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CN112495675B - 基于多源激振的高通量微液滴发生装置 - Google Patents

基于多源激振的高通量微液滴发生装置 Download PDF

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CN112495675B CN202011163897.1A CN202011163897A CN112495675B CN 112495675 B CN112495675 B CN 112495675B CN 202011163897 A CN202011163897 A CN 202011163897A CN 112495675 B CN112495675 B CN 112495675B
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Abstract

本发明提供了基于多源激振的高通量微液滴发生装置，利用多个声振源产生会聚叠加的声波信号作用于微米级的小孔附近，使经小孔喷射出的液体射流受到扰动，由于瑞利失稳现象而断裂形成小液滴，并且能够消除液滴队列中的卫星液滴。设置声透镜结构，使声振源产生的声波信号能更集中地会聚叠加；声透镜将压力液体容腔内的液体和声振源的激振元件隔离开来，可以防止激振元件受损；压力液体容腔和声透镜与液体接触的表面采用产生污染物少的材料以适应高洁净度场合；同时利用本发明提供的液滴发生装置，向多个声振源分别提供不同频率的正弦波形激励信号，声振源产生的声波信号也是正弦波形，便于修改波形参数以获得对液滴形态更好的操控效果。

Description

基于多源激振的高通量微液滴发生装置
技术领域
本发明涉及液滴发生装置技术领域，特别是涉及一种基于多源激振的高通量微液滴发生装置。
背景技术
射流的瑞利失稳是一种界面流体力学原理，指射流在给定频率的振动扰动下，会自动断裂成和给定频率一致的液滴。基于射流瑞利失稳的微液滴发生装置，能产生频率、尺寸、液滴间距可调节的微米级的液滴，并且特别适用于例如通量超过10000滴/秒的高通量液滴需求场合，在工业中有广泛的应用，如喷墨打印、生物制药、增材制造及产生EUV光刻机光源靶滴等。
现有的微液滴发生装置大多采用单激振源内置式，即利用扰动杆将压电陶瓷产生的扰动引导至容腔内靠近喷嘴的位置，为射流提供引发瑞利失稳的声压扰动，并将扰动杆设计成变幅杆结构，提高扰动的幅值。但这种设计只能在特定的频率下使用，若要调节液滴频率并保证液滴性能优良，需更换变幅杆结构设计，不方便操作使用。另外，由于单一激振源的频率响应固定，激发的扰动波形也难以控制，限制了液滴的调控效果；比如，单一的正弦波扰动往往会使射流断裂后在主液滴间形成卫星液滴，合理地调整扰动的波形能赋予卫星液滴一个相对于主液滴的相对速度，使卫星液滴与主液滴很快融合，从而抑制卫星液滴出现。
专利CN 103064260 A(一种用于极紫外光刻机光源的锡液滴靶产生装置)采用单激振源变幅杆结构为液滴发生器提供扰动，使用频率受限，扰动波形不方便调控；专利CN101879493 A(超声波聚焦液体喷雾器)采用声聚焦作为雾化的扰动源，单一激振源扰动模式单一，且属于雾化器，不属于瑞利式液滴发生器，无法产生单排均布液滴；专利CN107051805 A(一种多激励振动的液滴发生器装置)采用了多激励扰动，激励部件为受电激发振动片，振动片直接接触射流，不适用于高温高粘等复杂环境，且扰动的叠加方式不可预测；专利CN 108295915 A(一种控制射流断裂与液滴生成的方法及装置)采用调制波控制主液滴与卫星液滴的融合，激励方式为电场非接触扰动，其适用性受流体电特性限制。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于多源非接触激振的高通量微液滴发生装置，其能在较宽的频率范围内产生高通量的微液滴，且能通过调整扰动的波形方便调控液滴的形态，适用于各种复杂环境和流体。为达到此目的，本发明的扰动传播及放大组件利用非接触式声聚焦技术，采用平凹声透镜结构，并设置多个激振源。受电激振单元(此处为压电陶瓷)与射流流体非接触，扰动以球面声波形式传播至喷嘴处，提高了复杂环境的适用性。喷嘴位于声透镜的声焦点处，声透镜的聚焦作用将压电陶瓷产生的扰动聚焦放大，使得在较宽的频率范围内都能产生较大幅值的扰动，从而提高液滴发生器的频率调节范围。多个激振源的扰动在焦点处叠加，叠加的扰动波形可通过调整每个激振源的参数方便调节，从而可方便调控产生的液滴的形态，如抑制卫星液滴的出现。
本发明包括液体供给组件、压力液体容腔、喷头和激励组件；所述液体供给组件用于向所述压力液体容腔补充液体并维持液体相对于容腔外部环境的正压；所述喷头设置于压力液体容腔的壁面，喷头具有直径在1微米至1000微米的小孔；所述激励组件包括两个或两个以上声振源，每个声振源均包括激振元件和声透镜，声透镜为凹面结构；声透镜的声焦点均位于喷头的小孔处。
进一步的，所述两个或两个以上声透镜的凹面共面于同一个球面。
进一步的，所述喷头包括孔板，孔板上具有小孔，孔板与所述压力液体容腔间具有密封圈，使用压紧端盖将孔板和密封圈压紧在压力液体容腔壁面上。
作为优选，所述压力液体容腔的内壁面使用高洁净度不锈钢或含氟树脂材料。
作为优选，所述声透镜采用石英玻璃材料。
作为优选，所述声振源的激振元件是压电陶瓷堆叠。
进一步的，还包括压力传感器以监测所述压力液体容腔内部的液体压力；还包括温度传感器以监测所述压力液体容腔内部的液体温度。
作为优选，所述小孔的直径在10微米至100微米之间。
进一步的，所述的多个所述声振源分别接收不同频率的正弦波形激励信号。
本发明提供了基于多源激振的高通量微液滴发生装置，利用多个声振源产生会聚叠加的声波信号作用于微米级的小孔附近，使经小孔喷射出的液体射流受到扰动，由于瑞利失稳现象而断裂形成小液滴；利用声波作为扰动信号施加于液体流产生液滴，适用于包括高温、高粘或者绝缘等性质液体在内的广泛的应用场合；多个声振源可以产生具有不同频率等特征的声波，叠加后作用于小孔，可以消除射流断裂产生的卫星液滴，并使装置产生液滴的尺寸和数量得以更精确地控制；设置声透镜结构，使声振源产生的声波信号能更集中地会聚叠加；声透镜将压力液体容腔内的液体和声振源的激振元件隔离开来，可以防止激振元件受损；压力液体容腔和声透镜与液体接触的表面采用产生污染物少的材料以适应高洁净度场合；设置压紧结构固定孔板以便于更换不同尺寸的孔板。
利用本发明提供的液滴发生装置，向多个声振源分别提供不同频率的正弦波形激励信号，声振源产生的声波信号也是正弦波形，便于修改波形参数以获得对液滴形态更好的操控效果。
附图说明
图1为微液滴发生装置结构示意图；
图2为声波扰动传播示意图；
图3为单个激振源的声路聚焦示意图；
图4为射流在单一正弦激励下断裂成液滴的示意图；
图5为射流在多源谐波激励下断裂成液滴的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1和图2所示，本发明涉及的一种基于多源激振的高通量微液滴发生装置，包括液体供给组件LS、压力液体容腔CH、喷头SP和激励组件ST。液体供给组件LS包括低脉动平流泵1、高精度压控阀2。低脉动平流泵1为腔体供给液体，高精度压控阀2调节腔体液体压力，从而可调节射流速度，控制液滴的尺寸和间距。压力液体容腔CH包括上盖板3、腔体4、下盖板5，上、下盖板和腔体之间用螺栓连接，并用密封垫片密封，用于存储液体并给其他组件提供安装结构，压力液体容腔的内壁面使用高洁净度不锈钢或含氟树脂等产生污染物少的材料。喷头SP采用孔板式喷嘴结构，包括压紧端盖6、孔板7、密封圈8，压紧端盖6将孔板7压紧在下盖板5上，并给密封圈8提供预紧力，孔板7采用硬质薄板材质，经飞秒激光等工艺加工出微米级(1～1000微米)的贯穿小孔9，腔体中的液体经孔板的小孔9射出，产生微米级直径的射流，射流直径和小孔直径一致，所述结构方便拆卸，可方便更换不同尺寸的孔板7，调节射流的直径，从而控制液滴的尺寸；过大的小孔9需要配合高功率大体积的声振源20，过小的小孔9不便于加工，优选地，所述小孔9直径在10微米至100微米之间。激励组件ST包括信号发生器10、功率放大器11和多个声振源20，每个声振源20包括如压电陶瓷堆叠12的激振元件、背衬13以及声透镜15；信号发生器10产生设定频率的正弦波信号，经功率放大器11放大功率后连接至压电陶瓷堆叠12，压电陶瓷堆叠12将电信号转化为振动信号，背衬13用于减少能量耗散；声透镜15为凹面结构，用于放大声波14，其材质为石英玻璃以避免产生污染物，声透镜15将压电陶瓷堆叠12与腔内液体隔开，以避免如EUV光刻机光源靶滴发生装置中高温的液态锡损坏压电陶瓷堆叠12；压电陶瓷堆叠12产生的平面波形式的振动信号转化为球面波形式的声波14并在声透镜15的声焦点处会聚，声焦点处的声压最高；所述多个声透镜15的凹面与同一个球面共面，使各个声透镜15与小孔9的距离相等，便于计算声波信号叠加时的相位计算；设置孔板7的小孔9位于声透镜15的声焦点处；每个声振源20使用信号发生器10和功率放大器11的不同通道单独控制；多个声振源20产生的声波14在孔板7处叠加，并且多个声透镜15的声焦点在小孔9处重叠。设置传感器16以监测压力液体容腔CH内部的压力或者温度，监测压力液体容腔CH内部压力并进行反馈控制可以调节小孔9处喷射的射流流量以及随后产生的液体数量，监测压力液体容腔CH内部温度并进行反馈控制适用于EUV光刻机光源靶滴发生装置，该装置内部需要加热以将锡熔化为液态。
如图3、图4和图5所示，使用本发明装置时，操作液体供给组件LS，使得压力液体容腔CH内液体压力稳定，此时孔板7的小孔9喷出直径和孔径一致的射流；开启信号发生器10和功率放大器11，向声振源20A输入单一频率f的正弦波形激励信号；声振源20A的压电陶瓷堆叠12振动产生声波14，经声透镜15聚焦传播至小孔9处；射流在声波14的激发下发生瑞利失稳现象，断裂成液滴17，产生液滴个数的频率为f。图4示出了声波14的一种波形和射流断裂成液滴17的示意图；在单一正弦激励信号下，主液滴18之间往往存在不期望的卫星液滴19，激励频率较低时，主液滴18间距较大，主液滴18间可能会出现两个卫星液滴19；调节向声振源20A输入激励信号的频率，可控制液滴的频率，但是信号频率f应避开结构的特征频率，使其避免成为功率超声组件导致射流雾化，射流雾化后产生的液滴尺寸、数量和运动轨是无法控制的；如图5所示，向声振源20B输入单一频率2f的正弦波形激励信号，声振源20B产生声波信号并且与声振源20A产生的声波信号在小孔9处叠加；调节声振源20A和20B的激励信号幅值A1,A2和相位差φ，可以调节叠加谐波激励信号21的波形，可以使卫星液滴19产生趋向于主液滴18的运动20，产生这一现象的原理可以参考文献“The NonlinearCapillary Instability of a Liquid Jet,K.C.Chaudhary and T.Maxworthy,J.FluidMech.(1980)”；进一步地，可以向声振源20C输入单一频率3f的正弦波形激励信号，声振源20C产生声波信号并且与声振源20A和20B产生的声波信号在小孔9处叠加，从而实现更精细的、适用范围更广卫星液滴行为控制，例如液滴间距较大而频率f较小的情况。上述工作过程中声振源20A、20B和20C的激励信号的正弦波形及其频率f、2f和3f仅作为一种实施例提出，并不是要限制各声振源20的激励信号的波形或者其频率的相对大小或者倍数关系必须如此设置。
在本发明位置关系描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.基于多源激振的高通量微液滴发生装置，其特征在于：包括液体供给组件、压力液体容腔、喷头和激励组件；所述液体供给组件用于向所述压力液体容腔补充液体并维持液体相对于容腔外部环境的正压；所述喷头设置于压力液体容腔的壁面，喷头具有直径在1微米至1000微米的小孔；所述激励组件包括两个以上声振源，每个声振源均包括激振元件和声透镜，声透镜为凹面结构；声透镜的声焦点均位于喷头的小孔处；各个声振源的声波叠加后形成扰动，作用于喷头的小孔附近。
2.如权利要求1所述的基于多源激振的高通量微液滴发生装置，其特征在于：所述两个以上声透镜的凹面共面于同一个球面。
3.如权利要求1所述的基于多源激振的高通量微液滴发生装置，其特征在于：所述喷头包括孔板，孔板上具有小孔，孔板与所述压力液体容腔间具有密封圈，使用压紧端盖将孔板和密封圈压紧在压力液体容腔壁面上。
4.如权利要求1或3所述的基于多源激振的高通量微液滴发生装置，其特征在于：所述压力液体容腔的内壁面使用高洁净度不锈钢或含氟树脂材料。
5.如权利要求1或2所述的基于多源激振的高通量微液滴发生装置，其特征在于：所述声透镜采用石英玻璃材料。
6.如权利要求1所述的基于多源激振的高通量微液滴发生装置，其特征在于：所述声振源的激振元件是压电陶瓷堆叠。
7.如权利要求1所述的基于多源激振的高通量微液滴发生装置，其特征在于：还包括压力传感器以监测所述压力液体容腔内部的液体压力。
8.如权利要求1所述的基于多源激振的高通量微液滴发生装置，其特征在于：还包括温度传感器以监测所述压力液体容腔内部的液体温度。
9.如权利要求1所述的基于多源激振的高通量微液滴发生装置，其特征在于：所述小孔的直径在10微米至100微米之间。
10.如权利要求1所述的基于多源激振的高通量微液滴发生装置，其特征在于：多个所述声振源分别接收不同频率的正弦波形激励信号。
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