壓電驅(qū)動撞針式高黏性液體微量分配技術(shù)研究.pdf

1、各類液體材料的快速、微量、精確分配操作，是生命科學、微電子、快速制造等領(lǐng)域?qū)嶒灢僮髦胁豢苫蛉钡募夹g(shù)手段。尤其近幾年來來，隨著各領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，實驗中需要分配的液體種類越來越多，尤其一些高粘度、難分配的液體材料不斷成為研究對象，而需要的液體劑量不斷減小，要求的分配速度不斷提高。此時，微量高黏性液體材料的快速、精確分配成為影響液體應用領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，這使得研究能夠?qū)Ω哒扯纫后w進行微量分配操作的技術(shù)和設(shè)備，具有十分重要的意義。

2、r>　　本文面向各類液體應用領(lǐng)域?qū)Ω唣ば砸后w材料的分配需求，針對微量高黏性液體不易分配的問題，開展將壓電驅(qū)動和撞針式噴射原理相結(jié)合的壓電驅(qū)動撞針式微量分配方法的研究，研制了面向高黏性液體微量分配的壓電驅(qū)動撞針式噴射閥，開發(fā)了包含該噴射閥、驅(qū)動模塊、運動平臺和人機接口模塊的一套微噴系統(tǒng)，實現(xiàn)了對微量高黏性液體的快速、精確、靈活分配，滿足了相關(guān)領(lǐng)域的分配需求。
　　為了保證在壓電驅(qū)動撞針式分配模式下，具有不同粘度和體積的微量高黏性液滴

3、能夠穩(wěn)定地從噴嘴端部脫離，本文對液滴的形成和脫離過程進行了研究。首先，基于量綱分析和π定理得到對液滴形成和脫離過程具有重要影響作用的若干無量綱參數(shù)(韋伯數(shù)、雷諾數(shù)、奧內(nèi)佐格數(shù)等)；然后，在CFD軟件 Fluent中，利用上述無量綱參數(shù)研究了系統(tǒng)參數(shù)對液滴形成和脫離過程的影響，得到了液滴形成并從噴嘴端部脫離的三個條件：1)分配不同粘度液體時，需調(diào)控分配系統(tǒng)參數(shù)（如噴嘴半徑、分配壓力與速度等），將奧內(nèi)佐格數(shù)、雷諾數(shù)等無量綱參數(shù)控制在合理范圍

4、內(nèi)，方能形成穩(wěn)定的液滴；2)液滴脫離時間與粘度成正比，且分配脈沖的間隔時間與脫離時間的比值需大于1.4，方能保證液滴順利脫離；3)單次可分配的最小體積與韋伯數(shù)成反比，且不小于與噴嘴等半徑的球體體積；最后，利用搭建的壓電驅(qū)動撞針式微噴平臺對不同粘度的液體進行了分配實驗，驗證了理論分析結(jié)果的可靠性，指導了壓電驅(qū)動撞針式微噴系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)控和優(yōu)化。
　　為了研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制參數(shù)對不同粘度液體的分配體積與速度等的影響規(guī)律，指導壓電驅(qū)動撞針

5、式微噴系統(tǒng)的設(shè)計和控制，基于鍵合圖理論，構(gòu)建微噴系統(tǒng)的動力學模型；通過 Matlab仿真分析和實驗，研究了如閥體內(nèi)液流通道的結(jié)構(gòu)和尺寸、氣壓、電壓、粘度等參數(shù)對液體分配過程的影響，得到了分配速度和液滴體積的預測公式；結(jié)合考慮液滴形成和脫離的條件，通過劃分液體粘度梯度，確定了適合不同梯度內(nèi)液體分配的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)控范圍。研究結(jié)果對確定噴射閥關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和尺寸，調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)等具有指導意義。
　　為了實現(xiàn)微量高黏性液體材料的精確、靈活

6、、快速分配操作，構(gòu)建了基于模糊自適應 PID的微量預分配控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用精密天平秤取液滴質(zhì)量來獲取液滴尺寸信息，并以此作為控制系統(tǒng)反饋量，能夠在經(jīng)過較少次數(shù)的預分配試驗后，獲取未知粘度液體分配的微噴系統(tǒng)控制參數(shù)。
　　在以上研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了壓電驅(qū)動撞針式高黏性液體微量分配系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由噴射閥、噴射閥驅(qū)動模塊、運動平臺和人機接口模塊構(gòu)成。該噴射閥利用壓電致動器帶動撞針上下往復振動，利用高壓空氣驅(qū)動高黏性液體沿閥體內(nèi)通道流

7、動，以此實現(xiàn)對液滴分配狀態(tài)的控制；噴射閥驅(qū)動模塊能夠產(chǎn)生并放大壓電致動器驅(qū)動電壓信號、氣壓調(diào)整信號；運動平臺模塊可承載基板沿規(guī)劃的路線運動，實現(xiàn)了對液滴墜落位置的控制；人機接口程序模塊實現(xiàn)了人機交互，可對各項控制參數(shù)進行設(shè)置。
　　基于上述噴射閥和控制系統(tǒng)，利用多種不同粘度的液體材料進行微量分配實驗，對微噴系統(tǒng)的性能進行測試。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)分配速度可達到200個液滴/秒，可獲取的最小液滴體積為0.055?L，分配精度在8％(C