Пьезоэлектрический дозатор Российский патент 2024 года по МПК G01F25/00 

Изобретение относится к устройствам для дозирования жидкости, предназначенное для работы в принтерах. Подобные устройства имеют широкое применение и встраиваются в различные системы дозирования, которые требуют, чтобы эти устройства осуществляли подачу капель объемом от нескольких пиколитров до нескольких нанолитров с высокой точностью и достаточно большой частотой.

Пьезоэлектрические дозаторы являются хорошо известными и эффективными устройствами, применяемыми в различных областях техники. Данные устройства обладают высокой эффективностью при использовании их для дозирования в различных принтерах. Ширина применения пьезоэлектрических дозаторов обширна, но для в каждом случае характеристики подобных устройств существенно различны, например, известны следующие дозаторы:

Известен пьезоэлектрический дозатор с продольным преобразователем и сменной капиллярной трубкой (Международная заявка PCT/US2012/022091), заявитель Biodot INC. Продольный преобразователь обычно содержит пьезоэлектрический привод, соединенный с трубкой. Приведение в действие пьезоэлектрического привода импульсом напряжения вызывает радиальное движение трубки внутрь и генерирует акустическое давление или волну напряжения через стенку трубки, что приводит к осевому движению и смещению стенки трубки.

Известен патент US6232129 устройство с пьезоэлектрическим приводом для сбора и дозирования проб жидкости. Пробы жидкости собираются или втягивается в устройство путем погружения наконечника в жидкость. Далее наконечник помещают в область печати, а подача электрического сигнала приводит дозированию жидкости. Устройство опционально включает в себя второй пьезоэлектрический элемент, выполняющий функцию датчика, позволяющего определить заполнен ли дозатор, засорен или работает должным образом.

Описанные выше устройства сложны в изготовлении, т.к. для их создания требуется множество специфичных элементов, а использование капиллярных трубок дает преимущество их замены, но при этом имеет существенный недостаток, проявляющийся в том, что для новой трубки траектория полета капли будет отличаться от траектории полета, которая была ранее. Также эти устройства занимают существенно больше места чем классические. Следовательно, при использовании дозаторов со сменными трубками возникает сложность их применения в устройствах принтерной печать, например, ориентированных на массовое производство матриц олигонуклиотидов. В этом случае преимуществом обладают классические пьезоэлектрические дозирующие устройства (без сменной трубки).

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения, является пьезоэлектрический дозатор патента США № 5094594, который состоит из насосного агрегата с соответствующей камерой и деформируемого сегмента камеры, на котором расположен пьезоэлемент с электрическим управлением. Перекачиваемая жидкость подается в камеру насоса через впускной капилляр (входной канал). Данный насос предназначен для генерации микрокапель и состоит из по меньшей мере одной насосной камеры (камеры подачи жидкости), или нескольких камер, расположенных параллельно.

Одним из основных недостатков, аналогов данного изобретения является создание дозаторов с соплом, поверхность которого на выходе имеет различную шероховатость по длине периметра отверстия, а именно: Дозаторы изготавливаются из двух пластин композитного материала кремниевого и стеклянного, которые соединены друг с другом анодным соединением. Торцевая часть у таких пластин из различных материалов обладает различной шероховатостью, в дополнение к этому при создании в пластине (пластинах) канала для сопла края этого канала имеют существенные неоднородности (неровности) из-за технологического процесса при изготовлении. В итоге на выходе сопла часть жидкости соприкасается с одной пластиной, часть с другой, а неровности на выходе сопла существенно увеличивают периметр отверстия. Это при работе дозатора приводит к отклонению капли от нужной траектории, т.е. создаются изделия, при дозировании которыми жидкость может отклоняется на различные углы, следовательно, создание серийных образцов с одинаковыми характеристиками становится проблематичным. Даже существенно проблематичный процесс снижения шероховатости поверхности на выходе по средствам химической полировки позволяет лишь частично компенсировать данную проблему.

Из уровня техники считается, что форма сопла не имеет существенного значения в случае использования капиллярных трубок (используются в аналогах), однако для дозаторов, аналогичных прототипу форма сопла играет существенную роль из-за особенностей шероховатости поверхности на его выходе. В данном случае влияние шероховатости играет существенную роль, т.к. от нее зависит угол смачивания. В зависимости от угла смачивания капли могут существенно откланяться от нужных траекторий, что приводит к снижению точности при попадании капель в нужное место.

В отличие от аналога предлагаемое изобретение создается не из кремниевой и стеклянной пластин, а из двух кремниевых по средствам бондирования, в одной из которых, как и в аналоге, формируется каналы (области) путем жидкостного травления, но по кристаллографическому направлению полупроводника. Использование одинаковых пластин и травление по кристаллографическому направлению полупроводника повышает повторяемость при создании различных образцов и позволяет создавать дозаторы с практически одинаковой шероховатостью торцевой части по всему периметру вокруг выхода сопла. В данном случае сопло получается треугольной формы. Капли при вылете из такого сопла имеют меньшее отклонение от нужной траектории, чем из сопла другой формы.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в увеличении кучности при вылете капель из сопла.

Технический результата достигается за счет треугольного сечения на выходе и использования одинаковых кремниевых пластин. Увеличение кучности позволяет повысить точность попадания капель в заданную точку при использовании пьезоэлектрического дозатора в принтерах.

На фиг 1. приведена зависимость объема капли от угла смачивания при фиксированных параметрах жидкости, длительности импульса и средней скорости жидкости (разности потенциалов) через сечение на выходе из сопла при фиксированных остальных параметрах системы – а, зависимость угла отклонения капли от разности углов смачивания θ₁ - θ₂ (θ₁ и θ₂ – углы смачивания в градусах, соответствующие разным половинам периметра сопла на выходе) при фиксированных остальных параметрах системы – б, зависимость угла отклонения капли от расстояния до плоскости параллельной одной из сторон треугольного сопла и делящей периметр его сечения пополам (в положительную сторону откладывается расстояние от этой плоскости до параллельной грани сечения сопла, а вертикальные линии соответствуют границам сечения сопла) – в.

На фиг. 2а представлен чертеж (вид сверху) дозатора, и трехмерная схема геометрии функциональных элементов внутренней части (фиг. 2б) в пропорции 1:2:5 (длина:ширина:высота), где 1 – сопло (с треугольным выходом), 2 – выходной канал, 3- входной канал в камеру подачи жидкости, 4 – камера подачи жидкости, 5 – мембрана, 6– пьезоэлемент.

На фиг. 3 представлены фотография макета дозатора – а и сопла треугольной формы – б.

Использование пьезодозаторов является эффективным для различного рода принтерной печати, т.к. данные дозаторы позволяют осуществлять вылет капель с большой частотой, что сопровождается высокими скоростями. На таких скоростях особо важную роль играет угол смачивания поверхности сопла, обусловленный шероховатостью торцевой части. С помощью численного моделирования нами показано, что от угла смачивания существенно зависит объем вылетающей капли (фиг. 1а), а от того насколько угол смачивания одинаков в различных точках по периметру сопла зависит то, на сколько будет отклоняться капля в полете (фиг. 1б).

Заявляемый пьезодозатор изготавливается из двух пластин, технологический канал сопла делается в одной пластине. В этом случае при фиксированной разности углов смачивания для треугольного сопла значение угла отклонения капли соответствует пересечению правой вертикальной линии на фиг. 1в и кривой зависимости угла отклонения капли от расстояния до плоскости параллельной одной из сторон треугольного сопла и делящей периметр его сечения пополам.

Угол смачивания существенно зависит от шероховатости поверхности. Из фиг. 1 видно, что создание сопла с углом смачивания одинаковым по всему его периметру является приоритетной задачей для серийного производства пьезодозаторов. Такое влияние угла смачивания на работу дозирующей системы обусловлено высокими скоростями вылета капель, которые свойственны именно пьезодозаторам. Отметим, что даже сильные изменения геометрии сечения сопла не приводят к таким отклонениям, которые показаны на фиг. 1б.

Канал вылета капель в предлагаемом изобретении технологически создается следующим образом: На полупроводниковой пластине формируется маска на основе резиста или диэлектрика или металла с топологическим рисунком повторяющий форму канала дозатора. Через сформированную маску, с помощью жидкостного травителя вытравливается канал в полупроводнике. Так как скорость травления полупроводниковой подложки отличается в зависимости от кристаллографического направления, то формируется треугольная форма выходного сопла дозатора. На фиг. 2 показан чертеж дозатора с треугольным соплом.

Осуществление данного изобретения заключается в следующем:

Пьезоэлектрический дозатор, пример реализации которого представлен на фотографии фиг. 3а, имеет внутреннюю геометрию, пример которой показан на фиг. 2б.

На фиг. 4 показана схема сечения дозатора (секущая плоскость проходит вдоль линии 12 на фиг. 2а перпендикулярно рисунку), на которой 1 – сопло (с треугольным выходом), 2 – выходной канал, 3 – входной канал в камеру подачи жидкости, 4 – камера подачи жидкости, 5 – мембрана, 6 – пьезоэлемент, 7 – пластина, на которую крепится пьезоэлемент, 8 – пластина с технологическими каналами, 9 – область приклейки пьезоэлемента, покрытая тонким электропроводящим слоем, 10 – тонкий электропроводящим слой, 11 – термопластическая полимерная смола, фиксирующая пьезоэлемент.

Дозатор работает по средствам выдавливания жидкости через канал 2 и сопло 1 (фиг. 4) при механическом (акустическом) воздействии пьезоэлемента 6 (фиг. 4) на мембрану 5 (фиг. 4). Жидкость поступает через канал 3 (фиг. 4). Механическое воздействие осуществляется по средствам пьезоэффекта возникающего при создании разности потенциалов между обкладками 9 и 10 (фиг. 4). В итоге, при подаче на обкладки 9 и 10 (фиг. 4) сигнала импульсного типа, из сопла 1 (фиг. 4) вылетает капля. На выходе сопло 1 (фиг. 4) имеет вид, показанный на фиг. 3б.

Экспериментальная проверка поводилась на пяти дозаторах с квадратным и 5 дозаторах с треугольным соплом. Доказано, что в случае квадратного сопла, площадь сечения которого на выходе равна площади сечения треугольного сопла на выходе при приложении разности потенциалов от 30 до 300 В угол отклонения капли от заданного направления составляет от 30 до 45 градусов, при этом для треугольного сопла он не превышает 10 градусов.

Изобретение относится к устройствам для дозирования жидкости, предназначенное для работы в принтерах. Пьезоэлектрический дозатор, включающий камеру подачи жидкости с мембраной, сечение сопла создано травлением вдоль осей кристалла, состоящие из двух склеенных пластин, в одной их которых созданы функциональные углубления для входного канала подачи жидкости и камеры подачи жидкости с мембраной, к которой прикреплен пьезоэлемент. При этом канал вылета в сечении сопла имеет треугольную форму, и пластины выполнены с одинаковой шероховатостью торцевой части по всему периметру вокруг выхода сопла и углом смачивания, одинаковым по всему периметру сопла. Технический результат - увеличение кучности при вылете капель из сопла. 4 ил.

Пьезоэлектрический дозатор, включающий камеру подачи жидкости с мембраной, сечение сопла создано травлением вдоль осей кристалла, состоящие из двух склеенных пластин, в одной их которых созданы функциональные углубления для входного канала подачи жидкости и камеры подачи жидкости с мембраной, к которой прикреплен пьезоэлемент, отличающийся тем, что канал вылета в сечении сопла имеет треугольную форму и пластины выполнены с одинаковой шероховатостью торцевой части по всему периметру вокруг выхода сопла и углом смачивания, одинаковым по всему периметру сопла.