基于超声振动的微液滴生成装置设计与实验研究

吴必成+姚志远

摘 要 设计了一种基于V型直线超声电机驱动的微液滴生成装置用于制备具有微米级尺寸的微液滴。此装置由基于V型直线超声电机驱动的微液滴生成部件、基于V型直线超声电机的三维位移控制平台和基于压电振子的微液滴分离部件组成。其中，生成部件包含超声电机、医用注射器、硅胶软管和自制的玻璃基微喷嘴。利用控制器驱动直线超声电机高精度地移动，由滑台推动注射器，在玻璃基喷嘴尖端产生附着的微小液滴； 再利用压电振子激发杆状喷嘴的固有振型，使得附着的液滴克服粘性力从微喷嘴尖端分离，落在一定的范围内， 并计算生成的球形微液滴的半径。以蒸馏水作为初始液体，探究此装置生成的微液滴的特性。研究结果表明，蒸馏水在直线电机的精密驱动下，在微喷嘴尖端形成附着的球冠状液滴。通过分离部件的振动，附着的液滴克服自身的粘性力从喷嘴尖端分离， 形成球形液滴，通过测量得出此装置生成的球形液滴的半径小于40 μm。

关键词 超声电机； 压电振子； 微喷嘴； 微液滴

1 引 言

微尺度下的液滴成形技术[1～5]在喷墨打印、增量制造和3D打印、药物研发等领域有着广泛的应用，相关研究受到了研究者的关注。从20世纪90年代开始，微液滴成形技术已经被应用于医学与生物工程中。当生物信息分子作为原材料时，通过微液滴生成技术可以制作生物芯片[6～7]。

2009年张鸿海等[8]提出了一种气动膜片式微液滴生成技术，以压缩气体为驱动源，通过电磁阀通断了控制流体形成射流，并使射流颈缩分离形成液滴。此种方法获得的最小球体的直径为85 μm。2014年薛光怀等[9]提出了一种压电式喷头以研究微液滴喷射成形技术， 对微液滴喷射的压电信号参数和喷枪结构进行优化，模拟了液滴形成的过程。先进的微液滴制造系统要突破三项关键的技术。首先是如何制造出内径为微米级的玻璃基喷嘴。生成的微液滴的直径受喷嘴尖端内径的影响较大。目前被广泛采用的方法是加热大尺寸的玻璃管，通过拉伸玻璃管使玻璃管收缩，在拉伸的断面形成微小内径的喷嘴[10]。關键技术之二是微液滴的生成与精密控制进给量。采用高精度的直线超声电机[11～13]可以有效地控制生成部件的驱动位移量，使得微液滴在微喷嘴的尖端生成且不会形成喷射。关键技术之三是使得尖端生成的微液滴克服液体的粘性力，从尖端分离出来，落在可控的位置内。液体的粘度会对喷射效果产生影响。喷射时，喷射能转化为液滴的动能，还伴随着液体的粘滞耗散和克服液体表面张力的能量，因此，微液滴生成系统要克服液体的粘性力，使生成的微液滴分离。陈九生等为了克服液体的粘性力，总结了近期的微流控液滴技术，考察了水动力法、电动法、气动法、光控法等微液滴生成方法[14]， 并对分离生成的微液滴的位置进行评估，使其落在可控的范围内。

本研究设计并制作了一种基于直线超声电机驱动的微液滴生成装置。其中，驱动和推进微液滴生成的部件采用V型直线超声电机和相应的控制器，该直线超声电机的位移分辨率为50 nm，使得微液滴成形时的体积变化在微米尺度内。通过仿真分析了压电振子的振动模态，使得微液滴克服粘性力从喷嘴处分离并落在可控范围内， 测量并计算了生成的微液滴的体积。研究结果表明， 此装置能生成直径小于40 μm的微液滴，并落在可控范围内。

2 微液滴生成装置的整体设计

2.1 装置的总体设计与组装

该装置分为3个组成部分，分别为基于V型直线超声电机驱动的微液滴生成部件、基于V型直线超声电机的三维位移控制平台和基于压电振子的微液滴分离部件。其中，所用的V型直线超声电机为南京航空航天大学研制的60Lumv直线超声电机。该电机的定位控制的分辨率在50 nm之内，行程为60 mm，最大推力为50 N。电机额定功率为16 W，速度范围为80～800 mm/s。直线超声电机由定子、夹持件、预压力调节件和底座组成。定子通过支夹持件固定在外框上，并通过预压力调节件调节预压力。整体装置的实物图如图1A所示。

2.2 微液滴生成部件

微液滴生成部件以V型直线超声电机为基础，依次装配医用注射器、鲁尔接头、硅胶软管、玻璃基喷嘴。组成微液滴生成部件。其中，注射器由江西洪达医疗器械集团有限公司制造。此注射器的容积为1 mL， 其内径为4.60 mm。注射器被固定在夹具上，注射端与直线超声电机的导轨固连。如图1B所示。

玻璃基喷嘴采用的是基于激光加热的玻璃基毛细管拉伸装置拉制出的通道。拉制的玻璃管由华西医科大学仪器厂生产，其材质为硬质中性玻璃，内径为0.3 mm，外径为0.6 mm，管长100 mm。如图2所示，拉制后的玻璃管尖端内径为3.25 μm。拉制后的成品被定义为玻璃基喷嘴，其与硅胶软管的另一端过紧密配合无间隙。

2.3 三维位移控制平台

三维位移控制平台由二维自由度平台和升降平台装配而成。二自由度平台由两个单自由度平台用螺栓固定连接而成，分别驱动两个移动自由度，每个平台均由一个V型直线超声电机驱动，可连续驱动或单步驱动，连续驱动用于大位移移动，单步驱动用于精细调整。其优点在于模块化程度高，每个部分均有很高的可替换性。同时，其驱动精度很高，最小位移分辨率为50 nm。每个电机的行程为100 mm。升降平台的行程为60 mm。将XY平面内的二自由度平台和Z轴方向的升降平台用螺栓固定连接，形成三维位移控制平台。该三维位移控制平台的运动范围为100 mm×100 mm×60 mm的长方体运动空间，且XY平面内的最小的步进移动距离为50 nm。

2.4 微液滴分离部件

微液滴分离部件由固定底板、弹簧和压电振子组装而成。其中，压电振子是最为重要的部分。该振子由上端盖、压电陶瓷片、铜片、中间夹持、下端盖和M4螺栓组装而成。振子由DG1032Z信号发生器（RIGOL公司）和HFVA153系列信号放大器（南京佛能科技实业有限公司）驱动。信号发生器产生正弦信号，并通过信号放大器激励压电振子振动。将玻璃基喷嘴用环氧树脂胶固定在下端盖的圆柱处，喷嘴上端与硅胶软管密封连接，如图3所示。微液滴分离部件被固定在三维位移控制平台的升降平台上。

2.5 壓电振子与喷嘴的模态分析

利用ANSYS公司的仿真分析软件ANSYS Workbench15.0对微液滴分离部件进行模态分析，确定可行的振动模态。设定分析频率范围为20～60 kHz。经过分析， 在此范围内有5个振动模态，分别为24256、24516、27728、28214和29848 Hz。对各模态下的喷嘴尖端的运动状态进行分析，选取频率为29848 Hz的振动模态，在此模态下，喷嘴的振型被激发。当微液滴附着在喷嘴尖端时，需要克服液体的粘性力，从尖端分离出来，落在可控的位置内。信号放大器控制正弦信号的强度幅值。对于该压电振子，当激励电压小于400 V时，喷嘴尖端的振幅与激励电压的幅值成正比。在实际应用中，当电压的幅值足够大时，喷嘴尖端的微液滴能够克服粘性力，从尖端落下。

3 微液滴成形体积计算与实验

3.1 微液滴生成的体积变化分析

在微液滴生成部件中，预先在注射器中注入液体。在实验中，选择常温的蒸馏水作为研究对象。将生成部件装配后，在显微镜下观察液滴生成时的体积变化。当直线超声电机精密推进时，在喷嘴尖端形成球冠状液滴。此时，当电机前进一个最小步距l=50 nm时，显微镜下观察到球冠状液滴变大。通过电机的最小步距l=50 nm的精密驱动，微液滴可以附着在喷嘴尖端。相反地，当电机后退一个最小步距，球冠状液滴会变小，即电机的运行可以有效地控制附着液滴的体积。液滴的变化如图4所示。

4 结 论

本研究建立了一种基于超声振动的微液滴生成装置，此装置结构简单，采用自主拉制的玻璃基微通道作为微喷嘴。利用压电振子和喷嘴的振动使得附着液滴克服粘性力从喷嘴尖端落下，且散落的夹角在合适的范围内。以三维控制平台为基础，为喷嘴提供100 mm×100 mm×60 mm的长方体运动空间，且XY平面内的位移分辨率为50 nm，可以将液滴生成至特定的范围内。以蒸馏水为实验对象，生成的液滴附着在载物台上，将其等效为球形微液滴，推算得球形液滴的半径均小于40 μm，半径的相对标准偏差为9.4%，进一步减小了微液滴的生成尺寸。此装置将可用于其它液体生成微米级微液滴。

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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