专利名称：压电陶瓷式微量液体分配器头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种液体分配装置，尤其是涉及对压电陶瓷式微量液体分配器头的改进。
分子生物学技术要求对缓冲液和溶液可进行精确的移液，容量的精度要求在微升范围内。为发现新材料，进行化合物研究的化学家需要一种工具，以精确的定量分配几种化学药品到指定的二围井孔中。传统方式是通过手工移液来满足这些要求，许多实验室也已引入机器人来处理液体。手动和自动移液装置都同样使用活塞式的气泵，但这些装置不能高速地对微量液体进行精确移液，而这样的要求对某些应用是必要的(例如高容量的测序项目)。
常见的分配系统通常都基于活塞式的气泵。活塞以手动或电动的方式在柱状腔内移动，处理包含在固定或可拆移吸管开口的液体。当液体喷出时，在吸管开口形成一个小液滴，粘附力使液滴保持在吸管开口，直到重力使其落下。粘附力由液体、吸管开口制造材料和周围空气间的表面张力决定。为减小液滴体积，必须减小表面张力。一种方法是缩小吸管开口的体积。由于液滴半径减小的趋势(速度=半径×10-3)比相应的表面张力减小的趋势(速度=半径×10-1)要快，所以这种方法很快就到了极限。对于10微米宽的吸管开口，表面张力为50mN/m的液体--象水溶液--形成液滴容量约为30nl(0.03μl)，而直径约为400μm。这样大小的喷口对机械加工非常敏感，而且容易堵塞。另一种简单的方法是在滴液形成后但在重力使其下落前，让吸管尖端直接接触接收容器的表面。但问题又出现了吸管尖端需要非常仔细地放置，且控制吸管柱体的活塞运动需要极高的精度。此外，表面张力和液体粘度对不同表面材料的结合特性，会导致较大的体积偏差。
为精确地处理极小体积的液体，必须解决表面张力和表面材料特性所带来的问题。克服这些困难的一种方法即采用喷墨打印机技术，借助压电转换器，将小液滴通过极小的喷口喷出。例如，如
图1所示，压电单元1安装在充满液体的毛细管2上。加电压时，该压电单元1挤压毛细管2，快速增加液体的压力。由于液体几乎不可压缩，将产生压力波以声速向喷口3传播，喷口3将压力波转换成液体的运动，极小的液滴以很高的加速度(典型地100000×g,g=10m/s2)被喷出。升高的压力随液滴的喷出而快速减�。寡沽Σㄖ怀中负撩�。这一速度意味着喷口3几乎不会变湿。小液滴以大约4m/s的速度喷入空气，打到目标表面上。同时在虹吸力作用下，喷出液体后的空间立即由储液腔中的液体填补。
依据喷口的开口直径(20-100μm)，小液滴的体积范围从几纳升(103μl)小至5皮升(5×10-6μl)，且具有很高的重复性。
压电转换器配制的控制单元允许小液滴逐个从喷口发射，也允许频率高至10000Hz的“机枪”式发射。这使它可以通过多次液滴喷射进行较大体积的移液。对粘度在0.5毫帕(甲醇)至500毫帕(矿物油)的液体和悬浮液，乃至纯水银的高精度微量移取，都获得成功。
常规的微量液体分配器头可广泛应用于医学、生命科学、遗传学和物理分析等领域。核酸、蛋白质及其易受感染的附属物的完整细菌细胞都用该分配器进行移液，然后测试了该设备运行的适用性及其对生物活体样品的影响。
目前市场上常见的微量液体分配器头的典型构造如图1所示，由压电陶瓷管1、毛细管2和喷嘴3组成。在该分配器头上施加一脉冲电压，可使压电陶瓷管1产生振动，激发声波使液体从毛细管2口喷出。喷出液滴大小随脉冲电压大小变化可调。当在分配器头上施加周期性的脉冲电压，则可使其实现连续工作。但是此类分配器头没有考虑毛细管内声波的测量，在工作时，无法对其实现实时监测，更不可能实现反馈控制，因而在连续工作较长时间后可能出现喷出液滴大小较大地偏离预测值的情况。另外，此类分配器头制作工艺要求高，成本也相应的较高。
为了降低此类分配器头的制作工艺水平，减少制作成本，我们提出了一种带有压电陶瓷片的微量液体分配器头。图2是该分配器头的正视图，图3为沿图2所示的A-A线的剖面图。该分配器头由外壳4和压电陶瓷片5等构成。分配器头中部开有空腔6，空腔内设置压电陶瓷片5，分配器头上部有一倒钩式接入管(7)，在倒钩式接入管7下口和分配器头下端处分别设置孔口8，分配器头中心部位开有孔道9，将倒钩式接入管7、空腔6及孔口8之间贯通。在该分配器头上施加脉冲电压，可使压电陶瓷片5振动，激发声波使液滴从分配器头下端处的孔口8喷出。喷出液滴大小随压电陶瓷片5的振幅变化可调。此类分配器头虽然制作工艺相对简单，制作成本较低，但是工作时分配器头所处状态依然无法得知，无法在连续工作时对其实时监测，仍然存在和如图1所示的分配器头相同的问题。
本实用新型的任务是提供一种微量液体分配器头，在其工作时，分配器头工作状态可测，可对分配器头实现实时监测，若加上配套电路，可实现对分配器头的反馈控制，此反馈控制使分配器头始终运行在预先要求的状态下。
为了解决上述任务，本实用新型采用的解决方案是对前面提及的带有压电陶瓷片的那一类分配器头进行改造，与挤压腔内液体的压电陶瓷片相对安置另一块压电陶瓷片来测量腔内声波，以此来实现对分配器头的实时监测。
依据本实用新型的一个方面，提供了一种微量液体分配器头，包括外壳、空腔、用于挤压腔内液体的压电陶瓷片以及贯通孔道和孔口，在所述挤压腔内液体的压电陶瓷片对面设有一测量用压电陶瓷片。
依据本实用新型的另一个方面，提供了一种微量液体分配器头，包括管体、设在管体上用以挤压管内液体的压电陶瓷管以及喷口，在所述管体上还设有一测量用压电陶瓷管。
在本实用新型中，我们所揭示的压电液体分配器技术借助于压电转换器来实现生物化学相关溶液和悬浮液的精确微量分配。本仪器适用于粘度从0.5至500毫帕的液体，获得的液滴大小从5皮升至数纳升，工作速度高达每秒10000液滴。液体可单滴或多滴积累分配，以适应较宽的容量范围。压电液体分配器工作时类似一台喷墨打印机，压电转换器以及高的精度产生直径30至100微米的小液滴。压电液体分配器技术给医学诊断提供了一个新的方法，通过一个小点即可进行过敏、免疫或其它生物反映的微分析，如果一个玻璃片上有几百个小点(称作生物芯片阵列)，则只需一小滴血液就可以进行几百个诊断试验。
该系统不仅极其适合于处理生物样品，而且可处理润滑油、环氧树脂和化学药品。其应用包括飞机制造、电信和计量学。
以下结合附图对本实用新型进行进一步的说明，其中图1是示出常规微量液体分配器头的典型构造的剖面图；图2是示出带有压电陶瓷片的一种常规微量液体分配器头的局部剖开的正视图；图3是示出沿图2所示A-A线的剖面图；图4是依据本实用新型一个实施例的微量液体分配器头的局部剖开的正视图；图5是示出沿图4所示A-A线的剖面图；以及图6是依据本实用新型另一个实施例的微量液体分配器头的剖面图。
从以下描述并结合附图，将使本实用新型的进一步优点和目的变得更加明显起来。
图4是依据本实用新型一个实施例的微量液体分配器头的局部剖开的正视图，而图5是沿图4所示A-A线的剖面图。如图4和图5所示，该分配器头由外壳10和压电陶瓷片11等构成。分配器头中部开有空腔12，空腔内设置压电陶瓷片11，分配器头上部有一倒钩式接入管13，在倒钩式接入管13下口和分配器头下端处分别设置孔口14，分配器头中心部位开有孔道15，将倒钩式接入管13、空腔12及孔口14之间贯通。在该分配器头上施加脉冲电压，可使压电陶瓷片11振动，激发声波使液滴从分配器头下端处的孔口14喷出。喷出液滴大小随压电陶瓷片11的振幅变化可调。
如图5所示，在分配器头中部所开设的空腔12内，与压电陶瓷片11相对还设置压电陶瓷片16，其中一压电陶瓷片11用于挤压腔内液体使其喷出分配器头，另一压电陶瓷片16用于在工作时实时测量腔内声波变化。利用压电陶瓷片16可在试制阶段测量整个系统的固有频率及系统阻尼等参数，可检测腔内声波等其它物理参数，并可得出物理参数和电学参数和结构参数之间的关系，以便进行分配器头参数标定和最佳工作点确定。此外，当分配器头连续工作时，可利用压电陶瓷片16实现实时监测腔内声波等其它物理参数，若发现实际值与理想值有较大偏离，可及时停止工作并加以纠正。此外，若配备配套电路，可实现对分配器头的反馈控制。
在图4和图5所示的实施例中，压电陶瓷片11和压电陶瓷片16大小相同，位置平行，但是如本领域内的技术人员可知，在实际应用中，这两者的大小可以有所不同，例如，压电陶瓷片11比压电陶瓷片16大，反之亦然，且这两者相互之间的夹角也可以不是0°，例如，可以是0°～180°。
图6依据本实用新型另一个实施例的微量液体分配器头的剖面图。图6是根据本实用新型的实时监测反馈控制原理对现有管式压电陶瓷式液滴分配器头的改进。如图6所示，此微量液体分配器头由毛细管2、喷嘴3及两个压电陶瓷管1和17组成，这两个压电陶瓷管套11和17分别套设在毛细管2的下端和上端。离喷嘴3较近的压电陶瓷管1较长，用来挤压毛细管2内的液体，而位于上端的陶瓷管17较短，用来实时测量毛细管2内的声波变化。
所述实施例的工作原理与图5中所示的实施例相类似，即利用压电陶瓷管17可在试制阶段测量整个系统的固有频率及系统阻尼等参数，可检测腔内声波等其它物理参数，并可得出物理参数和电学参数和结构参数之间的关系，以便进行分配器头参数标定和最佳工作点确定。此外，当分配器头连续工作时，可利用压电陶瓷片17实现实时监测腔内声波等其它物理参数，若发现实际值与理想值有较大偏离，可及时停止工作并加以纠正。此外，若配备配套电路，可实现对分配器头的反馈控制。
在图6所示的实施例中，压电陶瓷管1较长而压电陶瓷管17较短，且压电陶瓷管1更靠近分配器头下端的喷嘴3，但是如本领域内的技术人员可知，在实际应用中不限于这样的规定，压电陶瓷管1不一定比压电陶瓷管17长，这两者可以相等或压电陶瓷管17更长，且压电陶瓷管1和压电陶瓷管17的位置可根据需要进行更为灵活地变动。例如，这两者之间的距离缩短或变大，或者压电陶瓷管17更靠近喷嘴3等。虽然在本实施例中，挤压液体用的压电陶瓷元件和实时测量用的压电陶瓷元件都采用了压电陶瓷管的形式，但本领域内的技术人员应理解，所述压电陶瓷元件不限于这种形状，它可根据实际需要以及毛细管的形状而改变。此外，测量用压电陶瓷管17的共振频率可大于挤压用压电陶瓷管1的共振频率，但这不是对本实用新型的限制。
如上所述，依据本实用新型的压电液体分配器中可以含有两种液体，其底部含所需的液体，而在上部是不相容，不互相渗透的液体。
如上所述，依据本实用新型的压电液体分配器头相对于已有技术的优点在于，其制作工艺相对简单，制作成本较低，可在分配器头连续工作时测量分配器头的工作状态并可对分配器头实现实时监控，若加上配套电路，可实现对分配器头的反馈控制，从而使分配器头始终运行在预先要求的状态下。
药物研发与组合化学为了开发新药，寻找特定的化学组合的药物，依据本实用新型的高精度液体分配器可精确的将多种不同成分的液体混合通过一系列筛�。烧业教囟ǖ淖楹�。
飞行器制造在高性能飞行器的制造中，需要钻精密的铆钉孔。钻孔时使用依据本实用新型的压电液体分配器注入极少量的润滑油，可以节省高达99％的昂贵润滑油。而且不用清洗飞机机身，因为润滑油仅喷到钻头上，不会在孔边形成污渍。
气象研究气象研究中一个极富魅力的例子是在超声场中的悬浮水滴的表面实验对于水蒸发造成水滴大小改变的问题。使用依据本实用新型的压电液体分配器很容易进行补偿，只要把小水滴直接射入大水滴中，就能保持水滴大小不变。这同样适用于化学药品，由于冲击能量非常�。换岫运挝恢貌跋�。
电信电信业需要将激光耦合入玻璃光纤，这可通过与小于1mm的微透镜结合起来实现。这些透镜的结合需要极小量的粘合剂，否则无法进行必要的微量调整。采用依据本实用新型的压电液体分配器技术，即加入小于100皮升量的紫外烘干粘剂，便可解决这一问题。
小轴承的润滑手表中的微轴承需要加用量非常精确的润滑油。在许多手表制造厂中这仍然须由手工完成，而且花费昂贵。通常远东的妇女都在显微镜下做这项工作。如果采用依据本实用新型的压电液体分配器，不仅能做到更廉价、精确，而且更快速、高效。
移动电话中扬声器的装配移动电话的需求近年来连续增长，而电话的重量和工作性能也倍受关注。这意味着在减小外型尺寸的同时，还要提高电话内部的技术含量。装配技术的提高同样是必要的，这包括了微扬声器制作中粘合剂的高精度配给。粘合剂的过量会影响膜的振动特性，不足会导致结合不牢。其变化的余地很小，通常的配给系统不能满足要求。依据本实用新型的压电液体分配器可制成高精度配给系统，保证产品的高质量和产量。
CCD上的玻璃光纤玻璃光纤需要固定成精密的矩阵，以对准相应的CCD阵列。为实现这一目的，需要将紫外烘干粘合剂填入矩阵孔中。液体的用量不仅需要很小(＜10μl)而且必须很精确，避免再用虹吸力进行调整。安装在XYZ平台上的依据本实用新型的压电液体分配器可对每个矩阵孔进行精确的寻址。
权利要求1．一种微量液体分配器头，包括外壳、空腔、用于挤压腔内液体的压电陶瓷片以及贯通孔道和孔口，其特征在于在所述空腔内，在所述挤压腔内液体的压电陶瓷片(11)对面设有一测量用压电陶瓷片(16)。
2．根据权利要求1所述的微量液体分配器头，其特征在于所述测量用压电陶瓷片(16)与所述挤压腔内液体的压电陶瓷片(11)之间夹角为0°～180°。
3．一种微量液体分配器头，包括管体、设在管体上用以挤压管内液体的压电陶瓷管以及喷口，其特征在于在所述管体上还设有一测量用压电陶瓷管。
4．根据权利要求3所述的微量液体分配器头，其特征在于所述测量用的压电陶瓷管的共振频率大于挤压用压电陶瓷管的共振频率。
5．根据权利要求1或3所述的微量液体分配器头，其特征在于所述液体分配器中含有两种液体，其底部含所需的液体，而在上部是不相容，不互相渗透的液体。
专利摘要本实用新型公开了一种通过测腔内声波的回馈控制微量液体分配器头,它在原有分配器头的基础上再增加一压电陶瓷片测量腔内声波。当该分配器头在工作时,挤压腔内液体的压电陶瓷片产生振动,其振幅与腔内声波及喷出液滴的大小相关。再用测量用压电陶瓷片测量腔内声波,用于在调试阶段标定分配器头参数及最佳工作点,并在连续工作时对分配器头进行实时监测,若再加上配套的电路可实现对分配器头的反馈控制。
文档编号G01N1/14GK2446511SQ0024929
公开日2001年9月5日 申请日期2000年9月19日 优先权日2000年9月19日
发明者杭志强, 李学全, 杨亚川 申请人:上�：吞┕獾缈萍加邢薰�
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