高頻聲表面波液滴霧化器設(shè)計與實驗研究

舒霞云,陳 賽,常雪峰,歐陽麗

(1.廈門理工學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院,福建 廈門361024;2.精密驅(qū)動與傳動福建省高校重點實驗室(廈門理工學(xué)院),福建 廈門361024;3.廈門市智能制造高端裝備研究重點實驗室,福建 廈門361024;4.集美大學(xué) 海洋裝備與機械工程學(xué)院,福建 廈門361024)

0 引言

霧化是產(chǎn)生微米級液滴的一項重要技術(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立控制。Pizziol等[8]提出了一種新的氣流噴射器設(shè)計,它由多個射流同時沖擊產(chǎn)生噴霧,并使用額外的空氣射流來輔助霧化過程。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)較簡單且成本低,液滴直徑可通過改變超聲波頻率來變化。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,但會導(dǎo)致能量消耗增大和設(shè)備體積增大。為解決上述問題,基于聲表面波技術(shù)的超聲波霧化吸引了國內(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。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。Castro等[13]使用毛細(xì)管驅(qū)動的自補充液體進料與聚焦的SAW脈沖激勵相結(jié)合,構(gòu)建了一種微型平臺,能夠連續(xù)高效地產(chǎn)生直徑?(60～500)μm的單個或多個液滴。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)生亞毫米級的窄霧狀噴霧且噴霧自動收斂。

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,難以實現(xiàn)較高霧化精度的實驗需求。為了解決這一現(xiàn)狀,本文進行了仿真分析和實驗研究,設(shè)計加工了基底材料為128°Y-X鈮酸鋰,諧振頻率為19.259 MHz的霧化裝置,實現(xiàn)了3 μm尺度的霧化精度,進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

1.1 SAW激勵原理

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)計參數(shù)直接決定了SAW器件性能。SAW的激勵原理如圖1所示,將高頻正弦交流信號施加在連接有IDT各指條的匯流條上,壓電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生交變電場,由于逆壓電效應(yīng),輸入的正弦信號將轉(zhuǎn)變?yōu)榛妆砻娴募{米級振幅形變,并沿與叉指電極垂直的方向進行傳播。壓電基底表面的這種微小運動稱作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

最常見的激勵SAW方式是IDT。IDT是由一系列周期分布,與匯流條總線連接且相互交錯的金屬指條組成,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,它可以同時在兩個方向上激發(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

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

在設(shè)計IDT時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)。

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頻率f與SAW的中心頻率f0相等,即f=f0時,輸出的SAW能量最強,此時IDT工作在聲同步狀態(tài),IDT的周期長度與激勵產(chǎn)生的SAW波長為

(2)

此時,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?？紤]到功率放大器截止頻率,選定f0為20 MHz,根據(jù)式(2)可計算得到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極板的化學(xué)成分，化驗結(jié)果分析有滯后性，因此，一定程度上陽極板的物理外觀以及極板懸垂度將會比較直觀的影響陰極銅質(zhì)量，而陽極板裝槽后可依據(jù)陰極銅結(jié)晶狀況適時調(diào)整工藝參數(shù)，以免造成陰極銅后期質(zhì)量波動。

由于SAW器件加工屬于微納制造,制造過程中存在尺寸偏差,同時增加叉指對數(shù)N會增大制作難度,且整體體積也將隨之增大,所以在實際制作中,為了實現(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)電極厚度過大,高頻工作狀態(tài)下叉指電極易發(fā)生斷裂。因此,在實際制造過程中應(yīng)當(dāng)盡可能減小叉指電極的厚度,同時確保仍能激發(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)過理論研究設(shè)計,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為簡單重復(fù)性器件,為了簡化復(fù)雜結(jié)構(gòu)并減少計算量,基于SAW器件的單個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

整個仿真基于壓電效應(yīng)進行,即IDT在信號激勵下,壓電基底表面產(chǎn)生的微小運動。COMSOL仿真軟件中壓電效應(yīng)分析是基于壓電本構(gòu)方程進行描述:

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為電場強度;c為彈性矩陣;e為壓電耦合矩陣;ε為相對介電常數(shù)矩陣。

仿真得到的振動模態(tài)中符合瑞利波傳播特點的主要包括對稱模態(tài)與反對稱模態(tài),如圖4所示,雖然特征頻率研究中振動位移并不是實際位移,但是振動模態(tài)與頻率研究中基本一致。當(dāng)SAW器件處于對稱模態(tài)時,阻抗極小,聲波振動的最大位移位于電極中間的基底區(qū)域,所對應(yīng)的頻率為反諧振頻率fs;而處于反對稱模態(tài)時,阻抗極大,振動位移集中在電極上,其頻率被稱為諧振頻率fp,為18.269 MHz。由仿真結(jié)果可見,在SAW傳播過程中,僅在基底表面的兩倍波長以內(nèi)的區(qū)域能看見波動,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傳播一個周期時長T=1/f0=0.05 μs。瞬態(tài)仿真分析設(shè)置分析時長,開始時間T0為0,步長為T/40,計算至第12個周期結(jié)束。選取t=3T與t=12T兩個時刻的位移振型圖,如圖5所示。由圖可見,SAW器件在交流信號激勵下,聲波可以在左右兩個方向上傳播,從而在水平方向上形成波動效應(yīng),聲波最大振幅為納米級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)物理場耦合實現(xiàn),瞬態(tài)分析聲波的動態(tài)傳播過程,仿真開始時間為0,時間步進設(shè)置為T/20,T為激勵產(chǎn)生的SAW周期,約為5.040 6×10-8s,整個分析總時長為50T。圖6為截取的部分時間點,聲波在液滴內(nèi)部的聲場分布情況。

圖6 不同時刻液體內(nèi)部聲場分布圖

由圖6可見,當(dāng)t=0時,聲壓還未傳播到液體內(nèi)部,此時液體內(nèi)部無聲壓,直到t=17.642 ns時,行波SAW進入液體,液體內(nèi)才存在可見的聲壓分布;當(dāng)t=0.165 9 μs時,液體中的聲壓場清晰可見,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,聲波擴散至整個液體中。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(聲輻射壓力AP為0)與反壓力節(jié)點(聲輻射壓力AP為最大值)。這是因為在壓力聲學(xué)物理場設(shè)置中,液滴的兩側(cè)設(shè)為硬聲場邊界條件,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)點與反壓力節(jié)點。通過模擬計算,沿水平方向的兩個相鄰壓力節(jié)點之間的距離約為SAW波長的1/2,最大聲壓出現(xiàn)在靠近LiNbO3襯底的反壓力節(jié)點上。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)點或反壓力節(jié)點。

3 聲表面波的霧化實驗

3.1 霧化器件諧振頻率分析

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

圖7 SAW器件實物圖與放大圖

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(KEY SIGHT E5080A)測試所制備的SAW器件的插入損耗與諧振頻率,插入損耗最小的點對應(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。這是因為制造過程中出現(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。即使對理論設(shè)計波長相同的SAW器件的諧振頻率進行測試,諧振頻率與理論值也有所偏差。

3.2 聲表面波霧化實驗結(jié)果分析

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

圖9 2 μL水在500 mV下的霧化過程

3.2.1 諧振頻率對霧化速率的影響

霧化速率(即霧化液滴體積除以霧化持續(xù)時間)與輸入信號幅值、諧振頻率的關(guān)系如圖10所示。實驗中霧化對象均為0.1 μL去離子水,實驗環(huán)境溫度為20.1 ℃,空氣濕度為57%。為了得到準(zhǔn)確的結(jié)果,每個輸入信號下的霧化速率測試3次,再對結(jié)果取平均值。

圖10 霧化速率與信號幅值的關(guān)系

結(jié)果表明,霧化速率與輸入信號幅值正相關(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,這是因為輸入功率增大,耦合進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激勵信號下,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。在相同輸入信號幅值下,高頻器件產(chǎn)生的SAW耦合進入液體中的功率遠低于低頻器件,頻率越高,器件的能量利用率越小。這是因為在更高的SAW頻率下,SAW的波長和振動幅度越小,導(dǎo)致液滴內(nèi)的聲能相對較小,霧化速率較低。

3.2.2 諧振頻率對霧化速率的影響

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,輸入信號幅值為420 mV,通過粒度分析儀測量霧化液滴的尺寸分布,如圖11所示。對某一直徑的液滴體積占總體積的百分比,即體積頻率分布進行統(tǒng)計,圖粒徑測試結(jié)果可以觀察到明顯的三峰分布。

圖11 粒徑分布圖

測試結(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對應(yīng)的液滴主要來源于液滴發(fā)生夾斷效應(yīng),從母液滴頂部上掐斷產(chǎn)生;而峰2對應(yīng)的液滴是噴射過程中射流破碎產(chǎn)生的衛(wèi)星液滴,由Eckart流控制;峰1對應(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,霧化液滴粒徑分布跨度較大。同時在輸入功率為3.61 W時,大液滴的體積頻率較顯著。這是因為在低輸入信號下,液滴在完整霧化過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)波波長增加,進而導(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,霧化現(xiàn)象越發(fā)明顯,液體迅速被消耗,噴射時間縮短,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,峰1的數(shù)據(jù)點變化較小,這是因為在較高輸入功率下,霧化強度的增大使液膜特征長度逐漸接近極限,而在基底表面亞微米邊界層內(nèi)的Schlichting流不會得到太多增強,所以信號幅值的進一步增大對霧化液滴尺寸的影響逐漸減小,這與Huang等[16]的實驗結(jié)果一致。

圖12 不同功率下的粒徑分布

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有的霧化裝置粒徑分散較廣及難以生成大量微米級與亞微米級液滴等問題,本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于聲表面波的液滴霧化裝置。經(jīng)實驗得到如下結(jié)論:

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

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

3) 構(gòu)建聲表面波霧化實驗裝置,并進行液滴霧化實驗,得到霧化速率與輸入信號幅值正相關(guān),證明了該裝置可以實現(xiàn)大量微米級細(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。