指數復合型低頻壓電霧化噴頭的設計

靳振偉，儲成智，谷 森，徐 偉，汝長海,2

(1.蘇州大學 機器人與微系統研究中心，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州納米科技協同創新中心，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

隨著以半導體材料、微電子、柔性導電薄膜和太陽能電池為代表的行業技術的快速發展，先進的薄膜制備技術成為關鍵，對這些行業技術的發展起著重要的推動作用。與傳統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微米級，壓電涂覆法為薄膜制備技術的進一步發展提供了新方向[1]。壓電噴涂是利用超聲波振動產生的毛細波，對流經超聲波換能器工作端的液體進行霧化，產生微米級細小液滴的技術，適用于精確層應用，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，噴涂質量可靠，能耗低，霧化效率高等優點。壓電霧化被廣泛應用于印刷電路制備[2]、太陽能光伏電池[3]、TCO導電涂層[4-5]、抗菌涂層[6-7]等方面。

壓電噴涂系統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，在工業應用中存在霧化量小，超聲換能器的可靠性差、極易產生疲勞斷裂、噴頭對溶液的粘度要求較高、易堵塞等問題。為滿足噴涂效率高、均勻性優異的要求，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。Frangois Lacas等[9]研究了噴頭霧化液滴尺寸分布和均勻性等問題的關鍵參數，其霧化過程中難以同時控制液滴直徑、液體流量和液滴均勻性。國內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，不能滿足大幅面噴涂的應用。

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題。本文擬設計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，可以連續長時間的正常工作，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 噴頭結構設計

圖1為壓電噴頭結構圖。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度。變幅桿主要有圓錐形、指數形、懸鏈線形及階梯形，為增強變幅桿的某些性能，常將兩種或兩種以上不同形狀的變幅桿組合成復合變幅桿[11]。結合階梯形和指數形變幅桿的特點，本文選用階梯形帶圓弧過渡段的復合指數型變幅桿，其放大倍數大且應力分布均勻。

圖1 壓電噴頭結構圖

(1)

式中：T為表面張力系數；ρ為液體密度；f為聲波頻率。

由于噴頭振動強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

根據半波長的設計把該指數復合型噴頭分為6段，總長L≈76 mm，過渡段和變幅桿即為復合變幅桿，后蓋板、壓電陶瓷及前蓋板組成了壓電霧化噴頭的換能器，選定節面位于前蓋板、過渡段中間處，節面處噴頭左右長度均為λ/4(λ為波長)，其中壓電陶瓷片部分總長度為l2，后蓋板長度為l1。結合等截面桿振動方程的通解式及邊界條件，可得節面左側λ/4振子簡化的頻率方程為

(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，ωn為圓頻率，cn為縱波傳播速度。

(3)

由R1=20 mm、R2=4 mm可計算出指數形過渡段的參數和結構。根據已知條件和我們所預期的設計頻率，通過仿真分析的方法不斷對噴頭結構進行優化，使噴頭的仿真頻率接近40 kHz(設計頻率)，從而達到更好的共振效果并符合設計要求。最終確定噴頭結構的基本尺寸為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 壓電噴頭模態及諧響應分析

利用ANSYS仿真軟件對設計的噴頭模型進行模態分析，設定模態分析階數為8階，在0～41 kHz內進行分析。由于噴頭壓電霧化需通過換能器的縱向振動打散液滴，當噴頭頻率為固有頻率時，壓電噴頭的振動為純拉伸的模態。由模態分析結果可知，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

諧響應分析采用完全法(Full)，設置頻率為39 100～39 900 Hz，所得結果如圖3所示。由圖3(b)可看出，噴頭所加頻率與其固有頻率達到共振時，噴頭振幅約為3.9 μm。由壓電噴頭能夠實現霧化的振幅要求可知，當霧化面的振幅達2 μm時可使液流霧化，所以從諧響應分析的結果可確定該噴頭設計滿足要求。

圖3 噴頭諧響應分析圖

3 噴頭樣機實際頻率和振幅測試

3.1 噴頭阻抗測試及對比分析

有限元仿真分析得到了壓電噴頭的設計頻率，下面實驗使用PV520A阻抗分析儀測試樣機的實際頻率。啟動阻抗分析儀輸入頻率的搜索范圍為35 000～45 000 Hz，選用自動跟蹤方式進行掃描，其掃描結果如圖4所示。由圖可以看出，壓電噴頭樣機的實際頻率為39 912 Hz，與仿真分析結果(39 550 Hz)的誤差為0.9%，在允許的誤差范圍(小于5%)內，說明噴頭仿真分析頻率與噴頭實際頻率基本吻合。

圖4 阻抗測試

3.2 噴頭實際振幅測試及對比分析

本文采用德國Polytec高性能單點式激光測振儀對噴頭的振動幅值進行測量(見圖5)，該測振儀的控制器選用最新的高性能寬帶數字解碼技術的Polytec OFV-5000，以及與之配套的高敏度光學頭Polytec OFV-525。噴頭實際振幅的測量方法:激光測振儀把光的信號轉化為電信號，電信號通過外部連接的示波器顯示出來，然后再根據轉換參數換算成對應的振幅。

圖5 激光測振儀測定噴頭的實際振幅圖

設測振儀控制器的參數為3.2 μm/V，測振儀的控制器與示波器連接，測量的位移結果經控制器轉換放大后,以電壓的形式反饋在示波器屏幕。以噴頭的數字電源電壓為變量來檢測噴頭實際振幅的變化情況，表2為不同電源電壓下的測試結果。

表2 在不同電源電壓下示波器測定噴頭的實際幅值

通過諧響應分析的結果可知,噴頭的振幅約為3.9 μm，用激光測振儀測試的實際振幅為3.94～4.32 μm，誤差在10%內，在工程設計的允許范圍內，說明結構設計符合噴頭實際霧化所需振幅的要求。

4 壓電噴頭霧化試驗與結果分析

圖6為激光粒度分析儀測得驅動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，統計的數據結果如表3所示。通過霧滴各粒徑段占比的對比可直觀地看出噴頭電源電壓與霧滴均勻性的關系。

圖6 不同驅動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 結束語

通過壓電噴頭的模態分析和諧響應分析確定噴頭的頻率與振動幅值，證明該噴頭設計的合理性。噴頭樣機測試結果與仿真分析結果的對比，其誤差在允許的范圍內，說明有限元仿真法滿足該噴頭實際設計的要求。噴頭電源電壓在24～30 V時，激光測振儀測得噴頭霧化的實際振幅為3.94～4.32 μm，符合溶液超聲霧化的要求。使用激光粒度儀對霧滴均勻性進行測量，通過測試可知，壓電噴頭的振幅與霧滴的粒徑和霧化的均勻性有關，當壓電噴頭電源電壓在26 V時霧滴粒徑的均勻性最好。