一种基于气流加速的微小液滴发生装置

1.本发明属于液滴产生领域的一种液滴发生装置，具体涉及了一种基于气流加速的微小液滴发生装置。


背景技术：

2.工业、技术和医学中至关重要的过程(例如晶圆清洗、喷墨打印、药物输送、增材制造及产生euv光刻机光源靶滴等)都依赖于稳定的微液滴产生，同时产生的液滴应尽可能精细、均匀、单分散、可重复和可控。常用的液滴发生机构包括雾化器、通过一定的压力挤出液滴以及利用瑞利失稳产生液滴。瑞利失稳是一种界面流体力学原理，指射流在给定频率的激振下，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机构，能产生频率、尺寸、液滴间距可调节的微米级的液滴。
3.现有的液滴产生器，专利cn100541709c公开了一种液滴发生器系统用于晶圆清洗，该液滴发生器使用气体将处理液击碎雾化，能生成每分钟108个/平方毫米以上的液滴，但是液滴尺寸分散性大，可控性差。专利cn102057468a公开了一种通过预设频率、流体流量、压力等参数，产生液滴尺寸均匀、稳定的多孔液滴发生系统，喷出孔的直径在7um以上且12um以下的范围，能产生15um以上且200um以下的液滴，并且液滴直径的分布以3σ(σ为标准偏差)表示处于平均液滴直径的10％以下。但是该装置由于使用的喷出孔直径较小，极易发生堵塞，且产生的液滴尺寸要大于孔尺寸。


技术实现要素：

4.为克服背景技术中存在的技术缺陷，本发明提供了一种基于气流加速的微小液滴发生装置，在一定的物理参数和几何结构范围内，从大孔中喷射的射流在层流加速气流中可以形成一个完全稳定的更小尺寸的微小液体射流，该微观液体射流受到压电陶瓷堆叠产生的扰动影响，在瑞利不稳定性的作用下最终断裂形成小液滴，微小液滴为单分散且尺寸、速度可调，能达到大孔产生小液滴的效果，解决了传统装置使用小孔产生小液滴而容易堵塞的问题。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.本发明包括液滴发生机构、气体控制组件、液体控制组件和激励信号发生组件，液滴发生机构分别与气体控制组件、液体控制组件和激励信号发生组件相连；液滴发生机构用于产生稳定的射流，气体控制组件用于调节液滴发生机构中气体腔的气流压力，液体控制组件用于调节液滴发生机构中射流的流量，激励信号发生组件用于提供激励控制信号，气体腔的气流加速作用使得液滴发生机构中的射流变为更微小液体射流，进而断裂成微小液滴。
7.所述液滴发生机构包括液体腔外壳、气体腔外壳、激励腔外壳、螺纹压紧盖、变幅杆和压电陶瓷堆叠块；
8.气体腔外壳内嵌装有液体腔外壳，气体腔外壳和液体腔外壳之间的腔室作为气体
腔，气体腔外壳上开设有进气口，气体控制组件从进气口为气体腔注入气流；液体腔外壳内嵌装有激励腔外壳，液体腔外壳与激励腔外壳之间的腔室作为液体腔，液体腔外壳上开设有进水孔，液体控制组件从进水孔为液体腔注入供给液；螺纹压紧盖通过螺纹固定安装在激励腔外壳的上，使得螺纹压紧盖与激励腔外壳之间的腔室作为激励腔，激励腔的下部从上到下设置有压电陶瓷堆叠块和变幅杆，压电陶瓷堆叠块与激励信号发生组件电连接，压电陶瓷堆叠块和变幅杆层叠布置，激励腔外壳的底部开设有通孔，变幅杆的下部穿过激励腔外壳底部的通孔伸入液体腔中；变幅杆下部下方的液体腔外壳和气体腔外壳分别开设有喷出孔和微孔；液体控制组件的控制，使得液体腔内的液体从喷出孔中喷出射流，接着气体控制组件控制气体腔中的气体加速，气体腔的气流加速作用使得射流变为更微小液体射流流入并流出微孔，最后激励信号发生组件的控制，使得更微小液体射流变为微小液滴。
9.所述液体控制组件包括电控溢流阀、流量控制阀和水泵；水泵分别与电控溢流阀、流量控制阀连通，水泵为液滴发生机构泵入液体。
10.所述气体控制组件包括一个气体压力控制阀和气泵；气体压力控制阀和气泵连通，气泵为液滴发生机构泵入气流。
11.所述激励信号发生组件包括激励信号发生器和功率放大器；激励信号发生器和功率放大器电连接，功率放大器与液滴发生机构电连接。
12.所述喷出孔的直径和厚度、喷出孔与微孔的距离以及微孔的尺寸均为数百微米。
13.所述气体腔内的气流压力大于液体腔的液体压力。
14.本发明的有益效果：
15.本发明提供了一种基于气流加速的微小液滴发生装置，气体控制组件通过流量控制器能调节液滴发生机构中的加速气流流量；液体控制组件通过流量控制器和溢流阀能调节液滴发生机构中的射流速度；激励信号发生组件提供不同频率的正弦波形激励信号改变液滴发生机构中的射流受到的扰动大小。本发明从大孔中喷射的射流在层流加速气流中可以形成一个完全稳定的更小尺寸的微小液体射流，在瑞利不稳定性的作用下，可以产生尺寸、速度可调的单分散微小液滴，能达到大孔产生小液滴的效果，解决了传统装置使用小孔产生小液滴而容易堵塞的问题。
附图说明
16.图1为液滴发生机构的整体结构连接示意图；
17.图2为微小尺寸射流形成示意图。
18.图中：水泵1，电控溢流阀2，流量控制阀3，激励信号发生器4，功率放大器5，进水孔6，螺纹压紧盖7，进气口9，气体压力控制阀10，气泵11，液体腔外壳12，气体腔外壳13，射流14，更微小液体射流15，液滴16，微孔17，喷出孔18，变幅杆19，压电陶瓷堆叠块20，激励腔外壳21。
具体实施方式
19.以下结合附图对本发明具体实施方式进行的描述。
20.如图1所示，本发明包括液滴发生机构、气体控制组件、液体控制组件和激励信号发生组件，液滴发生机构分别与气体控制组件、液体控制组件和激励信号发生组件相连；液
滴发生机构用于产生稳定的射流，气体控制组件用于调节液滴发生机构中气体腔的气流压力，液体控制组件用于调节液滴发生机构中射流的流量，激励信号发生组件用于提供激励控制信号，气体腔的气流加速作用使得液滴发生机构中的射流14变为更微小液体射流15，进而断裂成微小液滴16。其中更微小液体射流及微小液滴的尺寸在几微米至几十微米范围内甚至可以达到一微米及更小，其直径小于液滴发生机构中的喷出孔18以及射流14直径。
21.液滴发生机构包括液体腔外壳12、气体腔外壳13、激励腔外壳21、螺纹压紧盖7、变幅杆19和压电陶瓷堆叠块20；
22.气体腔外壳13内嵌装有液体腔外壳12，气体腔外壳13和液体腔外壳12之间的腔室作为气体腔，气体腔外壳13上开设有进气口9，气体控制组件从进气口9为气体腔注入气流；液体腔外壳12内嵌装有激励腔外壳21，液体腔外壳12与激励腔外壳21之间的腔室作为液体腔，液体腔外壳12上开设有进水孔6，液体控制组件从进水孔6为液体腔注入供给液；螺纹压紧盖7通过螺纹固定安装在激励腔外壳21的上，使得螺纹压紧盖7与激励腔外壳21之间的腔室作为激励腔，液体腔外壳12、气体腔外壳13、激励腔外壳21两两之间均通过螺栓进行连接固定。激励腔的下部从上到下设置有压电陶瓷堆叠块20和变幅杆19，压电陶瓷堆叠块20与激励信号发生组件电连接，压电陶瓷堆叠块20和变幅杆19层叠布置，激励腔外壳21的底部开设有通孔，变幅杆19的下部穿过激励腔外壳21底部的通孔伸入液体腔中；变幅杆19下部下方的液体腔外壳12和气体腔外壳13分别开设有喷出孔18和微孔17；液体控制组件的控制，使得液体腔内的液体从喷出孔18中喷出射流14，接着气体控制组件控制气体腔中的气体加速，气体腔的气流加速作用改变射流14的尺寸，使得射流14变为更微小液体射流15流入并流出微孔17，最后激励信号发生组件的控制，使得更微小液体射流15变为微小液滴16，实现大孔产生小液滴的目标
23.喷出孔18处的射流14直径大于微孔17处的更微小液体射流15直径。喷出孔18的直径和厚度、喷出孔18与微孔17的距离以及微孔17的尺寸均为数百微米。
24.当气体腔内的气流压力相比射流14表面的最大表面张应力相比足够大，可以形成一个完全稳定的更小尺寸的更微小液体射流15，并在瑞利不稳定性的作用下，可以产生尺寸、速度可调的单分散微小液滴16。
25.液体控制组件包括电控溢流阀2、流量控制阀3和水泵1；水泵1分别与电控溢流阀2、流量控制阀3连通，水泵1为液滴发生机构的液体腔泵入液体。水泵1为液滴发生机构供给液体，电控溢流阀2可调节回路中允许的最大压力，起溢流保护的作用，流量控制阀3可精准调节液体流路中的流量大小，从而控制液滴发生机构中喷出孔18处的射流14流量和速度，进而改变液滴16的尺寸和速度。液体控制组件通过液滴发生机构液体腔上端的进水口6提供供给液。
26.气体控制组件包括一个气体压力控制阀10和气泵11；气体压力控制阀10和气泵11连通，气泵11为液滴发生机构的气体腔泵入气流。气泵11产生气流，并通过气体压力控制阀10调节气体流路中的气体压力，通过液滴发生机构气体腔13上端的进气口9提供供给气流。
27.激励信号发生组件包括激励信号发生器4和功率放大器5；激励信号发生器4和功率放大器5电连接，功率放大器5通过两根正负导线与液滴发生机构的压电陶瓷堆叠块20电连接。功率放大器5将激励信号发生器输出的激励信号放大后输出并发送给压电陶瓷堆叠块20，可以通过调节激励信号的频率从而改变产生液滴的频率及液滴尺寸。
28.气体腔内的气流压力大于液体腔的液体压力。
29.当气体控制组件、液体控制组件提供的气流、供给液分别充满气体和液体腔且激励扰动信号稳定时，液体腔内液体的压力pt，气体腔内气流的压力为pg，该压力值均为相对于小孔17外环境的相对压力，且pg远大于pt。如图2所示，该液滴发生机构的喷出孔18处的射流14(直径为dt)在层流加速气流中，在靠近气体腔13(厚度为l)上的小孔17(直径为dh)时，当气流压力pg相比射流14表面的最大表面张应力相比足够大时，可以形成一个完全稳定的更小尺寸(直径为dj)的更微小液体射流15，并在瑞利不稳定性的作用下，可以产生尺寸、速度可调的单分散微小液滴16。设h为喷出孔到气体腔13下端的距离，dt、dh、h和l的值约为数百微米，喷出孔的尺寸dt大于小孔尺寸dh。射流14的直径dt及微小射流15直径dj的公式如下：
[0030][0031][0032]
其中，ρ为液体密度，可以通过气体控制组件中的气体压力控制阀10调节压力pg以及液体控制组件中的流量控制器3调节射流14流量q，从而改变更微小液体射流15的直径dj，且由于pg远大于pt，因此射流14的直径dt也大于微小射流15直径dj，可以实现大孔产生小射流进而产生小液滴的目标。
[0033]
根据瑞利不稳定性原则，产生的微小液滴16的直径d与更微小液体射流15的直径dj的关系式为：
[0034][0035]
其中，v为微小液体15的射流速度，f为激励信号频率。可以通过调节激励信号频率f进一步改变液滴16的尺寸和频率。
[0036]
所述实施例为本发明专利的实施方式，但本发明专利并不限于上述实施方式，在不背离本发明专利的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明专利的保护范围。