二段電場結(jié)構(gòu)靜電噴射系統(tǒng)及陣列的制作方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種二段電場結(jié)構(gòu)靜電噴射系統(tǒng)及陣列，屬于靜電噴射【技術(shù)領(lǐng)域】。該系統(tǒng)主要包括接入第一電位的噴頭（1）、接入第二電位的控制電極（2）和接地或接入第三電位的噴射基底（3），其中控制電極（2）與噴頭（1）共同組成靜電液滴產(chǎn)生裝置；控制電極（2）與噴射基底（3）共同組成靜電液滴收集裝置。本實用新型通過引進(jìn)控制電極分開了靜電液滴的產(chǎn)生裝置和收集裝置，并把傳統(tǒng)的單段電場隔斷成兩段電場，使用第一段電場產(chǎn)生靜電液滴，使用第二段電場來控制靜電液滴的運動和空間分布，增加了安全性和靈活性，且節(jié)省空間，提高效率，尤其適宜于在陣列化和微型化系統(tǒng)中使用。
【專利說明】二段電場結(jié)構(gòu)靜電噴射系統(tǒng)及陣列
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種二段電場結(jié)構(gòu)靜電噴射系統(tǒng)及陣列與使用方法，屬于靜電噴射【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]靜電噴射技術(shù)通常使用靜電力使液體從噴頭噴射出來，產(chǎn)生細(xì)小的靜電噴射液滴，其大小通常在幾微米到幾百微米不等。其基本物理原理一般可以從G.Tayloi^PJ.R.Melcher等提出的泄漏介質(zhì)模型得到解釋。該技術(shù)在工業(yè)噴涂、精細(xì)編織、微納制造、噴墨打印、生物檢測等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
[0003]但是，傳統(tǒng)的靜電噴射技術(shù)通常把靜電液滴收集裝置和靜電液滴產(chǎn)生裝置合為一體，構(gòu)成簡單的一段式結(jié)構(gòu)，從而使得靜電液滴的產(chǎn)生和其空間分布都處在同一個空間電場中，使用上存在較大的局限。一般為了達(dá)到一定的靜電液滴空間分布的需要，噴頭和液滴收集裝置間的距離為厘米量級或更高，從而為了達(dá)到靜電噴射所需的高場強(qiáng)，在噴頭上需要加載幾千伏乃至幾十千伏的高壓靜電。其缺點主要體現(xiàn)在:控制受限，一般靜電噴射的產(chǎn)生需要較高的電場強(qiáng)度，而靜電液滴的收集和其運動與空間分布控制只需要較低的電場強(qiáng)度，但是一段式結(jié)構(gòu)下只能用同一個電場去實現(xiàn)這兩個不同要求的功能；難以做到器件的微型化，在陣列式系統(tǒng)中該缺點尤其突出；外加電壓過高，靜電屏蔽和絕緣連接等難度大，且成本較高；單一電場限制了對靜電液滴空間分布的有效調(diào)節(jié)。 實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型針對上述傳統(tǒng)一段式結(jié)構(gòu)靜電噴射系統(tǒng)的不足，提供一種二段場強(qiáng)結(jié)構(gòu)的靜電噴射系統(tǒng)及陣列，從而避免了上述缺點，在靜電噴射系統(tǒng)的微型化和陣列化中尤其實用。
[0005]本實用新型的第一方面:就是一種二段電場結(jié)構(gòu)靜電噴射產(chǎn)生及控制系統(tǒng)，其特征在于:包括接入第一電位的噴頭、接入第二電位的控制電極和接地或接入第三電位的噴射基底，其中控制電極與噴頭共同組成靜電液滴產(chǎn)生裝置，產(chǎn)生和控制第一段電場，用于產(chǎn)生靜電液滴；同時控制電極與噴射基底共同組成靜電液滴收集裝置，產(chǎn)生和控制第二段電場，用于控制靜電液滴的運動和空間分布；這樣就做到了靜電液滴的產(chǎn)生和收集裝置分開，增加了控制上的靈活性。
[0006]本實用新型的第二方面:就是根據(jù)第一方面所述的二段電場結(jié)構(gòu)靜電噴射系統(tǒng)，其特征在于:
[0007](a)上述接入第一電位的噴頭包括接入第一電位的電源和液體存儲輸送裝置，噴頭到控制電極的距離為厘米至微米量級。因為噴頭與控制電極之間的第一段電場的主要功能是用來激發(fā)靜電噴射，而決定靜電噴射激發(fā)與否的關(guān)鍵在于是否有足夠高的電場強(qiáng)度，其設(shè)計原則為不低于產(chǎn)生靜電噴射所需要的電場強(qiáng)度，不高于引發(fā)包括空氣電離等介質(zhì)擊穿在內(nèi)的泄漏電場強(qiáng)度，噴頭與控制電極之間的電壓差為幾伏到幾萬伏，所產(chǎn)生的高強(qiáng)度電場足以激發(fā)靜電噴射，通常范圍在100?10000千伏/米量級之間。我們知道，電場強(qiáng)度正比于兩電極之間的電壓差且反比于兩電極之間的距離，從而在二段電場結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，可以通過減小第一電極到控制電極的距離來降低激發(fā)靜電噴射所需要的電壓差，在距離為幾到幾十微米的情況下，只需要低達(dá)幾伏到幾十伏的低電壓差就可以產(chǎn)生足夠高的高強(qiáng)度電場以激發(fā)靜電噴射。這不僅避免了高電壓帶來的成本高、屏蔽難度大、危險性高等一系列問題，而且可以實現(xiàn)第一段靜電液滴產(chǎn)生裝置的微型化和陣列化。
[0008](b)上述接地或接入第三電位的噴射基底與控制電極之間的距離為厘米至米量級。噴射基底與控制電極之間的電壓差范圍在幾伏到幾萬伏。第二段電場主要用于對第一段電場產(chǎn)生的靜電液滴通過靜電力進(jìn)行控制影響其運動和空間分布等，其設(shè)計原則為一般不高于第一級電場，一般只需要較低強(qiáng)度的電場，通常范圍在0.1?100千伏/米量級之間，特殊情況下電場強(qiáng)度可以為零。因此，通?？刂齐姌O和噴射基底也不需要加幾千伏或以上的高壓，從而可以避免高電壓帶來的成本高、屏蔽難度大、危險性高等一系列問題。噴射基底可以接地，特殊情況下噴射基底也可以接入第三電位以維持一定的對地壓差，
[0009]典型應(yīng)用情況為:控制電極可施加幾十到幾百伏電壓，噴頭與控制電極之間的電壓差為幾伏至幾十伏，距離為幾到幾十微米；噴射基底接地，噴射基底與控制電極之間的電壓差為幾十到幾百伏，距離為幾到幾十厘米。
[0010]本實用新型的第三方面:就是一種靜電噴射系統(tǒng)陣列，其特征是包含若干個單元，每個單元中包括一個如第一方面所述的二段電場結(jié)構(gòu)靜電噴射產(chǎn)生及控制系統(tǒng)，各單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)可以完全一致也可以根據(jù)需要加以調(diào)整。
[0011]本實用新型的第四方面:第一方面和第二方面所述的二段電場結(jié)構(gòu)靜電噴射產(chǎn)生及控制系統(tǒng)的使用方法，其特征在于:
[0012](a)通過調(diào)節(jié)噴頭的電壓或空間位置或液體流量或液體性質(zhì)，而保持控制電極及噴射基底的參數(shù)不變，以改變靜電液滴的產(chǎn)生方式和靜電液滴的參數(shù)，但是不改變第二段電場，從而基本不改變第二段電場中靜電液滴的空間分布；
[0013](b)通過調(diào)節(jié)噴射基底的電壓或空間位置，而保持控制電極及噴頭的參數(shù)不變，以改變靜電液滴的運動和空間分布，但是不改變其大小等，且不影響第一段電場的分布和其中的靜電液滴狀態(tài)；
[0014](C)通過調(diào)節(jié)控制電極的電壓或空間位置，而保持噴頭和噴射基底的參數(shù)不變，從而實現(xiàn)靜電液滴在第一段和第二段的同時調(diào)節(jié)；
[0015](d)通過分別獨立調(diào)節(jié)控制電極的電壓或空間位置，噴頭的電壓或空間位置或液體流量或液體性質(zhì)，噴射基底的電壓或空間位置參數(shù)，實現(xiàn)靜電液滴在第一段電場和第二段電場的同時調(diào)節(jié)。
[0016]本實用新型針對上述傳統(tǒng)一段式結(jié)構(gòu)靜電噴射系統(tǒng)的不足，在噴頭和噴射基底之間加入了一個控制電極，從而把靜電液滴產(chǎn)生和靜電液滴收集分開，而且靜電液滴產(chǎn)生部分的尺寸降低一個量級以上，從而可以使用較低的電壓產(chǎn)生同樣的場強(qiáng)以激發(fā)靜電噴射，同時也有利于系統(tǒng)的微型化和陣列化。同時，該系統(tǒng)在使用時也可以把靜電液滴的產(chǎn)生和收集部分分開獨立調(diào)節(jié)，增大了使用的自由度。
[0017]【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型的原理示意圖；[0019]圖2是本實用新型用于靜電噴射陣列時的原理示意圖；
[0020]圖3是第一實施例的正面示意圖；
[0021]圖4是第二實施例的正面示意圖；
[0022]圖中標(biāo)號名稱:1、噴頭，2、控制電極，3、噴射基底。
【具體實施方式】
[0023]實施例之一:
[0024]一單元靜電噴射系統(tǒng)示意圖；通過調(diào)節(jié)噴頭所加電壓的高低(這里外加電壓直接連接到導(dǎo)電的噴頭上進(jìn)而施加到待噴射液體上)來調(diào)節(jié)第一段電場從而控制靜電噴射液滴的產(chǎn)生，可調(diào)節(jié)靜電噴射液滴的大小、數(shù)目等；控制電極所加電壓及位置等參數(shù)保持不變；通過調(diào)節(jié)噴射基底(這里用一個接地的導(dǎo)電杯來收集靜電液滴)相對于控制電極的距離來調(diào)節(jié)第二段電場，可改變進(jìn)入第二段電場的液滴的空間分布及沉積速率等參數(shù)。
[0025]實施例之二:
[0026]三單元二段電場結(jié)構(gòu)靜電噴射系統(tǒng)陣列示意圖，三個單元并排噴射，但是采用不同的調(diào)節(jié)方式:左邊的噴射單元通過調(diào)節(jié)噴頭和噴射基底(接地的導(dǎo)電杯)上所加電壓來分別獨立調(diào)節(jié)第一和第二段電場，從而分別獨立調(diào)節(jié)靜電液滴的產(chǎn)生和空間分布，控制電極的參數(shù)保持不變；中間的噴射單元通過調(diào)節(jié)控制電極的空間位置同時改變第一段和第二段電場，實現(xiàn)對靜電噴射液滴產(chǎn)生和控制系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，噴頭和噴射基底(接地的導(dǎo)體平面)的參數(shù)保持不變；右邊的噴射單元通過調(diào)節(jié)噴頭和噴射基底(接地的導(dǎo)電碗)相對于控制電極的距離來分別獨立調(diào)節(jié)第一和第二段電場，從而分別獨立調(diào)節(jié)靜電液滴的產(chǎn)生和空間分布，控制電極的參數(shù)保持不變。
[0027]本實用新型可以應(yīng)用于靜電噴射所有已知的和待擴(kuò)展的應(yīng)用的各個方面，包括但不限于:噴墨打印機(jī)，有機(jī)物電路印刷，顯示屏印刷，集成電路印刷，生物組織工程，液體霧化器，電離器，大分子質(zhì)譜儀用帶電粒子分離，無掩膜光刻，微納材料和結(jié)構(gòu)制備，等等，以上應(yīng)用均應(yīng)構(gòu)成本實用新型的一部分。
[0028]上述的噴頭可以有針管式、無針頭液面激發(fā)式、多頭陣列式等各種形狀和材質(zhì)，控制電極可以有方形、圓形、環(huán)形、金屬、合金等不同形狀和材質(zhì)，噴射基底可以有金屬、玻璃、塑料、氧化物、有機(jī)物、平面、球面、不規(guī)則形狀等各種材質(zhì)和形狀，均應(yīng)構(gòu)成本實用新型的一部分。
[0029]上述靜電噴射產(chǎn)生的液體形態(tài)可以有液滴、纖維、絲狀、珠串等各種形態(tài)，均應(yīng)構(gòu)成本實用新型的一部分。
[0030]在本實用新型的基礎(chǔ)上，可以將控制電極2或噴射基底3再細(xì)分成數(shù)段，接入多個不同電位的電極，或設(shè)計不同的電極形狀等以形成不同的電場分布，以根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對靜電液滴的精確控制，仍應(yīng)構(gòu)成本實用新型的一部分。
【權(quán)利要求】
1.一種二段電場結(jié)構(gòu)靜電噴射系統(tǒng),其特征在于: 包括接入第一電位的噴頭(I)、接入第二電位的控制電極(2)和接地或接入第三電位的噴射基底(3);其中噴頭(I)與控制電極(2)共同組成靜電液滴產(chǎn)生裝置，產(chǎn)生第一段電場；控制電極(2)與噴射基底(3)共同組成靜電液滴收集裝置，產(chǎn)生第二段電場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二段電場結(jié)構(gòu)靜電噴射系統(tǒng)，其特征在于: Ca)上述噴頭(I)包括接入第一電位的電源和液體存儲輸送裝置；噴頭到控制電極(2)的距離為厘米至微米量級；噴頭與控制電極之間的電壓差為幾伏到幾萬伏，所產(chǎn)生的高強(qiáng)度電場足以激發(fā)靜電噴射，所述高強(qiáng)度電場為100-10000千伏/米量級； (b )上述噴射基底(3 )與控制電極(2 )之間的距離為厘米至米量級；噴射基底(3 )與控制電極(2)之間的電壓差為幾伏到幾萬伏，所產(chǎn)生的液滴空間分布控制電場為低強(qiáng)度電場，所述低強(qiáng)度電場為0.1~100千伏/米量級。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二段電場結(jié)構(gòu)靜電噴射系統(tǒng)，其特征在于: 上述噴頭與控制電極之間的電壓差為幾伏至幾十伏；上述控制電極(2)所施加的電壓為幾十到幾百伏；上述噴射基底(3)接地；噴頭(I)與控制電極(2)之間的距離為幾到幾十微米；噴射基底(3)與控制電極(2)之間的距離為幾到幾十厘米。
4.一種靜電噴射系統(tǒng)陣列，其特征是包含若干個單元，每個單元中包括一個如權(quán)利要求I所述的二段電 場結(jié)構(gòu)靜電噴射系統(tǒng)，各單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)完全一致或不一致。
【文檔編號】B05B15/04GK203578051SQ201320549875
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】顧文華 申請人:顧文華