电流体动力学的微滴状态检测以及供液流速的监控方法

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近年来,微滴喷射技术作为非接触式的微量液体施加技术得到了越来越多的关注。传统的微滴喷射技术包括热泡式、压电式、静电式、气动式等。但是,这些传统技术产生的微滴直径通常大于喷嘴内径;如希望得到更小的微滴,缩小喷嘴内径是最直接的方式,却容易堵塞喷嘴。因此本文针对新型的基于电流体动力学(EHD)方法的微滴喷射技术进行研究。与传统技术不同,这种EHD喷射主要是通过电场力将液滴“拉伸”出来,因此该技术可能喷射出远小于喷嘴内径的液滴,提高打印分辨率,并且缓解喷嘴堵塞的风险。本文设计并搭建了一套EHD微滴喷射装置,喷射装置主要包括供液模块、高压电源、微滴接收模块、机器视觉检测模块、感应电流检测模块五个部分。本文介绍了供液模块的两种技术选项,分别为基于U型管液面高度差的供液方法和基于注射泵的供液方法。通过机器视觉检测模块对这两种供液系统的供液均匀性进行分析。并研究了两种供液方法下的EHD微滴喷射状态。实验发现,注射泵的供液流速一旦设定则与电场无关。相比之下,基于U型管的供液方法虽然结构简单,但流速明显受到电压(即电场)因素影响。具体地,当U型管液面高度差足够大时,流体静压的压强差足够克服喷嘴处的毛细效应,液体可以连续流出。当高度差足够小时,毛细管效应超过流体静压强,会阻止液体流出。这时,施加足够强的电场,仍然可以将液体从喷嘴中“牵拉”流出。其流速随着电场强度增加而加大。而且,在一个微滴喷射周期内,流体的流速也并不是稳恒的。在我们的EHD喷射实验中,微滴喷射常见三种状态:稳定的低频喷射(状态A)、稳定的高频喷射(状态B)、以及两者的过渡(状态C)。状态A应该是通常所谓滴注模式(或一些文献中enhanced dripping mode)。状态B则更加接近所谓微滴模式(micro-dripping mode)。本文介绍了一种结合机器视觉检测和感应电流检测的检测方法,能够可靠区分上述喷射状态。与通常的方法不同,我们在实验中不刻意地追踪液带的断裂,而是着重于测量喷嘴处液体体积随时间的变化。该方法同样可以准确测量液滴尺寸,液滴喷射频率等信息,并将其作为判断液滴喷射稳定性的指标。
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