壓電驅(qū)動(dòng)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(xué)、微電子、快速制造等領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)操作中不可或缺的技術(shù)手段。尤其近幾年來(lái)來(lái)，隨著各領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)中需要分配的液體種類越來(lái)越多，尤其一些高粘度、難分配的液體材料不斷成為研究對(duì)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(shí)，微量高黏性液體材料的快速、精確分配成為影響液體應(yīng)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(jìn)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(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω唣ば砸后w材料的分配需求，針對(duì)微量高黏性液體不易分配的問(wèn)題，開(kāi)展將壓電驅(qū)動(dòng)和撞針式噴射原理相結(jié)合的壓電驅(qū)動(dòng)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(dòng)撞針式噴射閥，開(kāi)發(fā)了包含該噴射閥、驅(qū)動(dòng)模塊、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和人機(jī)接口模塊的一套微噴系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(dòng)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(duì)液滴的形成和脫離過(guò)程進(jìn)行了研究。首先，基于量綱分析和π定理得到對(duì)液滴形成和脫離過(guò)程具有重要影響作用的若干無(wú)量綱參數(shù)(韋伯?dāng)?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(wú)量綱參數(shù)研究了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)液滴形成和脫離過(guò)程的影響，得到了液滴形成并從噴嘴端部脫離的三個(gè)條件：1)分配不同粘度液體時(shí)，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(wú)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(shí)間與粘度成正比，且分配脈沖的間隔時(shí)間與脫離時(shí)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?dāng)?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(dòng)撞針式微噴平臺(tái)對(duì)不同粘度的液體進(jìn)行了分配實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的可靠性，指導(dǎo)了壓電驅(qū)動(dòng)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(duì)不同粘度液體的分配體積與速度等的影響規(guī)律，指導(dǎo)壓電驅(qū)動(dòng)撞針

5、式微噴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制，基于鍵合圖理論，構(gòu)建微噴系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型；通過(guò) Matlab仿真分析和實(shí)驗(yàn)，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(duì)液體分配過(guò)程的影響，得到了分配速度和液滴體積的預(yù)測(cè)公式；結(jié)合考慮液滴形成和脫離的條件，通過(guò)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(duì)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(dǎo)意義。
　　為了實(shí)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(yīng) PID的微量預(yù)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(lái)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(guò)較少次數(shù)的預(yù)分配試驗(yàn)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(kāi)發(fā)了壓電驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和人機(jī)接口模塊構(gòu)成。該噴射閥利用壓電致動(dòng)器帶動(dòng)撞針上下往復(fù)振動(dòng)，利用高壓空氣驅(qū)動(dòng)高黏性液體沿閥體內(nèi)通道流

7、動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴分配狀態(tài)的控制；噴射閥驅(qū)動(dòng)模塊能夠產(chǎn)生并放大壓電致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)、氣壓調(diào)整信號(hào)；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊可承載基板沿規(guī)劃的路線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液滴墜落位置的控制；人機(jī)接口程序模塊實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，可對(duì)各項(xiàng)控制參數(shù)進(jìn)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(jìn)行微量分配實(shí)驗(yàn)，對(duì)微噴系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)分配速度可達(dá)到200個(gè)液滴/秒，可獲取的最小液滴體積為0.055?L，分配精度在8％(C