靳振偉，儲(chǔ)成智，谷 森，徐 偉，汝長(zhǎng)海,2

(1.蘇州大學(xué) 機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

隨著以半導(dǎo)體材料、微電子、柔性導(dǎo)電薄膜和太陽(yáng)能電池為代表的行業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，先進(jìn)的薄膜制備技術(shù)成為關(guān)鍵，對(duì)這些行業(yè)技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。與傳統(tǒng)的壓力噴涂和靜電噴涂相比，壓電噴涂使用壓電霧化的方式能使霧滴粒徑達(dá)微米級(jí)，壓電涂覆法為薄膜制備技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新方向[1]。壓電噴涂是利用超聲波振動(dòng)產(chǎn)生的毛細(xì)波，對(duì)流經(jīng)超聲波換能器工作端的液體進(jìn)行霧化，產(chǎn)生微米級(jí)細(xì)小液滴的技術(shù)，適用于精確層應(yīng)用，可以噴涂任何形狀的物體，具有涂層均勻，壓電霧化噴涂量可控，噴涂質(zhì)量可靠，能耗低，霧化效率高等優(yōu)點(diǎn)。壓電霧化被廣泛應(yīng)用于印刷電路制備[2]、太陽(yáng)能光伏電池[3]、TCO導(dǎo)電涂層[4-5]、抗菌涂層[6-7]等方面。

壓電噴涂系統(tǒng)的核心部分是壓電噴頭，目前使用的噴頭分為低頻和高頻[8]兩種。高頻噴頭多用于噴涂量少的精密涂覆中，在工業(yè)應(yīng)用中存在霧化量小，超聲換能器的可靠性差、極易產(chǎn)生疲勞斷裂、噴頭對(duì)溶液的粘度要求較高、易堵塞等問(wèn)題。為滿(mǎn)足噴涂效率高、均勻性?xún)?yōu)異的要求，用途最廣的是低頻噴頭，但目前的低頻噴頭存在工作效率低，噴霧不均勻、液滴粒徑大等缺點(diǎn)。Frangois Lacas等[9]研究了噴頭霧化液滴尺寸分布和均勻性等問(wèn)題的關(guān)鍵參數(shù)，其霧化過(guò)程中難以同時(shí)控制液滴直徑、液體流量和液滴均勻性。國(guó)內(nèi)也有一些低頻噴頭的研究，如高建民等做了一些低頻的壓電噴頭[10]，但主要方向是微型的，尺寸很小，那么就決定了其霧化量不大，不能滿(mǎn)足大幅面噴涂的應(yīng)用。

為克服高頻壓電噴頭和目前低頻壓電噴頭存在的霧化量小、噴霧不均勻等方面的問(wèn)題。本文擬設(shè)計(jì)一種新型低頻壓電霧化噴頭，該低頻壓電霧化器霧化量大，霧化液滴粒徑小，可靠性較高，可以連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的正常工作，并且噴頭噴涂霧滴的均勻性好，能夠很好地提升涂層的均勻程度。

1 噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為壓電噴頭結(jié)構(gòu)圖。圖中，R1為變幅桿的大端直徑，R2為小端直徑，ln(n=1,2,3,4,5,6)為壓電噴頭各段的長(zhǎng)度。變幅桿主要有圓錐形、指數(shù)形、懸鏈線形及階梯形，為增強(qiáng)變幅桿的某些性能，常將兩種或兩種以上不同形狀的變幅桿組合成復(fù)合變幅桿[11]。結(jié)合階梯形和指數(shù)形變幅桿的特點(diǎn)，本文選用階梯形帶圓弧過(guò)渡段的復(fù)合指數(shù)型變幅桿，其放大倍數(shù)大且應(yīng)力分布均勻。

圖1 壓電噴頭結(jié)構(gòu)圖

(1)

式中：T為表面張力系數(shù)；ρ為液體密度；f為聲波頻率。

由于噴頭振動(dòng)強(qiáng)度和壓電換能器放大性能的要求，噴頭的材料選用鈦合金Ti150A，壓電材料選用4塊圓環(huán)形的PZT-8壓電陶瓷片，其材料性能如表1所示。

表1 材料的性能參數(shù)

根據(jù)半波長(zhǎng)的設(shè)計(jì)把該指數(shù)復(fù)合型噴頭分為6段，總長(zhǎng)L≈76 mm，過(guò)渡段和變幅桿即為復(fù)合變幅桿，后蓋板、壓電陶瓷及前蓋板組成了壓電霧化噴頭的換能器，選定節(jié)面位于前蓋板、過(guò)渡段中間處，節(jié)面處噴頭左右長(zhǎng)度均為λ/4(λ為波長(zhǎng))，其中壓電陶瓷片部分總長(zhǎng)度為l2，后蓋板長(zhǎng)度為l1。結(jié)合等截面桿振動(dòng)方程的通解式及邊界條件，可得節(jié)面左側(cè)λ/4振子簡(jiǎn)化的頻率方程為

(2)

式中:Zi=ρiciSi(i=1,2,3)，ρi為材料密度，ci為材料縱波傳播波速,Si為各段的截面積；kn=ωn/cn(n=1,2,3)為圓波數(shù)，ωn為圓頻率，cn為縱波傳播速度。

(3)

由R1=20 mm、R2=4 mm可計(jì)算出指數(shù)形過(guò)渡段的參數(shù)和結(jié)構(gòu)。根據(jù)已知條件和我們所預(yù)期的設(shè)計(jì)頻率，通過(guò)仿真分析的方法不斷對(duì)噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使噴頭的仿真頻率接近40 kHz(設(shè)計(jì)頻率)，從而達(dá)到更好的共振效果并符合設(shè)計(jì)要求。最終確定噴頭結(jié)構(gòu)的基本尺寸為l1=12.5 mm,l2=12 mm,l3=5 mm,l4=5 mm,l5=9 mm,l6=32.5 mm,R1=20 mm,R2=5 mm。

2 壓電噴頭模態(tài)及諧響應(yīng)分析

利用ANSYS仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的噴頭模型進(jìn)行模態(tài)分析，設(shè)定模態(tài)分析階數(shù)為8階，在0～41 kHz內(nèi)進(jìn)行分析。由于噴頭壓電霧化需通過(guò)換能器的縱向振動(dòng)打散液滴，當(dāng)噴頭頻率為固有頻率時(shí)，壓電噴頭的振動(dòng)為純拉伸的模態(tài)。由模態(tài)分析結(jié)果可知，噴頭的固有頻率為39 550 Hz，振型云圖如圖2所示。

圖2 壓電噴頭的振型云圖

諧響應(yīng)分析采用完全法(Full)，設(shè)置頻率為39 100～39 900 Hz，所得結(jié)果如圖3所示。由圖3(b)可看出，噴頭所加頻率與其固有頻率達(dá)到共振時(shí)，噴頭振幅約為3.9 μm。由壓電噴頭能夠?qū)崿F(xiàn)霧化的振幅要求可知，當(dāng)霧化面的振幅達(dá)2 μm時(shí)可使液流霧化，所以從諧響應(yīng)分析的結(jié)果可確定該噴頭設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

圖3 噴頭諧響應(yīng)分析圖

3 噴頭樣機(jī)實(shí)際頻率和振幅測(cè)試

3.1 噴頭阻抗測(cè)試及對(duì)比分析

有限元仿真分析得到了壓電噴頭的設(shè)計(jì)頻率，下面實(shí)驗(yàn)使用PV520A阻抗分析儀測(cè)試樣機(jī)的實(shí)際頻率。啟動(dòng)阻抗分析儀輸入頻率的搜索范圍為35 000～45 000 Hz，選用自動(dòng)跟蹤方式進(jìn)行掃描，其掃描結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出，壓電噴頭樣機(jī)的實(shí)際頻率為39 912 Hz，與仿真分析結(jié)果(39 550 Hz)的誤差為0.9%，在允許的誤差范圍(小于5%)內(nèi)，說(shuō)明噴頭仿真分析頻率與噴頭實(shí)際頻率基本吻合。

圖4 阻抗測(cè)試

3.2 噴頭實(shí)際振幅測(cè)試及對(duì)比分析

本文采用德國(guó)Polytec高性能單點(diǎn)式激光測(cè)振儀對(duì)噴頭的振動(dòng)幅值進(jìn)行測(cè)量(見(jiàn)圖5)，該測(cè)振儀的控制器選用最新的高性能寬帶數(shù)字解碼技術(shù)的Polytec OFV-5000，以及與之配套的高敏度光學(xué)頭Polytec OFV-525。噴頭實(shí)際振幅的測(cè)量方法:激光測(cè)振儀把光的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)外部連接的示波器顯示出來(lái)，然后再根據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)換算成對(duì)應(yīng)的振幅。

圖5 激光測(cè)振儀測(cè)定噴頭的實(shí)際振幅圖

設(shè)測(cè)振儀控制器的參數(shù)為3.2 μm/V，測(cè)振儀的控制器與示波器連接，測(cè)量的位移結(jié)果經(jīng)控制器轉(zhuǎn)換放大后,以電壓的形式反饋在示波器屏幕。以噴頭的數(shù)字電源電壓為變量來(lái)檢測(cè)噴頭實(shí)際振幅的變化情況，表2為不同電源電壓下的測(cè)試結(jié)果。

表2 在不同電源電壓下示波器測(cè)定噴頭的實(shí)際幅值

通過(guò)諧響應(yīng)分析的結(jié)果可知,噴頭的振幅約為3.9 μm，用激光測(cè)振儀測(cè)試的實(shí)際振幅為3.94～4.32 μm，誤差在10%內(nèi)，在工程設(shè)計(jì)的允許范圍內(nèi)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合噴頭實(shí)際霧化所需振幅的要求。

4 壓電噴頭霧化試驗(yàn)與結(jié)果分析

圖6為激光粒度分析儀測(cè)得驅(qū)動(dòng)電壓不同條件下霧滴粒徑分布情況。為了看出霧滴各粒徑段分布情況，統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。通過(guò)霧滴各粒徑段占比的對(duì)比可直觀地看出噴頭電源電壓與霧滴均勻性的關(guān)系。

圖6 不同驅(qū)動(dòng)電壓下霧滴粒徑分布曲線圖

電壓/V各粒徑段霧滴占比/%?(0～3) μm?(3～30) μm?(30～73) μm?(73～95) μm≥?95 μm2401.7451.3625.7721.132603.7962.9822.1311.102801.1550.4014.0834.373000.6742.4213.6143.30

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)壓電噴頭的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析確定噴頭的頻率與振動(dòng)幅值，證明該噴頭設(shè)計(jì)的合理性。噴頭樣機(jī)測(cè)試結(jié)果與仿真分析結(jié)果的對(duì)比，其誤差在允許的范圍內(nèi)，說(shuō)明有限元仿真法滿(mǎn)足該噴頭實(shí)際設(shè)計(jì)的要求。噴頭電源電壓在24～30 V時(shí)，激光測(cè)振儀測(cè)得噴頭霧化的實(shí)際振幅為3.94～4.32 μm，符合溶液超聲霧化的要求。使用激光粒度儀對(duì)霧滴均勻性進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)測(cè)試可知，壓電噴頭的振幅與霧滴的粒徑和霧化的均勻性有關(guān)，當(dāng)壓電噴頭電源電壓在26 V時(shí)霧滴粒徑的均勻性最好。