指数复合型低频压电雾化喷头的设计

靳振伟，储成智，谷 森，徐 伟，汝长海,2

(1.苏州大学 机器人与微系统研究中心，江苏 苏州 215021；2.苏州纳米科技协同创新中心，江苏 苏州 215021)

0 引言

随着以半导体材料、微电子、柔性导电薄膜和太阳能电池为代表的行业技术的快速发展，先进的薄膜制备技术成为关键，对这些行业技术的发展起着重要的推动作用。与传统的压力喷涂和静电喷涂相比，压电喷涂使用压电雾化的方式能使雾滴粒径达微米级，压电涂覆法为薄膜制备技术的进一步发展提供了新方向[1]。压电喷涂是利用超声波振动产生的毛细波，对流经超声波换能器工作端的液体进行雾化，产生微米级细小液滴的技术，适用于精确层应用，可以喷涂任何形状的物体，具有涂层均匀，压电雾化喷涂量可控，喷涂质量可靠，能耗低，雾化效率高等优点。压电雾化被广泛应用于印刷电路制备[2]、太阳能光伏电池[3]、TCO导电涂层[4-5]、抗菌涂层[6-7]等方面。

压电喷涂系统的核心部分是压电喷头，目前使用的喷头分为低频和高频[8]两种。高频喷头多用于喷涂量少的精密涂覆中，在工业应用中存在雾化量小，超声换能器的可靠性差、极易产生疲劳断裂、喷头对溶液的粘度要求较高、易堵塞等问题。为满足喷涂效率高、均匀性优异的要求，用途最广的是低频喷头，但目前的低频喷头存在工作效率低，喷雾不均匀、液滴粒径大等缺点。Frangois Lacas等[9]研究了喷头雾化液滴尺寸分布和均匀性等问题的关键参数，其雾化过程中难以同时控制液滴直径、液体流量和液滴均匀性。国内也有一些低频喷头的研究，如高建民等做了一些低频的压电喷头[10]，但主要方向是微型的，尺寸很小，那么就决定了其雾化量不大，不能满足大幅面喷涂的应用。

为克服高频压电喷头和目前低频压电喷头存在的雾化量小、喷雾不均匀等方面的问题。本文拟设计一种新型低频压电雾化喷头，该低频压电雾化器雾化量大，雾化液滴粒径小，可靠性较高，可以连续长时间的正常工作，并且喷头喷涂雾滴的均匀性好，能够很好地提升涂层的均匀程度。

1 喷头结构设计

图1为压电喷头结构图。图中，R1为变幅杆的大端直径，R2为小端直径，ln(n=1,2,3,4,5,6)为压电喷头各段的长度。变幅杆主要有圆锥形、指数形、悬链线形及阶梯形，为增强变幅杆的某些性能，常将两种或两种以上不同形状的变幅杆组合成复合变幅杆[11]。结合阶梯形和指数形变幅杆的特点，本文选用阶梯形带圆弧过渡段的复合指数型变幅杆，其放大倍数大且应力分布均匀。

图1 压电喷头结构图

(1)

式中：T为表面张力系数；ρ为液体密度；f为声波频率。

由于喷头振动强度和压电换能器放大性能的要求，喷头的材料选用钛合金Ti150A，压电材料选用4块圆环形的PZT-8压电陶瓷片，其材料性能如表1所示。

表1 材料的性能参数

根据半波长的设计把该指数复合型喷头分为6段，总长L≈76 mm，过渡段和变幅杆即为复合变幅杆，后盖板、压电陶瓷及前盖板组成了压电雾化喷头的换能器，选定节面位于前盖板、过渡段中间处，节面处喷头左右长度均为λ/4(λ为波长)，其中压电陶瓷片部分总长度为l2，后盖板长度为l1。结合等截面杆振动方程的通解式及边界条件，可得节面左侧λ/4振子简化的频率方程为

(2)

式中:Zi=ρiciSi(i=1,2,3)，ρi为材料密度，ci为材料纵波传播波速,Si为各段的截面积；kn=ωn/cn(n=1,2,3)为圆波数，ωn为圆频率，cn为纵波传播速度。

(3)

由R1=20 mm、R2=4 mm可计算出指数形过渡段的参数和结构。根据已知条件和我们所预期的设计频率，通过仿真分析的方法不断对喷头结构进行优化，使喷头的仿真频率接近40 kHz(设计频率)，从而达到更好的共振效果并符合设计要求。最终确定喷头结构的基本尺寸为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 压电喷头模态及谐响应分析

利用ANSYS仿真软件对设计的喷头模型进行模态分析，设定模态分析阶数为8阶，在0～41 kHz内进行分析。由于喷头压电雾化需通过换能器的纵向振动打散液滴，当喷头频率为固有频率时，压电喷头的振动为纯拉伸的模态。由模态分析结果可知，喷头的固有频率为39 550 Hz，振型云图如图2所示。

图2 压电喷头的振型云图

谐响应分析采用完全法(Full)，设置频率为39 100～39 900 Hz，所得结果如图3所示。由图3(b)可看出，喷头所加频率与其固有频率达到共振时，喷头振幅约为3.9 μm。由压电喷头能够实现雾化的振幅要求可知，当雾化面的振幅达2 μm时可使液流雾化，所以从谐响应分析的结果可确定该喷头设计满足要求。

图3 喷头谐响应分析图

3 喷头样机实际频率和振幅测试

3.1 喷头阻抗测试及对比分析

有限元仿真分析得到了压电喷头的设计频率，下面实验使用PV520A阻抗分析仪测试样机的实际频率。启动阻抗分析仪输入频率的搜索范围为35 000～45 000 Hz，选用自动跟踪方式进行扫描，其扫描结果如图4所示。由图可以看出，压电喷头样机的实际频率为39 912 Hz，与仿真分析结果(39 550 Hz)的误差为0.9%，在允许的误差范围(小于5%)内，说明喷头仿真分析频率与喷头实际频率基本吻合。

图4 阻抗测试

3.2 喷头实际振幅测试及对比分析

本文采用德国Polytec高性能单点式激光测振仪对喷头的振动幅值进行测量(见图5)，该测振仪的控制器选用最新的高性能宽带数字解码技术的Polytec OFV-5000，以及与之配套的高敏度光学头Polytec OFV-525。喷头实际振幅的测量方法:激光测振仪把光的信号转化为电信号，电信号通过外部连接的示波器显示出来，然后再根据转换参数换算成对应的振幅。

图5 激光测振仪测定喷头的实际振幅图

设测振仪控制器的参数为3.2 μm/V，测振仪的控制器与示波器连接，测量的位移结果经控制器转换放大后,以电压的形式反馈在示波器屏幕。以喷头的数字电源电压为变量来检测喷头实际振幅的变化情况，表2为不同电源电压下的测试结果。

表2 在不同电源电压下示波器测定喷头的实际幅值

通过谐响应分析的结果可知,喷头的振幅约为3.9 μm，用激光测振仪测试的实际振幅为3.94～4.32 μm，误差在10%内，在工程设计的允许范围内，说明结构设计符合喷头实际雾化所需振幅的要求。

4 压电喷头雾化试验与结果分析

图6为激光粒度分析仪测得驱动电压不同条件下雾滴粒径分布情况。为了看出雾滴各粒径段分布情况，统计的数据结果如表3所示。通过雾滴各粒径段占比的对比可直观地看出喷头电源电压与雾滴均匀性的关系。

图6 不同驱动电压下雾滴粒径分布曲线图

电压/V各粒径段雾滴占比/%‱(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 结束语

通过压电喷头的模态分析和谐响应分析确定喷头的频率与振动幅值，证明该喷头设计的合理性。喷头样机测试结果与仿真分析结果的对比，其误差在允许的范围内，说明有限元仿真法满足该喷头实际设计的要求。喷头电源电压在24～30 V时，激光测振仪测得喷头雾化的实际振幅为3.94～4.32 μm，符合溶液超声雾化的要求。使用激光粒度仪对雾滴均匀性进行测量，通过测试可知，压电喷头的振幅与雾滴的粒径和雾化的均匀性有关，当压电喷头电源电压在26 V时雾滴粒径的均匀性最好。