Page 135 - 《应用声学》2023年第6期

第 42 卷 第 6 期 舒霞云等： 菲涅尔透镜聚焦声泳打印装置设计及实验研究 1245

generator, the spraying of polyethylene glycol solutions of different viscosities and the spraying of UV glue
were realized. The experimental results show that the droplet ejection system can produce droplets with good
consistency, and the size fluctuation range of the printed microlenses is within 2%, which demonstrates the
stability of the device and the feasibility of realizing droplet ejection of different materials.
Keywords: Microdrop generation; Acoustophoretic printing; Fresnel lens; Focused ultrasound

0 引言 1 菲涅尔透镜聚焦声泳打印装置设计

微滴喷射技术是一种数字化的精密流体分配 1.1 声泳喷印原理

技术，可以经济、快速地在不同基材上沉积金属、聚 正常情况下，液体在内径较小的喷嘴中由于毛
合物、电子和光学材料等多种材料，广泛应用于有 细力较大而较难滴落，只有当液滴足够大时使重力
机半导体器件制造、3D 打印、微电子和微系统封装 大于毛细力才能正常滴落，即F 重力 > F 毛细力 。当施
与生物分析等领域 [1−5] 。常见的微滴喷射技术主要 加与重力方向相同的力时，克服毛细力所需的重力
有热气泡式 [6] 、压电式 [7−8] 、气动膜片式 [9−10] 、电 将减小，即F 重力 + F 声辐射力 > F 毛细力 ，此时液滴体积
流体动力学 [11−13] 及声泳喷印 [14] 等几种类型。热 相对正常滴落时会大大减小，原理如图1所示。
气泡式微滴喷射由 Canon [15] 和 HP [16] 两个打印机
公司开发，通过加热器使喷嘴处的墨水汽化产生气 ᡔܦฉ
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泡，从而产生压力，迫使墨水从喷嘴喷出。由于涉
及墨水的汽化，对于无法产生气泡的喷印材料并不 ๯ໟ
适用且容易堵塞喷嘴。压电式微滴喷射利用压电效
应产生变形对流体施加压力脉冲并迫使液滴从喷
嘴喷出。该技术适用的喷印材料范围广泛，但驱动
装置价格昂贵且压电晶体脆弱，不耐高温。华中科 ᧘ҧ=ඐጺҧ ᧘ҧ+ܦᣣ࠱ҧ=ඐጺҧ
技大学的学者开发了适用于多材料的气动膜片式 (a) ൤࣢ໟᗀ (b) ܦᣣ࠱ҧͻၹ
微滴喷射系统，该装置适用于多种喷印材料，且耐 图 1 声泳喷印原理
高温，可用于熔融金属材料，但对高黏度材料的喷 Fig. 1 Principle of acoustophoretic printing
印较为困难 [9−10] 。电流体动力学喷印虽然不受喷
由上述分析可知，声泳喷印技术是一类使
嘴尺寸限制，但对喷印材料的导电性有严格限制且
用声辐射力来驱使液滴喷印的声学打印技术。
装置需要配备高压电路。Foresti 等 [14] 提出声泳喷
Gor’kov [17] 提出可以用任意几何形状的静止声场
射方法，利用法布里 -珀罗谐振器实现黏度范围为
的时间平均动能和势能来表达声辐射力。当应用
0.5∼25000 mPa·s 的多材料喷射，由此可见，声泳喷
于小的可压缩流体粒子时，将声辐射力作为势函数
印突破了传统的喷墨打印仅适用于低黏度及特定
U rad 的梯度给出：
电磁性材料的禁锢，在微滴喷射打印领域有广泛的
F = −∇U rad , (1)
应用前景。
[ ]
3 ( )
菲涅尔透镜是一种声学聚焦元件，可将超声波 U rad = V p f 1 1 ( ) − f 2 ρ v 2 , (2)
2
p
2ρc 2 4
聚焦于某一点，并放大声场中的声压幅值。本文采
其中：p 为声压；c 为声速；V p 为粒子的体积；ρ 为流
用菲涅尔透镜作为外部超声聚焦装置设计了微滴
体密度；v 为流体速度；f 1 、f 2 表示散射系数，
喷射系统，利用透镜的聚焦特性使放大后的声场压
K 0
力直接作用于液滴，从而实现微小液滴的喷射，因此 f 1 = 1 − , (3)
K p
不受材料黏度和材料自身特性的制约。利用多物理 2 (ρ p − ρ)
f 2 = , (4)
场耦合仿真软件对实验参数进行数值分析，并通过 2ρ p + ρ
实验验证，实现了不同物性及不同黏度的材料的稳 其中：K i 代表体积模量；ρ p 代表粒子密度；f 1 、f 2 分
定可控喷射。 别表示单极和偶极系数。这种基于散射理论的方法