均一微滴的应用十分广泛，生成方法越来越高效可控。本文阐述了射流扰动均一微滴制备技术和按需可控均一微滴制备技术的原理。基于脉冲力形成的原理不同，均一微滴制备技术分为压电式、电磁致动式、磁流体式、气压脉冲式和激光流体共振式，总结了5种模式的原理和技术现状。梳理了均一微滴制备技术在电子封装领域、喷墨彩印技术领域、微型件3D打印领域和生物制药等领域的应用现状，并展望了均一微滴制备技术的发展趋势。
均一微滴制备技术所成形的微滴均一性好、成本低、定位精度高和节省原料等显著优势，已经广泛应用到电子封装、喷墨彩印技术、微型件3D打印和生物制药等领域中。依据均一微滴产生的原理，均一微滴制备技术可分为射流扰动均一微滴制备技术（CIJ）和按需可控均一微滴制备技术（DOD）。
射流扰动均一微滴制备技术以射流不稳定理论为基础。喷射腔内流体在压力作用下从喷嘴喷射出射流液柱，在周围气体介质的气动力、表面张力、黏性力和重力的作用下，射流液柱端头断裂形成微滴，再通过调节脉冲力频率和气压，使不稳定的射流液柱端头断裂模式得以调控，形成均一微滴，如图1（a）所示。
按需可控均一微滴制备技术是利用喷嘴上方施加的脉冲力克服喷嘴出口处的表面张力和黏性力以实现喷嘴出口处微液柱的产生。当喷嘴上方施加的脉冲力消失后，在表面张力及喷嘴出口处微液柱惯性力的作用下，喷嘴出口处微液柱断裂形成均一微滴，如图1（b）所示。
图1 射流扰动（a）和按需可控（b）技术制备均一微滴
无论是按需可控还是射流扰动技术均需要稳定一致的周期性脉冲力。目前，可产生周期性脉冲力的模式有5种：压电模式、电磁致动模式、磁流体模式、气压脉冲模式以及激光流体共振模式。如表1所示。
表1 不同脉冲力形成模式下均一微滴制备技术分类
本文在介绍射流扰动微滴制备技术与按需可控微滴制备技术的分类基础上，结合国内外研究现状，阐述射流扰动微滴制备技术与按需可控微滴制备技术产生均一微滴所涉及的各种模式原理及优缺点，并对微滴制备技术的发展趋势进行展望。
1 均一微滴制备模式
1.1
压电模式均一微滴制备技术
压电模式均一微滴制备技术是利用信号源和功率放大器产生的高频可变电信号控制压电陶瓷产生脉冲力，在脉冲力的作用下可实现按需可控和射流扰动两种模式制备均一微滴。根据压电陶瓷中陶瓷片放置位置的不同可分为弯曲构型、挤压构型和推杆构型。
1.1.1 弯曲构型
压电弯曲构型是把压电陶瓷密封在驱动腔体上方，以确保驱动腔体内的流体充满整个驱动腔体内部。当电压驱动信号驱动压电陶瓷运动时，将会在喷嘴上方产生周期性脉冲力。压电弯曲构型所使用的压电陶瓷与流体的接触面积较大，产生的变形驱动较大，可通过按需可控技术制备均一微滴，同时由于压电陶瓷的耐温性差，故多选择水或其他常温流体作为实验材料，结构原理如图2所示。
图2 弯曲构型结构原理
1.1.2 挤压构型
压电挤压构型的原理是将压电陶瓷密封在驱动腔体四周，当电压驱动信号驱动压电陶瓷运动挤压驱动腔四周时，将会在喷嘴上方产生脉冲力。目前该技术用于按需制备均一微滴，同时由于压电陶瓷的耐温性差，故多选择水或其他常温流体作为实验材料，其结构原理如图3所示。
图3 挤压构型按需可控制备均一微滴原理
1.1.3 推杆构型
由于弯曲构型的压电陶瓷与液体直接接触，而压电陶瓷的耐温性差，因此弯曲构型微滴制备实验中多选择水或其他常温流体作为实验材料。为解决温度条件的限制问题，研究人员提出了液体与压电陶瓷不直接接触的压电推杆构型。压电推杆构型主要由叠层式压电陶瓷、推杆、喷嘴工作腔和微喷孔等构成。通过推杆将压电陶瓷与液体隔离，实现高温金属颗粒的制备。在低频条件下脉冲力作用时间长，可以实现按需可控均一微滴制备；而在高频条件下产生的脉冲力较小，脉冲力传递到液柱，控制液柱端头断裂模式，实现射流扰动均一微滴制备，如图4所示。
图4 压电推杆式均一微滴制备原理
1.2
电磁致动模式均一微滴制备技术
北京工业大学于洋等人所在团队利用电磁致动射流扰动技术制备均一焊球，原理为永磁铁与通电螺线管磁力方向变化引起振动杆周期性扰动，控制射流液柱断裂形成微滴。制得200～800µm微焊球，并发现稀土元素可改善焊球表面。图5（a）为装置示意图，图6（a）为含稀土焊球示例。
图5 电磁致动式射流扰动均一微滴制备装置
图6 电磁致动式均一微滴制备实验结果
在此基础上，2013年，西北工业大学唐勇等所在的团队设计实现了电磁致动式微滴按需制备装置，如图5（b）所示。唐勇通过该装置研究了不同脉冲宽度及不同脉冲频率对水微滴形成过程的影响规律，在喷射材料为熔融石蜡、喷嘴直径为100µm、喷射频率为10Hz的条件下实现了电磁致动式按需可控均一微滴的制备，得到了平均直径约为482.7µm的石蜡凸点，直径标准偏差为26.5µm，如图6（b）所示。实验结果表明：电压脉冲频率和微滴直径呈负相关；电压脉冲脉宽和微滴直径呈正相关。
1.3
磁流体模式均一微滴制备技术
磁流体模式均一微滴制备技术是在带电液态金属腔体下方构建微细通道喷嘴，并在带电液体金属外部施加恒定磁场。当电流大小和方向可变的带电金属流体流经恒定磁场时，在腔体液态金属内产生大小和方向可变的电磁力。高频条件下，脉冲电磁力形成表面波实现射流扰动制备；低频条件下，电磁力作为脉冲力实现按需可控制备，原理如图7。
图7 电磁按需和射流扰动制备金属颗粒的发生器示意
2020年，基于磁流体模式，北京工业大学王同举等人所在团队提出了电磁射流扰动技术和按需可控技术制备均一焊球，并研制出相关装置。该技术可以实现不同大小喷嘴孔径下均一焊球的制备，解决了如何在较小的电磁力范围内通过压差调控实现较大孔径范围内的金属颗粒的按需可控制备。在喷嘴孔径为0.41mm的条件下，按需制备了直径在0.60~0.65mm的均一焊球；射流扰动制备了直径在0.68~0.74mm的均一焊球。研究了喷嘴孔径、电流输入波形、电流频率、压差和电流幅值对射流扰动制备均一金属颗粒的影响。实验结果如图8所示。
图8 金属颗粒在0.41mm孔径及相应实验条件下制备金属焊球的形成过程和结果
相较于其他模式，电磁按需可控和电磁射流扰动技术制备均一微滴的驱动力为体积力，实现了无接触驱动，没有机械磨损，且其外部电源电流的大小及波形易于控制，可实现脉冲电流和脉冲电磁力的瞬间响应。
结合气动膜片式和压电膜片式制备均一颗粒的启发，北京工业大学王同举等提出了电磁膜片技术制备均一水滴，该技术解决了电磁按需可控和电磁射流扰动技术只适用于金属颗粒制备的局限性。电磁膜片射流扰动技术的原理为：电磁力发生器内部加持相互垂直的永磁铁和电极。Ga 0.75In 0.25合金充满电磁力发生器内的腔体。当电流通过电磁力发生器的电极，并流经喷嘴上方处于恒定磁场的Ga 0.75In 0.25合金时，将会在弹性膜片上方产生电磁脉冲力。通过弹性膜片把该脉冲力传递到射流液柱表面形成表面波，从而控制射流液柱端头断裂形成均一水滴，如图9所示。研究了喷嘴孔径、压差、扰动频率、射流液柱端头扰动和表面波波长对射流液柱端头断裂成滴行为的影响。在喷嘴孔径为0.15mm、扰动频率在2000~2600Hz时，射流液柱端头可断裂形成均一水滴，直径为0.23~0.27mm。通过改变输入频率和液面气压，得到了输入电流频率和液面气压对水滴形成过程的影响。
图9 电磁膜片射流扰动均一水滴发生器示意
1.4
气压脉冲模式均一微滴制备技术
2002年，气压脉冲模式均一微滴制备技术由多伦多大学Chandra提出。目前，受限于电磁阀开通频率（最高50Hz），该技术在按需可控制备均一微滴方面有应用。其原理是利用电磁阀通断来控制自由液体表面瞬间产生脉冲驱动气压，以用于在喷嘴出口处产生均一微滴，每个脉冲周期对应生成一个均一微滴。由于脉冲气压可耐高温，因此该技术在高温金属制备方面具有显著优势，但该技术受限于电磁阀开通频率，难以高频制备均一微滴，装置如图10（a）所示。2019年，西北工业大学伊浩等选择铝合金（Al88%，Si12%）作为原料，利用气压脉冲微滴制备技术制备了铝液滴并实现了液滴沉积，在以石膏和蒸馏水为主要材料的可溶性芯上沉积铝液滴，制造了具有高质量内表面的金属管，如图10（b）所示。实验结果表明：当沉积频率较高时，热积聚效应会导致相邻液滴之间过度融合，破坏成形精度，降低制造零件的质量。
图10 气压脉冲模式微滴制备技术原理及实验成果
为提升气压脉冲的稳定性，在气压脉冲制备均一微滴技术的基础上，华中科技大学舒霞云所在的研究团队提出了气动膜片式均一微滴制备技术。原理如图11（a）所示，气体脉冲力驱动膜片变形，变形膜片挤压腔体导致喷嘴出口处按需形成均一微滴。华中科技大学肖俊峰等利用气动膜片式均一微滴制备装置，以Sn 63Pb 37为实验材料，在玻璃喷嘴直径为100µm的条件下，制备出直径在155~196µm的锡铅焊球，如图11（b）所示。肖俊峰通过实验探究了驱动气压、脉冲宽度、频率和放气孔内径对均一微滴生成的影响。实验结果表明：液滴直径随驱动气压增大而变小；脉冲高电平时间越短，均一微滴生成需要的驱动气压越大；频率对均一微滴制备过程无明显影响；放气孔内径增大，生成均一微滴需要的驱动气压增大。
图11 气动膜片式均一微滴制备原理（a）及制备的锡铅焊球（b）
1.5
激光流体共振模式均一微滴制备技术
2021年，Liu等提出激光流体共振模式均一微滴制备技术，其原理为当连续波激光束照射透明射流液体（如水）时，会在射流液柱内部产生随时间变化的光压力，在光学压力的作用下射流液柱端头将会断裂形成均一微滴。Liu以乙醇为实验材料，在乙醇流速为1.4mL/min、激光波长为520nm等条件下实现了激光流体共振模式均一微滴的制备。激光流体共振模式微滴制备技术原理如图12所示。
图12 激光流体共振模式制备均一微滴原理及实验结果
1.6
不同模式下均一微滴制备技术的总结
微滴喷射技术受到国内外研究人员高度关注，表2总结了国内外关于均一微滴产生的模式、成滴原理、优点和缺点等。
表2 均匀微滴制备技术国内外研究现状
2 发展趋势及应用现状
2.1
发展趋势
均一微滴使用领域发展要求微滴直径更小、装置更可靠精密。为制备小直径微滴，科研人员有三种方案：减小喷嘴孔径易实现非金属微滴制备但金属微滴易堵塞；大喷嘴孔径下用较大脉冲力制备小微滴适用于按需可控技术；大喷嘴孔径液柱通过气液流动聚焦形成小液柱再断裂成微滴。
2.2
应用现状
均一微滴在电子封装领域、喷墨彩印领域、精密制备领域和生物医学领域等有着广泛应用，具体如下。
1）电子封装领域：均一微滴制备技术既可用于制备电子封装用微焊球，也可在电路板上直接打印所需电路，也可以按需打印电子器件所需的凸点阵列。
2）喷墨彩印领域：目前，喷墨黑白打印已经被激光打印技术所取代，然而均一微滴制备技术在喷墨彩印技术领域具有支配地位。喷墨打印工艺可直接形成图案化的薄膜而无需掩模版，可以精密控制溶液沉积体积和位置，是一种非接触直印式形成图案的技术。喷墨彩印可以实现不同颜色微滴的高效可靠喷印，能够输出高质量图像。
3）精密制备领域：基于均一微滴制备技术而发展起来的微型件3D打印成形技术，具有设备简单、无约束成形和喷射材料范围广的优点，在微小金属构件和电路板打印方面具有较高的应用前景。
4）生物医学领域：精确输送药物，提高治疗效果；打印组织工程细胞载体框架，解决传统组织工程重复性差和无法模拟复杂结构的问题。
3 结论
均一微滴制备技术在多领域展示出极大的应用前景，但随着人们对高品质产品需要的提高，对微滴的均一性要求越来越高，对微滴粒径需求越来越小，对均一微滴所属材料的范围要求越来越广。因此，要进一步推进均一微滴制备技术的应用和发展，尚需在以下2方面开展深入研究。
0.1mm以下金属微球制备，需解决金属流体易堵塞喷嘴问题，可考虑改变工艺或结合流动聚焦技术。
高熔点金属微球高频制备，需探索耐高温扰动机制，以克服现有技术限制。
本文作者：王同举、张琦美、张文倩、雷永平、林健、符寒光
作者简介：王同举，北华航天工业学院电子与控制工程学院，河北省微纳卫星协同创新中心，讲师，研究方向为电子封装技术与相关材料；雷永平（通信作者），北京工业大学材料与制造学部，教授，研究方向为电子封装技术与相关材料。
论文全文发表于《科技导报》2024年第18期，原标题为《均一微滴制备技术研究进展》，本文有删减，欢迎订阅查看。
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