舒霞云,陳 賽,常雪峰,歐陽(yáng)麗

(1.廈門(mén)理工學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,福建 廈門(mén)361024;2.精密驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門(mén)理工學(xué)院),福建 廈門(mén)361024;3.廈門(mén)市智能制造高端裝備研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門(mén)361024;4.集美大學(xué) 海洋裝備與機(jī)械工程學(xué)院,福建 廈門(mén)361024)

0 引言

霧化是產(chǎn)生微米級(jí)液滴的一項(xiàng)重要技術(shù),該技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物制藥、農(nóng)業(yè)噴霧及薄膜制備等方面。傳統(tǒng)霧化方法,如壓力霧化[1-2]、氣流霧化[2-5]與旋轉(zhuǎn)霧化[6-7]等,通常采用高速旋轉(zhuǎn)、高速氣流或極大壓力將能量施加給液體,導(dǎo)致液面破裂產(chǎn)生液滴,故而霧化效率不高,產(chǎn)生的液滴尺寸通常也較大、分散性廣,液滴尺寸與霧密度不能獨(dú)立控制。Pizziol等[8]提出了一種新的氣流噴射器設(shè)計(jì),它由多個(gè)射流同時(shí)沖擊產(chǎn)生噴霧,并使用額外的空氣射流來(lái)輔助霧化過(guò)程。超聲波霧化[9-10]是一種被廣泛使用的霧化方法,與上述霧化相比,超聲波霧化結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單且成本低,液滴直徑可通過(guò)改變超聲波頻率來(lái)變化。傳統(tǒng)的超聲波霧化在縮小霧化液滴尺寸方面存在挑戰(zhàn),若要生成微小液滴,需要增大輸入頻率,但會(huì)導(dǎo)致能量消耗增大和設(shè)備體積增大。為解決上述問(wèn)題,基于聲表面波技術(shù)的超聲波霧化吸引了國(guó)內(nèi)外眾多研究者的注意力。聲表面波(SAW)霧化器[11-12]能夠快速產(chǎn)生微米與亞微米級(jí)液滴,并具有能量集中、小型化、便攜化與低功率輸入等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的超聲波霧化方法相比,它具有霧化效率更高、霧化液滴更均勻、噴射方向和液滴大小更可控等優(yōu)點(diǎn)。Castro等[13]使用毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)的自補(bǔ)充液體進(jìn)料與聚焦的SAW脈沖激勵(lì)相結(jié)合,構(gòu)建了一種微型平臺(tái),能夠連續(xù)高效地產(chǎn)生直徑?(60～500)μm的單個(gè)或多個(gè)液滴。Yabe等[14]研制了一種諧振頻率為19.9 MHz,基底材料為128°Y-X鈮酸鋰的SAW霧化器,它可以產(chǎn)生亞毫米級(jí)的窄霧狀噴霧且噴霧自動(dòng)收斂。

在現(xiàn)有的高頻聲表面波霧化器研究中,霧化的液滴尺寸多為亞毫米級(jí),難以實(shí)現(xiàn)較高霧化精度的實(shí)驗(yàn)需求。為了解決這一現(xiàn)狀,本文進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究,設(shè)計(jì)加工了基底材料為128°Y-X鈮酸鋰,諧振頻率為19.259 MHz的霧化裝置,實(shí)現(xiàn)了3 μm尺度的霧化精度,進(jìn)一步提高了聲表面波器件的泛用性。

1 SAW器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 SAW激勵(lì)原理

SAW霧化是一種基于逆壓電效應(yīng)的霧化方法。霧化器主要由壓電基底與叉指換能器(IDT)組成,IDT的設(shè)計(jì)參數(shù)直接決定了SAW器件性能。SAW的激勵(lì)原理如圖1所示,將高頻正弦交流信號(hào)施加在連接有IDT各指條的匯流條上,壓電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生交變電場(chǎng),由于逆壓電效應(yīng),輸入的正弦信號(hào)將轉(zhuǎn)變?yōu)榛妆砻娴募{米級(jí)振幅形變,并沿與叉指電極垂直的方向進(jìn)行傳播。壓電基底表面的這種微小運(yùn)動(dòng)稱(chēng)作SAW。

圖1 SAW器件的工作原理

1.2 叉指換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

最常見(jiàn)的激勵(lì)SAW方式是IDT。IDT是由一系列周期分布,與匯流條總線(xiàn)連接且相互交錯(cuò)的金屬指條組成,結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,使用最廣泛的是均勻IDT,即a=b=M/4,它可以同時(shí)在兩個(gè)方向上激發(fā)SAW。

圖2 IDT結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 叉指換能器和壓電基底的參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮到Al的導(dǎo)電性能好,易沉積,故在后續(xù)仿真與實(shí)驗(yàn)中采用Al作為電極材料。

在設(shè)計(jì)IDT時(shí)需要綜合考慮聲孔徑的寬度和其他因素,以獲得更優(yōu)異的性能。通常設(shè)置IDT的聲孔徑W為10λ～100λ。綜合考慮以上因素,取W=50λ(其中λ為波長(zhǎng))。

在均勻的IDT中,電極寬度與電極間距相等,故有:

(1)

IDT上加載的正弦電信號(hào)頻率f與SAW的中心頻率f0相等,即f=f0時(shí),輸出的SAW能量最強(qiáng),此時(shí)IDT工作在聲同步狀態(tài),IDT的周期長(zhǎng)度與激勵(lì)產(chǎn)生的SAW波長(zhǎng)為

(2)

此時(shí),電極寬度與指間寬度為

(3)

所選的壓電基底材料為128°Y-X鈮酸鋰,SAW在其傳播速度vc為3 990 m/s。考慮到功率放大器截止頻率,選定f0為20 MHz,根據(jù)式(2)可計(jì)算得到λ約為199.5 μm,故其叉指電極指寬a與指寬b均為50 μm。

由于熔煉工藝決定了陽(yáng)極板的化學(xué)成分，化驗(yàn)結(jié)果分析有滯后性，因此，一定程度上陽(yáng)極板的物理外觀以及極板懸垂度將會(huì)比較直觀的影響陰極銅質(zhì)量，而陽(yáng)極板裝槽后可依據(jù)陰極銅結(jié)晶狀況適時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，以免造成陰極銅后期質(zhì)量波動(dòng)。

由于SAW器件加工屬于微納制造,制造過(guò)程中存在尺寸偏差,同時(shí)增加叉指對(duì)數(shù)N會(huì)增大制作難度,且整體體積也將隨之增大,所以在實(shí)際制作中,為了實(shí)現(xiàn)SAW器件的微型化,綜合考慮確定N為20。

諧振峰差值越小,器件的反射率越大。當(dāng)電極厚度過(guò)大,高頻工作狀態(tài)下叉指電極易發(fā)生斷裂。因此,在實(shí)際制造過(guò)程中應(yīng)當(dāng)盡可能減小叉指電極的厚度,同時(shí)確保仍能激發(fā)SAW?？紤]到器件性能與加工工藝的限制,設(shè)定IDT厚度為100 nm。

經(jīng)過(guò)理論研究設(shè)計(jì),所選用的叉指換能器參數(shù)和壓電基底材料參數(shù)如表1、2所示。

表1 壓電基底參數(shù)

表2 叉指換能器的參數(shù)

2 聲表面波器件仿真與聲波數(shù)值模擬

2.1 聲表面波超聲器件仿真分析

2.1.1 模態(tài)分析

由于IDT為簡(jiǎn)單重復(fù)性器件,為了簡(jiǎn)化復(fù)雜結(jié)構(gòu)并減少計(jì)算量,基于SAW器件的單個(gè)周期建立幾何模型如圖3所示。

圖3 SAW器件局部幾何模型圖

整個(gè)仿真基于壓電效應(yīng)進(jìn)行,即IDT在信號(hào)激勵(lì)下,壓電基底表面產(chǎn)生的微小運(yùn)動(dòng)。COMSOL仿真軟件中壓電效應(yīng)分析是基于壓電本構(gòu)方程進(jìn)行描述:

K=cS-e′E

(4)

D=eS+εE

(5)

式中:K為應(yīng)力;D為電位移;S為應(yīng)變;E為電場(chǎng)強(qiáng)度;c為彈性矩陣;e為壓電耦合矩陣;ε為相對(duì)介電常數(shù)矩陣。

仿真得到的振動(dòng)模態(tài)中符合瑞利波傳播特點(diǎn)的主要包括對(duì)稱(chēng)模態(tài)與反對(duì)稱(chēng)模態(tài),如圖4所示,雖然特征頻率研究中振動(dòng)位移并不是實(shí)際位移,但是振動(dòng)模態(tài)與頻率研究中基本一致。當(dāng)SAW器件處于對(duì)稱(chēng)模態(tài)時(shí),阻抗極小,聲波振動(dòng)的最大位移位于電極中間的基底區(qū)域,所對(duì)應(yīng)的頻率為反諧振頻率fs;而處于反對(duì)稱(chēng)模態(tài)時(shí),阻抗極大,振動(dòng)位移集中在電極上,其頻率被稱(chēng)為諧振頻率fp,為18.269 MHz。由仿真結(jié)果可見(jiàn),在SAW傳播過(guò)程中,僅在基底表面的兩倍波長(zhǎng)以?xún)?nèi)的區(qū)域能看見(jiàn)波動(dòng),其余區(qū)域位移幾乎為0。

圖4 SAW器件模態(tài)圖

2.1.2 瞬態(tài)分析

SAW的諧振頻率為

(6)

根據(jù)式(6)可知,f0約為20 MHz,故SAW傳播一個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)T=1/f0=0.05 μs。瞬態(tài)仿真分析設(shè)置分析時(shí)長(zhǎng),開(kāi)始時(shí)間T0為0,步長(zhǎng)為T(mén)/40,計(jì)算至第12個(gè)周期結(jié)束。選取t=3T與t=12T兩個(gè)時(shí)刻的位移振型圖,如圖5所示。由圖可見(jiàn),SAW器件在交流信號(hào)激勵(lì)下,聲波可以在左右兩個(gè)方向上傳播,從而在水平方向上形成波動(dòng)效應(yīng),聲波最大振幅為納米級(jí)且大部分都集中在表面,并在兩側(cè)的低反射邊界處消失。

圖5 SAW傳播不同時(shí)刻仿真圖

2.2 聲表面波和液體作用數(shù)值模擬

聲波仿真主要基于壓電與壓力聲學(xué)物理場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn),瞬態(tài)分析聲波的動(dòng)態(tài)傳播過(guò)程,仿真開(kāi)始時(shí)間為0,時(shí)間步進(jìn)設(shè)置為T(mén)/20,T為激勵(lì)產(chǎn)生的SAW周期,約為5.040 6×10-8s,整個(gè)分析總時(shí)長(zhǎng)為50T。圖6為截取的部分時(shí)間點(diǎn),聲波在液滴內(nèi)部的聲場(chǎng)分布情況。

圖6 不同時(shí)刻液體內(nèi)部聲場(chǎng)分布圖

由圖6可見(jiàn),當(dāng)t=0時(shí),聲壓還未傳播到液體內(nèi)部,此時(shí)液體內(nèi)部無(wú)聲壓,直到t=17.642 ns時(shí),行波SAW進(jìn)入液體,液體內(nèi)才存在可見(jiàn)的聲壓分布;當(dāng)t=0.165 9 μs時(shí),液體中的聲壓場(chǎng)清晰可見(jiàn),不同顏色代表不同的聲壓值,聲壓呈斜條紋間隔分布,聲壓條紋的法向方向與垂直方向約成25°角,與瑞利角相符;t=1.159 3 μs時(shí),聲波擴(kuò)散至整個(gè)液體中。隨著聲波在液體中繼續(xù)傳播,液體中逐漸出現(xiàn)輪廓清晰的壓力節(jié)點(diǎn)(聲輻射壓力AP為0)與反壓力節(jié)點(diǎn)(聲輻射壓力AP為最大值)。這是因?yàn)樵趬毫β晫W(xué)物理場(chǎng)設(shè)置中,液滴的兩側(cè)設(shè)為硬聲場(chǎng)邊界條件,因此,當(dāng)SAW傳播至液體的最右側(cè)邊界,反射波與激勵(lì)產(chǎn)生的SAW相互干涉形成駐波,從而在液體中形成壓力節(jié)點(diǎn)與反壓力節(jié)點(diǎn)。通過(guò)模擬計(jì)算,沿水平方向的兩個(gè)相鄰壓力節(jié)點(diǎn)之間的距離約為SAW波長(zhǎng)的1/2,最大聲壓出現(xiàn)在靠近LiNbO3襯底的反壓力節(jié)點(diǎn)上。若液體中存在懸浮顆粒,在聲輻射壓力作用下顆粒將產(chǎn)生橫向偏移,根據(jù)顆粒性質(zhì)偏移至壓力節(jié)點(diǎn)或反壓力節(jié)點(diǎn)。

3 聲表面波的霧化實(shí)驗(yàn)

3.1 霧化器件諧振頻率分析

使用剝離法在128°Y-X型LiNbO3上進(jìn)行加工,工藝中采用正/負(fù)可改變型光刻膠AZ5214與掩膜版。實(shí)物圖及在輪廓儀下的局部放大二維圖如圖7所示。

圖7 SAW器件實(shí)物圖與放大圖

通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(KEY SIGHT E5080A)測(cè)試所制備的SAW器件的插入損耗與諧振頻率,插入損耗最小的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為SAW器件的諧振頻率,如圖8所示。

圖8 SAW器件的插入損耗圖

該SAW器件的諧振頻率為19.175 MHz,此時(shí)插入損耗最小(為-23.70 dB),與2.1.1節(jié)中所得的諧振頻率有所差異。這是因?yàn)橹圃爝^(guò)程中出現(xiàn)了偏差,即使在相同的制作條件下,IDT的電極寬度相互之間也可能存在差異,導(dǎo)致波長(zhǎng)不同,故而使諧振頻率與理論頻率之間存在一定的偏差。即使對(duì)理論設(shè)計(jì)波長(zhǎng)相同的SAW器件的諧振頻率進(jìn)行測(cè)試,諧振頻率與理論值也有所偏差。

3.2 聲表面波霧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了更清楚地記錄液滴霧化,利用高速攝像機(jī)逐幀拍攝記錄霧化過(guò)程中液滴的狀態(tài)變化,分析霧化現(xiàn)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋SAW霧化的內(nèi)在機(jī)制。圖9為一組用1 000 fps(幀速率)的高速攝像機(jī)拍攝的完整霧化過(guò)程圖。SAW霧化器的中心頻率為19.1 MHz,激勵(lì)信號(hào)幅值為500 mV,該液滴原始體積約為2 μL,整個(gè)霧化過(guò)程持續(xù)時(shí)間為3 s。

圖9 2 μL水在500 mV下的霧化過(guò)程

3.2.1 諧振頻率對(duì)霧化速率的影響

霧化速率(即霧化液滴體積除以霧化持續(xù)時(shí)間)與輸入信號(hào)幅值、諧振頻率的關(guān)系如圖10所示。實(shí)驗(yàn)中霧化對(duì)象均為0.1 μL去離子水,實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為20.1 ℃,空氣濕度為57%。為了得到準(zhǔn)確的結(jié)果,每個(gè)輸入信號(hào)下的霧化速率測(cè)試3次,再對(duì)結(jié)果取平均值。

圖10 霧化速率與信號(hào)幅值的關(guān)系

結(jié)果表明,霧化速率與輸入信號(hào)幅值正相關(guān)。同頻率的SAW器件,隨著輸入功率的增加,霧化速率也將增加,這是因?yàn)檩斎牍β试龃?耦合進(jìn)入液體中的能量隨之增大,導(dǎo)致霧化速率加快。相同輸入信號(hào)幅值下,頻率為19.108 MHz的霧化速率比12.703 MHz的低。在440 mV激勵(lì)信號(hào)下,12.703 MHz與19.108 MHz器件的霧化速率分別為0.24 μL/s和0.059 μL/s。在相同輸入信號(hào)幅值下,高頻器件產(chǎn)生的SAW耦合進(jìn)入液體中的功率遠(yuǎn)低于低頻器件,頻率越高,器件的能量利用率越小。這是因?yàn)樵诟叩腟AW頻率下,SAW的波長(zhǎng)和振動(dòng)幅度越小,導(dǎo)致液滴內(nèi)的聲能相對(duì)較小,霧化速率較低。

3.2.2 諧振頻率對(duì)霧化速率的影響

以1 μL去離子水滴為母液滴體積,霧化器諧振頻率為19.259 MHz,輸入信號(hào)幅值為420 mV,通過(guò)粒度分析儀測(cè)量霧化液滴的尺寸分布,如圖11所示。對(duì)某一直徑的液滴體積占總體積的百分比,即體積頻率分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì),圖粒徑測(cè)試結(jié)果可以觀察到明顯的三峰分布。

圖11 粒徑分布圖

測(cè)試結(jié)果表明,液滴尺寸從幾微米到幾百微米,主要存在3個(gè)峰值,分別集中在3 μm、30 μm與500 μm附近。圖11中峰2的積聚體積相對(duì)較大,液滴大小范圍為10～100 μm,峰3液滴分布范圍200～800 μm,而霧化液滴粒徑在?10 μm以下的占比約為27.75%。通常情況下,峰3對(duì)應(yīng)的液滴主要來(lái)源于液滴發(fā)生夾斷效應(yīng),從母液滴頂部上掐斷產(chǎn)生;而峰2對(duì)應(yīng)的液滴是噴射過(guò)程中射流破碎產(chǎn)生的衛(wèi)星液滴,由Eckart流控制;峰1對(duì)應(yīng)的液滴為霧化液滴,由Schlichting流主導(dǎo),其直徑由慣性毛細(xì)波共振頻率決定,是霧化中的小液滴。

3.2.3 輸入功率對(duì)霧化粒徑的影響

圖12為諧振頻率為12.703 MHz的SAW器件在不同輸入功率下霧化去離子水的粒徑分布圖。由圖可見(jiàn),霧化液滴粒徑分布跨度較大。同時(shí)在輸入功率為3.61 W時(shí),大液滴的體積頻率較顯著。這是因?yàn)樵诘洼斎胄盘?hào)下,液滴在完整霧化過(guò)程中前期的噴射階段消耗了大部分聲波能量,Eckart流明顯減弱,毛細(xì)波數(shù)目減少,毛細(xì)波波長(zhǎng)增加,進(jìn)而導(dǎo)致大液滴的體積頻率增加[15]。將輸入功率增加至3.85 W時(shí),霧化現(xiàn)象越發(fā)明顯,液體迅速被消耗,噴射時(shí)間縮短,表現(xiàn)為峰3的積聚體積降低,由69.33%降為57.75%,峰2的積聚體積由11.22%升至13.16%。因此,為降低霧化過(guò)程產(chǎn)生的大液滴體積頻率,應(yīng)增大輸入功率,使液滴迅速成為液膜,讓霧化從薄液膜上發(fā)生。當(dāng)輸入功率從3.85 W增加到4.11 W時(shí),峰1的數(shù)據(jù)點(diǎn)變化較小,這是因?yàn)樵谳^高輸入功率下,霧化強(qiáng)度的增大使液膜特征長(zhǎng)度逐漸接近極限,而在基底表面亞微米邊界層內(nèi)的Schlichting流不會(huì)得到太多增強(qiáng),所以信號(hào)幅值的進(jìn)一步增大對(duì)霧化液滴尺寸的影響逐漸減小,這與Huang等[16]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖12 不同功率下的粒徑分布

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有的霧化裝置粒徑分散較廣及難以生成大量微米級(jí)與亞微米級(jí)液滴等問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于聲表面波的液滴霧化裝置。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論:

1) 利用COMSOL仿真軟件對(duì)聲表面波器件進(jìn)行建模與分析,得到其仿真諧振頻率為18.269 MHz,且SAW產(chǎn)生的聲波傳播特點(diǎn)符合瑞利波的波浪式運(yùn)動(dòng)特性。

2) 模擬聲表面波的振動(dòng)傳播與基于聲-壓電耦合多物理場(chǎng)模擬聲波在固-液界面的衍射,并驗(yàn)證了聲波在固-液界面以25°衍射進(jìn)入液體,與瑞利角相近。

3) 構(gòu)建聲表面波霧化實(shí)驗(yàn)裝置,并進(jìn)行液滴霧化實(shí)驗(yàn),得到霧化速率與輸入信號(hào)幅值正相關(guān),證明了該裝置可以實(shí)現(xiàn)大量微米級(jí)細(xì)小液滴生成,液滴粒徑基本呈現(xiàn)三峰分布,主要集中在3 μm、30 μm與500 μm。