shí)現(xiàn)了200 μm×200 μm×70 μm SU-8微芯片的釋放和自校準(zhǔn)定位[8-9]。Fuchiwaki等人將操作探針浸潤在液體管道內(nèi),利用探針伸出管道后的末端殘留液滴作為輔助液滴分配的初始條件,使輔助液滴接觸基底并產(chǎn)生液橋,然后提升探針至液橋斷裂,殘留在基底上的液滴作為輔助釋放的液滴條件,但只能被動(dòng)地改變操作探針的尺寸和形狀來控制所需液滴的體積[10]。

在微定位和控制方面,壓電致動(dòng)器具有響應(yīng)速度快、控制精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[11]。路士州和劉亞欣等人面向高黏度膠體分配,研制了基于壓電驅(qū)動(dòng)的撞針式噴射閥,并對(duì)噴射系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究[12-13]。在前述研究的基礎(chǔ)上,本文基于壓電驅(qū)動(dòng)的單液滴分配方法,研制了壓電式輔助液滴分配器;基于多物理場法建立壓電微噴輔助液滴的多物理場耦合模型,分析了影響液滴形成能力的因素;最后實(shí)驗(yàn)并討論了驅(qū)動(dòng)參數(shù)(電壓幅值和脈沖寬度)對(duì)液滴形成的影響,通過輔助釋放實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方法和研制工具的有效性。

1 輔助液滴分配器結(jié)構(gòu)和工作原理

基于壓電驅(qū)動(dòng)的輔助液滴分配器的結(jié)構(gòu)組件如圖1a所示。主體件加工內(nèi)腔結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存待分配液體,主體件的上端開有螺紋孔和密封槽,螺紋孔與噴液腔蓋連接;主體件的下端加工NPT螺紋孔,側(cè)面配置供液口,連接外源供液裝置,并依靠外源壓力調(diào)節(jié)噴嘴處的初始液面。壓電驅(qū)動(dòng)薄膜包括壓電陶瓷片和黃銅片,且兩者融為一體。密封圈配置在主體件和壓電驅(qū)動(dòng)薄膜之間,噴液腔蓋和主體件通過螺栓固定后可實(shí)現(xiàn)密封。連接件和噴嘴通過膠粘密封,且連接件的上端通過NPT外螺紋與主體件的螺紋孔密封連接,便于依據(jù)操作需要更換噴嘴。所有組件裝配后,外源液體流經(jīng)內(nèi)部通道,直至噴嘴處。

基于壓電驅(qū)動(dòng)的輔助液滴分配器的工作原理如圖1b～1d所示。在準(zhǔn)備階段調(diào)節(jié)噴嘴出口處的液面,使其處于臨界噴射狀態(tài)(見圖1b)。壓電驅(qū)動(dòng)薄膜在激勵(lì)電壓的作用下產(chǎn)生變形,并壓縮腔內(nèi)的待分配液體,產(chǎn)生的壓力波傳遞至噴嘴出口處,形成一定的流速,將液滴擠出噴嘴(見圖1c)。流速產(chǎn)生的慣性力和頸縮最終形成單個(gè)液滴,并脫落在基底上(見圖1d)。通過改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的參數(shù)配置,可調(diào)控液滴的形成,單液滴的非接觸分配創(chuàng)造了微對(duì)象輔助釋放的先決條件。

(a)結(jié)構(gòu)示意圖

(b)準(zhǔn)備 (c)液滴形成 (d)脫落圖1 分配器的結(jié)構(gòu)和工作原理

2 輔助液滴分配的多物理場耦合模型

2.1 多物理場模型配置

流體在分配器內(nèi)流經(jīng)多個(gè)設(shè)備器件,涉及氣、液、固三相間的相互作用以及液相間的層流作用。針對(duì)液滴的形成能力開展研究,結(jié)合壓電微噴器的結(jié)構(gòu)配置,建立液滴分配的多物理場耦合模型如圖2所示。鑒于整體設(shè)備組件的結(jié)構(gòu)對(duì)稱,為簡化計(jì)算,所建模型為二維軸對(duì)稱形式,主要包括壓電設(shè)備模型、流固耦合模型、層流模型和兩相流模型,液滴的形成是多物理場復(fù)合作用的結(jié)果。

單液滴形成的驅(qū)動(dòng)源來自壓電薄膜施加單脈沖激勵(lì)信號(hào)后的變形,如圖2a所示。定義壓電陶瓷擠壓黃銅的變形d=[xyz],則設(shè)備結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程如下式所示

(1)

式中:ρ為材料的密度;t為作用時(shí)間;Fv為變形前所受的體積力;σ為變形后產(chǎn)生的應(yīng)力。

(a)壓電設(shè)備和流固耦合 (b)層流 (c)兩相流 圖2 多物理場耦合模型

對(duì)于受到壓力沖擊下流體的運(yùn)動(dòng),可用速度場v=[uωε]和壓強(qiáng)p來描述。假設(shè)流體不可壓縮,則其動(dòng)量方程和質(zhì)量守恒方程分別如式(2)和式(3)所示

(2)

(3)

式中:ρ為流體密度;F為外源力;μ為動(dòng)力黏度。

基于多物理場耦合模型,在COMSOL環(huán)境下求解并描述流體的運(yùn)動(dòng),進(jìn)而獲取分配器設(shè)備模型所需的液滴生成條件。圖2a中將壓電設(shè)備和流固耦合模塊進(jìn)行全耦合,可將壓電設(shè)備的輸出變形實(shí)時(shí)加載至流固耦合模塊,并對(duì)其求解域采用四邊形映射網(wǎng)格劃分,有助于減少網(wǎng)格的翻轉(zhuǎn)。鑒于管路的長度,為更精確描述流體的運(yùn)動(dòng),在流固耦合和兩相流之間增加了層流模塊,采用自由三角形進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并將流固耦合模塊的出口流速施加到層流入口處,如圖2b所示。液滴最終形成的計(jì)算域通過兩相流模型描述,考慮氣-液界面在液滴形成過程中的不斷變化,采用自適應(yīng)網(wǎng)格法劃分兩相流作用域。在多物理場仿真環(huán)境內(nèi)對(duì)氣相含率(體積分?jǐn)?shù))φ進(jìn)行如下定義:φ=0代表在液相內(nèi);0<φ<1表示自由面(氣-液界面);φ=1代表在氣相內(nèi)。圖2c為初始化后噴嘴出口處的氣、液相分布。

2.2 微噴液滴形成分析

外力的作用使流體能夠流出噴嘴,但若形成單個(gè)脫落液滴,出口處的流速需達(dá)到一定的值,滿足如下式所示的單液滴噴射的速度條件[14]

(4)

式中:We為韋伯?dāng)?shù);ρ為流體密度;D為噴嘴內(nèi)徑;v為噴嘴出口處流速;γ為流體表面張力系數(shù)。

為避免輔助液滴與微對(duì)象接觸后造成的額外污染,本文選擇去離子水作為流體介質(zhì)進(jìn)行仿真分析,與實(shí)驗(yàn)分析中的介質(zhì)一致。噴嘴內(nèi)徑為150 μm,流體的表面張力系數(shù)為0.071 84 N/m,計(jì)算得到該參數(shù)配置下單液滴形成的流速條件為2.39 m/s

通過調(diào)試驅(qū)動(dòng)源模塊(壓電設(shè)備模塊)的參數(shù),借助多物理場耦合的流體運(yùn)動(dòng)模型,可模擬單液滴的形成。圖3是在幅值為9 V,脈沖寬度為1.8 ms,上升、下降沿時(shí)間為0.8 ms的單脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)下單液滴的形成過程:驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加后,速度逐漸增大,流體在外力作用下不斷流出(t=6 ms),此時(shí)流出噴嘴的液體呈現(xiàn)柱狀;速度達(dá)到最大值后開始減小并反向增大,流出的柱狀液滴開始產(chǎn)生頸縮(t=6.5 ms);最后,在流速慣性力和頸縮的雙重作用下,單個(gè)液滴形成并離開噴嘴、脫落(t=7 ms)。在該參數(shù)配置下,對(duì)應(yīng)模型噴嘴出口處的最大流速為2.85 m/s,大于單液滴形成的理論臨界流速2.39 m/s,滿足單液滴形成的條件。仿真結(jié)果的一致性驗(yàn)證了所建立的多物理場耦合模型對(duì)液滴形成模擬的有效性。

圖3 多物理場耦合下的液滴形成

進(jìn)一步分析了驅(qū)動(dòng)電壓幅值對(duì)輔助液滴形成能力的影響。圖4為不同電壓幅值下流速的變化和液滴的形成情況,隨著電壓幅值的增加,噴嘴出口處的最大流速增大,不同幅值下流速的變化趨勢基本一致。

圖4 不同電壓幅值下的流速變化

電壓幅值為6 V時(shí),模型出口處的最大流速為1.9 m/s,未滿足液滴的形成條件(2.85 m/s),不能形成流出液滴。較大電壓幅值(9 V)利于液滴的形成和噴射,但過大的電壓幅值(12 V)產(chǎn)生的較大流速會(huì)造成液滴的拖尾現(xiàn)象。隨著電壓幅值的增大,該現(xiàn)象愈明顯,且會(huì)產(chǎn)生衛(wèi)星液滴,即額外液滴的出現(xiàn)。若保證單液滴的穩(wěn)定形成,需控制合理的脈沖電壓幅值。液滴形成的多物理場模型的建立和液滴形成能力的仿真分析為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供了有效指導(dǎo)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

加工壓電微噴輔助液滴分配器,并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng),對(duì)所設(shè)計(jì)分配器的輔助液滴分配能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。圖5為裝配后的測試裝置,主要包括視覺模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、分配器模塊和外源供液模塊。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

視覺單元包括2個(gè)相互垂直安裝的顯微鏡,可觀測液滴的形成進(jìn)程,并通過上位機(jī)顯示實(shí)時(shí)信息和采集數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)模塊的3組三自由度位移平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)操作進(jìn)程中2個(gè)顯微鏡和分配器的位置定位。裝配后的分配器模塊在壓電陶瓷獲得激勵(lì)信號(hào)后,通過噴嘴分配輔助液滴至基底上。外源裝置的升降電機(jī)和儲(chǔ)液瓶可為分配器提供液體,并調(diào)節(jié)初始狀態(tài)時(shí)噴嘴處的液面。

3.2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)輔助液滴形成能力的影響

在分配器結(jié)構(gòu)(噴嘴內(nèi)徑為150 μm)和分配液體(去離子水)確定的情況下,驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)參數(shù)直接決定了輔助液滴的形成能力,主要對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的幅值和脈沖寬度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。圖6為驅(qū)動(dòng)電壓幅值對(duì)基底輔助液滴體積的影響,脈沖寬度恒為1.2 ms,通過圖像處理(二值化-邊緣檢測-邊緣擬合-數(shù)據(jù)處理)獲取分配液滴的體積,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行B樣條擬合。

圖6 電壓幅值對(duì)液滴體積的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:電壓小于40 V時(shí)不能分配出液滴,大于仿真分析的參數(shù)值,因?yàn)閷?shí)際中流體的流動(dòng)并非理想狀態(tài),微尺度下表面張力和管路粗糙度等因素均會(huì)增加流動(dòng)阻力,故需要較大的驅(qū)動(dòng)電壓。其影響因素和出現(xiàn)的現(xiàn)象與仿真分析中一致,隨著驅(qū)動(dòng)電壓幅值的增加液滴的體積增大,當(dāng)電壓幅值較大時(shí),會(huì)出現(xiàn)多液滴分配現(xiàn)象,即在主液滴的旁邊出現(xiàn)額外液滴。究其原因主要包括:一是較大速度的液滴撞擊基底后,分散出現(xiàn)額外液滴;二是較大的驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)產(chǎn)生液滴拖尾,并伴隨衛(wèi)星液滴出現(xiàn),與仿真結(jié)果中出現(xiàn)的現(xiàn)象一致。驅(qū)動(dòng)電壓幅值過大時(shí),由于毛細(xì)管較大的變形,在恢復(fù)時(shí)會(huì)將空氣帶入管內(nèi),產(chǎn)生氣泡,限制了操作液滴的穩(wěn)定分配。

除了電壓幅值,脈沖寬度也是影響液滴形成的重要因素,在脈沖電壓幅值為80 V的情況下,圖7為脈沖寬度對(duì)分配液滴體積的影響。隨著脈沖寬度的增大,液滴的體積增大,其變化率在初始階段較小,且沒有額外液滴出現(xiàn)(0.45 ms),當(dāng)脈沖寬度增大至1.55 ms后,體積變化率加快,且會(huì)出現(xiàn)較多的額外液滴。

圖7 脈沖寬度對(duì)液滴體積的影響

在輔助液滴的釋放進(jìn)程中,若液滴較大則會(huì)包裹釋放后的微對(duì)象并發(fā)生移動(dòng),破壞釋放精度。為了提高釋放的精確性,需獲取較小體積的輔助液滴,由此進(jìn)一步分析了該分配器的最小液滴獲取能力。

上述分析可知,液滴的形成是多參數(shù)復(fù)合作用的結(jié)果,驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓幅值和脈沖寬度均影響輔助液滴的獲取能力。圖8為不同電壓幅值下最小液滴的體積變化及其對(duì)應(yīng)的脈沖寬度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:不同電壓幅值下的最小液滴體積的平均值約為3.5 nL,相應(yīng)地獲取最小液滴的脈沖寬度則隨著電壓幅值的增大而減小,且在初始階段的變化速度較快,然后趨向平緩。

圖8 最小液滴的獲取能力

3.3 微對(duì)象輔助釋放實(shí)驗(yàn)

通過對(duì)壓電微噴分配器輔助液滴獲取能力的實(shí)驗(yàn)分析表明,相對(duì)于噴霧式的多液滴無規(guī)則分配和浸潤式探針的被動(dòng)液滴獲取,所設(shè)計(jì)的分配器可實(shí)現(xiàn)毛細(xì)力輔助單液滴的非接觸式主動(dòng)分配,并可動(dòng)態(tài)控制分配液滴的大小。在此基礎(chǔ)上,利用研制的分配器對(duì)輔助釋放任務(wù)進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。圖9為微對(duì)象輔助釋放進(jìn)程,測試的微對(duì)象是直徑為200 μm的錫球和聚苯乙烯微球。

(a)黏附 (b)液滴分配 (c)釋放

(d)液橋蒸發(fā) (e)液橋消失 (f)聚苯乙烯微球圖9 微對(duì)象輔助釋放進(jìn)程

采用真空吸附的方式拾取微球?qū)ο?關(guān)于真空吸附的黏著問題已在前述工作中進(jìn)行了研究[15],由于微尺度下黏著力的主導(dǎo)作用,微對(duì)象在拾取后不能自然脫落,如圖9a所示。在此基礎(chǔ)上,利用研制的分配器在待釋放位置分配輔助液滴,如圖9b所示。將直徑為200 μm的錫球微對(duì)象移至待釋放位置區(qū)域,并與輔助液滴接觸,依靠微對(duì)象與輔助液滴形成的液橋力可克服微對(duì)象與操作工具間的黏著力,實(shí)現(xiàn)黏著微對(duì)象的釋放,如圖9c所示。微對(duì)象釋放后,輔助液滴逐漸蒸發(fā),如圖9d所示,直至完全消失干凈(見圖9e),可避免輔助液滴對(duì)微對(duì)象的表面污染?；谕瑯拥牟僮鞑呗?對(duì)直徑為200 μm的聚苯乙烯微球也進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn),均可實(shí)現(xiàn)可靠釋放,如圖9f所示。操作實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了所研制的分配器對(duì)微對(duì)象柔順輔助釋放任務(wù)的有效性,為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析輔助釋放性能奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

本文基于壓電微噴的方法實(shí)現(xiàn)微對(duì)象輔助釋放中操作液滴的獲取,設(shè)計(jì)了壓電微噴輔助液滴的分配器,根據(jù)分配器的流體路徑,建立了多物理場的壓電微噴耦合模型。理論和仿真結(jié)果表明,噴嘴出口流速大于2.39 m/s時(shí)該分配器可實(shí)現(xiàn)單個(gè)液滴形成,驅(qū)動(dòng)電壓的幅值越大越有助于液滴的獲取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可實(shí)現(xiàn)單液滴的非接觸式分配,驅(qū)動(dòng)電壓的幅值和脈沖寬度對(duì)分配液滴的體積有較大影響,控制參數(shù)的復(fù)合作用可獲取不同體積的輔助液滴。調(diào)節(jié)不同電壓幅值下的脈沖寬度,該分配器可實(shí)現(xiàn)3.5 nL最小液滴的分配。輔助釋放測試實(shí)驗(yàn)表明,借助所研制的分配器可實(shí)現(xiàn)直徑為200 μm的錫球和聚苯乙烯微球的順利釋放,為柔順微操作機(jī)器人系統(tǒng)的集成和輔助釋放精度的進(jìn)一步研究提供了基礎(chǔ)保障。

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(編輯 荊樹蓉)

Multi-Physics Coupling Analysis and Experiments on Piezoelectric Micro-Jet of Auxiliary Droplets

FAN Zenghua1,2,RONG Weibin2,WANG Lefeng2,SUN Lining2

(1. School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo, Shandong 255049, China;2. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

To satisfy the manipulation requirement of auxiliary droplets release aiming at micro-objects, a droplet dispensing method based on piezoelectric drive is presented. The dispenser of piezoelectric micro-jet, which employs piezoelectric actuator to achieve non-contact dispensing, is designed. Accordingly, the formation condition of single droplet is analyzed. Subsequently, a multi-physics coupled model of piezoelectric micro-jet, including piezoelectric device model, fluid-solid interaction model, laminar flow model, and two-phase flow model, is established to simulate the process of droplets formation and analyze the factors affecting the droplet formation capacity. Experimental tests were conducted on a customized micromanipulation platform to verify the performance of the micro-dispenser. Experimental results indicate that the droplet volume increases with the driving voltage and pulse width. Meanwhile, the single droplet forms more easily with higher driving voltage and larger pulse width, and the results are consistent with simulation. Through the comprehensive adjustment of control parameters, the minimum drop volume of 3.5 nL, which is sufficient for micro-object auxiliary release, can be obtained using the designed micro-dispenser. The feasibility of the proposed method and the fabricated micro-dispenser were verified by the manipulation of tin and polystyrene microspheres with a diameter of 200 μm.

micromanipulation; piezoelectric drive; micro-jet; droplet; multi-physics

2016-05-12。 作者簡介:范增華(1986—),男,講師;榮偉彬(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51521003);機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))自主研究課題(SKLRS201602C)。

時(shí)間:2016-07-18

10.7652/xjtuxb201611009

TP24

A

0253-987X(2016)11-0056-06

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