一种微颗粒捕获装置及应用该装置的微颗粒输运设备的制作方法

日期:2019-03-02 15:11:47

专利名称:一种微颗粒捕获装置及应用该装置的微颗粒输运设备的制作方法
技术领域
本发明涉及一种微颗粒捕获装置,以及应用有该捕获装置的微颗粒输运设备。
背景技术
随着科学研究向微观领域的不断延伸,微制造技术及其产品在近十几年来得到了迅猛发展。美国、日本、德国等国家都已经把微制造置于相当高的地位,将其作为制造科学的主流之一,发展微制造技术和产业,更是我国向高技术跃进的一个突破口。“堆积成形”是微制造领域的一个重要理念,通过对微颗粒的操控,堆积成形可以 “自下而上”地叠加堆积或组装出所需的二维或三维的微结构和元器件。其中,对微颗粒的顺利捕获、定向输运、精确定位是“堆积成形”的关键技术和重要基础之一。因此,如何实现对微颗粒的捕获和操控成为当前微制造领域的一个研究热点和难点。根据文献报道,到目前为止,对微颗粒的捕获和操控主要是借助于激光、射频电压和等离子等来实现的。其中,“光镊”(Optical Tweezers)是实现微颗粒捕获和操控最具代表性的方法,所谓“光镊”是利用光与物质间动量传递的力学效应而形成的三维梯度光学势阱,是一种可以对微小物体进行无损伤和非接触性操控的工具。早在1986年,贝尔实验室 Ashkin将单光束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱,证明其可以在基本不影响周围环境的情况下实现对捕获物进行亚接触性、无损活体操作,并形象地称其为“光镊”。自问世以来,“光镊”技术发展迅速,针对不同种类激光束产生的“光镊”研究越来越全面,其应用也越来越广泛。至今,“光镊”由最初的单光束梯度力光阱已经逐渐演化出了双光镊、三光镊、四光镊、阵列光镊、光束工作站和全息光镊等不同类型的光学势阱,它们为基于微颗粒捕获和操控的微制造研究提供了巧妙而有效的工具。其次,“介电泳动”(Dielectrophoresis)则是实现微颗粒捕获和操控的另外一种方式。哈佛大学的Brown等人采用非接触式三轴原子力显微仪镊夹(TACT),并利用介电泳动实现了水介质中纳米物质的操控,他们在TACT的针尖及内壳上施加射频电压,将外壳接地,针尖设计开口让电场逸出,并在表面之外产生一零电场。由于水的介电常数比大部分物质都大,因此水会将纳米颗粒推向电场极小值的位置。由于针尖的周围属排斥力的区域,因而可以确保一次只有一个颗粒被捕获。用这种方法可以捕获单个半导体量子、碳纳米管、半导体纳米线、生物颗粒(例如病毒)等直径小至4nm的微颗粒,从而进行微结构的组装和操控。另外,瑞士联邦理工学院Huang等人借助等离子(Plasma)的近场效应,配合微流体(Microfluidics)与控制层,让捕获与操控微颗粒得以实现。他们发展出了由等离子光阱与微流体组成的光流体器件(Optofluidic Device),不需要传统“光镊”的复杂光学架构,就能操控细胞或微颗粒。上述的“光镊”、“介电泳动”和“电磁场”是目前国际上实现微颗粒捕获和操控比较有代表性的三种方式,但是,上述三种方式的实现都需要特定的硬件设备,整个系统的搭建和使用成本高,而且对于应用环境也有较高的要求,主要面向研究所和大学从事理论基础研究的研究人员,还无法用于工业实践和进行商业化推广。

发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种结构简单、制造成本低且容易实现的微颗粒捕获装置。本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种应用有上述微颗粒捕获装置的微颗粒输运设备,该微颗粒输运设备整体结构简单、制造成本低且容易实现。本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为一种微颗粒捕获装置,其特征在于所述的微颗粒捕获装置包括有微射流喷头、稳压器和为所述微射流喷头提供喷射液体的液压装置,所述微射流喷头内开设有沿轴向贯穿的环形喷腔,该环形喷腔内径与欲捕获的微颗粒直径相匹配,所述环形喷腔的顶端设置有入射口,所述环形喷腔的底端设置有喷射口,所述稳压器的输入端和所述液压装置的出液管路相连,该稳压器的输出端和所述微射流喷头的入射口相连。为了能够获得较好的微颗粒捕获效果,提高微颗粒捕获的可靠性和成功率,作为优选,所述环形喷腔的内径和所述微颗粒的直径之间满足以下关系式 Ow-IOum^ Ψρ ( Φψ,其中,Ψρ 表示所述环形喷腔的内径,Φψ表示所述微颗粒的直径, 所述Ψρ 和φψ的单位均为ym。为了便于加工和更换,作为优选,所述的微射流喷头包括有喷头外壳和喷头芯,所述喷头外壳内开设有沿轴向贯穿的通孔,所述喷头芯包括有芯头和芯体,所述芯头与所述喷头外壳的顶部固定连接,所述芯体插设于所述通孔内,所述喷头外壳的通孔内壁和所述喷头芯的芯体之间形成所述的环形喷腔,并且,所述喷头芯的芯头上开设有与所述入射口相对应的进液孔。作为进一步优选,所述喷头芯沿中心轴线剖开的截面呈T形,所述进液孔为沿所述喷头芯的芯头周向间隔开设的多个通孔。T形的喷头芯能够方便插配到不同的喷头外壳中,T形的顶部便于实现和芯体的连接,喷头芯上沿周向分布的多个进液孔能够提高进液量,加快进液速度。为了能够在微射流喷头上产生捕获微颗粒所需压力的喷射液体,所述液压装置可以采用现有技术中的各种液压系统,优选地可以为如下结构包括有能产生液压油的柱塞泵、驱动所述柱塞泵工作的电机和能实现所述喷射液体吸入和排出的增压器,其中,所述增压器和柱塞泵之间通过一方向控制阀实现液压油路的连通。为了便于实现自动化控制,作为优选,所述方向控制阀连接有PLC电气控制系统。本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为一种微颗粒输运设备,其特征在于所述的微颗粒输运设备包括有底座;工作台,设置于所述底座上并能沿该底座的长度和宽度方向分别做直线移动;盛放有微颗粒的容器,固定设置于所述工作台上,所述容器的上方设置有微射流喷头;支座,垂直于所述底座设置,所述支座上安装有能沿竖直方向做直线移动且垂直于该支座外伸的支架,所述支架的一端和设置于所述微射流喷头上的稳压器固定相连。为了使得工作台能够实现在底座上分别沿X轴和Y轴两个方向的位移,作为优选, 所述工作台包括有第一基座和第二基座,还包括有第一电机和第二电机,所述底座上设置有沿长度方向布置的第一导轨,所述第一基座在所述第一电机的驱动下能沿所述第一导轨做直线移动,所述第一基座上设置有沿所述底座的宽度方向布置的第二导轨,所述第二基座在所述第二电机的驱动下能沿所述第二导轨做直线移动。为了便于行程控制,方便随时检测第一基座和第二基座的移动位置,作为优选,所述第一导轨的侧面设置有跟踪并反馈所述第一基座移动位置的第一光栅尺,所述第二导轨的侧面设置有跟踪并反馈所述第二基座移动位置的第二光栅尺。为了限定第一基座和第二基座移动行程,防止第一基座和第二基座从导轨上滑脱,作为进一步优选,所述底座上还设置有限制所述第一基座移动行程的第一防撞装置,所述第一基座上设置有限制所述第二基座移动行程的第二防撞装置。为了保证第一基座和第二基座在低速及高速下均具备极低的推力纹波,以保证工作台移动的勻速性和定位的精密性,作为优选,所述第一电机和第二电机为直线电机。与现有技术相比,本发明的优点在于以液体为介质,并通过开有环形喷腔的微射流喷头产生一种能够对微颗粒进行向上支撑的力和对微颗粒的垂直于射流方向的绕流升力,这种由液体产生的向上支撑力和绕流升力共同作用于微颗粒,而对微颗粒具有“钳制” 作用,会像镊子一样牢牢地“钳”住位于微射流喷头下方的微颗粒,从而实现对微颗粒的捕获,是一种捕获微颗粒的新手段和方式;另外,这种微颗粒捕获装置相比较于传统采用激光、射频电压和等离子等进行微颗粒捕获的装置更加容易实现和制造,而且,本发明的装置在普通的日常生活环境中就能够搭建和操作,不需要特定的应用环境,大大降低了捕获装置的实现成本,有利于捕获装置的推广使用,扩大了应用场合和领域。


图1为本发明的微颗粒捕获装置结构示意图。
图2为本发明的微颗粒捕获装置工作原理图。
图3为图2所示的I部局部放大图(微颗粒受力原理)。
图4为本发明的微射流喷头结构剖视图。
图5本发明的微射流边界层流速变化及特征示意图。
图6为本发明的微颗粒捕获技术路线图。
图7为应用有本发明微颗粒捕获装置的微颗粒输运设备结构示意图。
图8为图7所示微颗粒输运设备的进给系统结构示意图。
图9为图7所示微颗粒输运设备中的容器结构剖视图。
图10为本发明的微颗粒输运过程结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。如图1 图6所示,为本实施例的微颗粒捕获装置结构示意图和工作原理图,该微颗粒捕获装置包括有微射流喷头1和能为微射流喷头1提供喷射液体的液压装置3,其中,
6喷射液体可以为水,也可以为其它能够使得微颗粒浮在该液体表面的流体介质,本实施例选择不含杂质的纯水为喷射液体。其中,微射流喷头1包括有喷头外壳11和喷头芯12,喷头外壳11内开设有沿轴向贯穿的通孔,喷头芯12沿中心轴线剖开的截面呈T形,该喷头芯12包括有芯头121和芯体122,并且,芯头121与喷头外壳11的顶部通过螺栓或螺钉固定连接,芯体122则插设于喷头外壳11的通孔内,喷头外壳11的通孔内壁和喷头芯12的芯体122之间形成一个沿轴向贯穿的环形喷腔13,芯头121上还沿圆周间隔地开设有多个能和环形喷腔13的入射口 131相连通的进液孔121a作为整个微射流喷头1的液体入口 ;为了方便制造,喷头外壳11 的通孔优选可以为阶梯孔,该阶梯孔的大径部111和芯头的入射口 131相对,阶梯孔的小径部112则作为喷射口 132和微颗粒9相对。由于微射流喷头1的口径较小,从微射流喷头1喷出的液体压力较大,为了稳定喷射液体的压力,保证微射流喷头1喷出的液体能够有效地夹持住微颗粒9,还必须在微射流喷头1和液压装置3之间设置稳压器2,该稳压器2的输入端和液压装置3的出液管路相连,该稳压器2的输出端通过芯头121的进液孔121a和环形喷腔13的入射口 131相连。本实施例所采用的液压装置3可以为现有技术中的各种液压系统,优选地,可以采用如下结构该液压装置3包括有柱塞泵31、驱动柱塞泵31工作的电机32和能实现喷射液体吸入和排出的增压器33,其中,增压器33连接有进水管路331和出水管路332,增压器 33和柱塞泵31之间通过液压油路35连通,在该液压油路35上安装有方向控制阀34,通过方向控制阀34使液压油交替进入增压器33的活塞两侧,方向控制阀34由PLC电气控制系统36通过控制电路控制,实现增压范围的调节以控制输出的微射流14的形态,PLC电气控制方法为现有技术,本实施例不做赘述。液压装置3工作时,电机32带动柱塞泵31输出液压油沿液压油路35交替进入增压器33中的活塞两侧,从而驱动活塞往复运动,实现增压器 33两侧交替吸入水流、挤出水流,输出的水流经稳压器2稳定压力后,液态水通过芯头121 上的进液孔121a进入环形喷腔13内,并从喷射口 132喷出,最终形成微射流14。以下详细阐述本实施例的微颗粒捕获装置的产生条件和工作原理。当由微射流喷头1射出的微射流14流过微颗粒9表面时,由于液-固界面效应会在微颗粒表面93形成一层边界层,边界层内的流体微团被粘滞力阻滞,消耗动能,流速减小,因此,越靠近微颗粒表面93的流体微团,受到的粘滞力越大,所以流速减小得越快。本实施例采用球坐标系对液-固边界层射流分布和压强变化进行分析,取一垂直面,在微颗粒最大截面处与微颗粒正交,得一圆形截平面,以微射流14与微颗粒表面93的第一个交点A为坐标原点,沿微颗粒表面93选取截交线为X轴,方向向下,Y轴与微颗粒表面93垂直。在微颗粒表面93选取A、B、C、D和E五个点,参见图5,其中,A点到C点,是降压加速段(即$<0),在这段中,虽然粘滞力引起了流体微团动能的损耗,但由于流体的部分
OX
压能转化为流体的动能,这种损耗可以得到弥补,使得流体仍有足够的动能继续前进;C点是一个转折点,c点处流速最大,压力梯度为零(即* = ;c点以后,是增压减速段(即
0),这段中流体的部分动能不仅要转变为压能,而且粘滞力的阻滞作用也要继续消耗动能,所以流体速度减小过程加快,其边界层不断增厚;当流体流到微颗粒表面93的某一点D时,靠近表面的流体微团的动能已消耗殆尽,此处的流体微团便停滞不前,此时,D点称为分离点。微颗粒表面93的边界层流体特性如表1所示。表1微颗粒表面的边界层流体特性
权利要求
1.一种微颗粒捕获装置,其特征在于所述的微颗粒捕获装置包括有微射流喷头(1)、 稳压器(2)和为所述微射流喷头(1)提供喷射液体的液压装置(3),所述微射流喷头(1)内开设有沿轴向贯穿的环形喷腔(13),该环形喷腔(13)内径与欲捕获的微颗粒(9)直径相匹配,所述环形喷腔(13)的顶部设置有入射口(131),所述环形喷腔(13)的底部设置有喷射口(132),所述稳压器(2)的输入端和所述液压装置(3)的出液管路相连,该稳压器(2)的输出端和所述微射流喷头(1)的入射口(131)相连。
2.根据权利要求1所述的微颗粒捕获装置,其特征在于所述环形喷腔(13)的内径和所述微颗粒(9)的直径之间满足以下关系式Φ^-10μπι彡Ψρ ^ Φι其中,Ψρ 表示所述环形喷腔(13)的内径,表示所述微颗粒(9)的直径,所述Ψρ 和的单位均为 μ m0
3.根据权利要求1所述的微颗粒捕获装置,其特征在于所述的微射流喷头(1)包括有喷头外壳(11)和喷头芯(12),所述喷头外壳(11)内开设有沿轴向贯穿的通孔,所述喷头芯(12)包括有芯头(121)和芯体(122),所述芯头(121)与所述喷头外壳(11)的顶部相抵并固定连接,所述芯体(122)插设于所述通孔内,所述喷头外壳(11)的通孔内壁和所述喷头芯(12)的芯体(122)之间形成所述的环形喷腔(13),并且,所述喷头芯(12)的芯头 (121)上开设有与所述入射口(131)相对应的进液孔(121a)。
4.根据权利要求3所述的微颗粒捕获装置,其特征在于所述喷头芯(12)沿中心轴线的截面呈T形,所述进液孔(121a)为沿所述喷头芯(12)的芯头(121)周向间隔开设的多个通孔。
5.根据权利要求1所述的微颗粒捕获装置,其特征在于所述液压装置(3)包括有柱塞泵(31)、驱动所述柱塞泵(31)工作的电机(32)和能实现所述喷射液体吸入和排出的增压器(33),其中,所述增压器(33)和柱塞泵(31)之间通过液压油路(35)连通,在该液压油路(35)上安装有方向控制阀(34)。
6.一种应用有如权利要求1 5中任一权利要求所述的微颗粒捕获装置的微颗粒输运设备,其特征在于所述的微颗粒输运设备包括有底座(4);工作台,设置于所述底座(4)上并能沿该底座(4)的长度和宽度方向分别做直线移动;盛放有微颗粒(9)的容器(6),固定设置于所述工作台上,所述容器(6)设置在所述微射流喷头(1)的下方;支座(7),垂直于所述底座(4)设置,所述支座(7)上安装有能沿竖直方向做直线移动且外伸的支架(8),所述支架(8)的外伸端和设置于所述微射流喷头(1)上的稳压器(2)固定相连。
7.根据权利要求6所述的微颗粒输运设备,其特征在于所述工作台包括有第一基座 (51)和第二基座(52),还包括有第一电机和第二电机,所述底座(4)上设置有沿长度方向布置的第一导轨(511),所述第一基座(51)在所述第一电机的驱动下能沿所述第一导轨 (511)做直线移动,所述第一基座(51)上设置有沿所述底座(4)的宽度方向布置的第二导轨(521),所述第二基座(52)在所述第二电机的驱动下能沿所述第二导轨(521)做直线移动。
8.根据权利要求7所述的微颗粒输运设备,其特征在于所述第一导轨(511)的侧面设置有跟踪并反馈所述第一基座(51)移动位置的第一光栅尺(512),所述第二导轨(521) 的侧面设置有跟踪并反馈所述第二基座(52)移动位置的第二光栅尺(522)。
9.根据权利要求7所述的微颗粒输运设备,其特征在于所述底座(4)上还设置有限制所述第一基座(51)移动行程的第一防撞装置(513),所述第一基座(51)上设置有限制所述第二基座(52)移动行程的第二防撞装置(523)。
10.根据权利要求7所述的微颗粒输运设备,其特征在于所述第一电机和第二电机为直线电机。
全文摘要
一种微颗粒捕获装置,其特征在于所述的微颗粒捕获装置包括有微射流喷头、稳压器和为微射流喷头提供喷射液体的液压装置,微射流喷头内开设有沿轴向贯穿的环形喷腔,该环形喷腔内径与欲捕获的微颗粒直径相匹配,环形喷腔的顶端设置有入射口,环形喷腔的底端设置有喷射口,稳压器的输入端和液压装置的出液管路相连,该稳压器的输出端和微射流喷头的入射口相连。与现有技术相比,本发明以液体为介质,通过开有环形喷腔的微射流喷头产生一种能够对微颗粒进行向上支撑的力和对微颗粒的垂直于射流方向的绕流升力,这种由液体产生的向上支撑力和绕流升力共同作用于微颗粒,而对微颗粒具有“钳制”作用,从而实现对微颗粒的捕获。
文档编号B82B3/00GK102180442SQ201110075690
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月19日 优先权日2010年7月12日
发明者周林, 樊红朝, 程晓民 申请人:宁波工程学院


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