第 1 章  緒   論

1.1  課題背景及研究的目的和意義
在工業(yè)生產(chǎn)，內(nèi)燃機燃料噴射，噴墨打印，農(nóng)業(yè)灌溉，質(zhì)譜分析法，化學(xué)生物反應(yīng)，DNA 芯片的制備都十分重要。這些種種看似毫無關(guān)系的領(lǐng)域都要依賴于高濃度，單分散性，和特定尺寸的噴霧液滴。提供穩(wěn)定可控的生物可降解的微米甚至納米級粒子于肺部給藥過程是當(dāng)今霧化技術(shù)一個十分有前景的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，將表面粒子的微流控技術(shù)應(yīng)用于分子學(xué)診斷與 DNA 分子雜交也是如今該領(lǐng)域研究的前沿方向。 隨著超聲波技術(shù)和電力驅(qū)動技術(shù)[1-3]成熟地運用，霧化過程可以得到很好的控制，并獲得尺寸均勻分布的霧化液滴，因此近年來霧化技術(shù)得到快速地發(fā)展。同時，可以將以上器件整合到微型電系統(tǒng)和微流控芯片上面用以替代當(dāng)前結(jié)構(gòu)尺寸較為龐大的霧化器[4,5]。但是，目前仍然有許多困難限制霧化器的進一步發(fā)展。比如，在微小摩擦的不斷磨損下器件的性能與壽命會受到削減。電流驅(qū)動噴霧器通常需要相當(dāng)高能量的電壓——通常在千瓦以上，才能進行驅(qū)動，這對操作的可靠性與安全性產(chǎn)生了要求。目前，已有許多種類的超聲波霧化器，而這些霧化系統(tǒng)通常是將一個蓄滿液體的液缸置于壓電基片上來產(chǎn)生霧化液滴。這些超聲波霧化器仍然存在若干問題，尺寸過于龐大，產(chǎn)生的目標液滴尺寸不可控，以及當(dāng)溶液蒸發(fā)后在液缸底部產(chǎn)生不必要的沉淀，浪費原料，清理困難等。 為了克服以上問題，基于聲表面波技術(shù)的霧化方法應(yīng)運而生。早期的聲表面波技術(shù)主要聚焦在通信領(lǐng)域中的濾波與信號處理[6]，近幾年才被考慮用于液滴運輸[7]，微泵[8]，微流控[9]，微混合[10,11]以及微粒的收集[12]，片上實驗室（lab on chip）技術(shù)[13]與生物細胞接種[14]等微流體方面的研究。 十年前也許霧化進入的研究領(lǐng)域都集中在噴墨打印技術(shù)，但是隨著聲表面技術(shù)的帶動，如今的霧化技術(shù)有了更廣闊的應(yīng)用前景。微液滴在分析化學(xué)中已經(jīng)開始起到越來越重要的作用。因為微液滴可以重復(fù)地按照需求制備。而霧化技術(shù)在DNA 微陣列上的應(yīng)用也經(jīng)歷著爆炸式的增長。像核苷酸和試劑遞送到選定的生物芯片上就需要精確的霧化技術(shù)。同時部分生物化學(xué)反應(yīng)只能在單種物質(zhì)中進行，而霧化技術(shù)可以對混合的溶液中的目標分子進行很好的篩選。此外，此前提到的片上實驗室也是微流體方向中非常具有前景的應(yīng)用領(lǐng)域，而微小結(jié)構(gòu)的微流體驅(qū)動器正是片上實驗室的重要的組成部分。綜上所述，對微流體驅(qū)動器進行深入的探究是十分重要與必要的。
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1.2  國內(nèi)外霧化技術(shù)發(fā)展
霧化是由一定體積的液體破裂成更小顆粒的過程。霧化過程將引起液體表面動態(tài)的變化并導(dǎo)致液體熱能、質(zhì)量相互轉(zhuǎn)化從而促進溶劑的蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)。通過霧化器的振動、旋轉(zhuǎn)等高速或高頻的運動，受作用的目標液體將被霧化成為不同尺度的更小液滴或顆粒。霧化器屬于一種流體機械，霧化器將能量傳遞給目標樣本液體，進而改變目標樣本液體本身的能量從而產(chǎn)生需要的霧化效果。 常用的霧化方法有四種，分別是：壓力霧化法、氣流霧化法、旋轉(zhuǎn)霧化法、以及超聲波霧化法。壓力霧化法主要應(yīng)用于發(fā)動機燃油的霧化燃燒，原理是依靠燃油的壓力轉(zhuǎn)化為動能使燃油霧化。旋轉(zhuǎn)霧化法是液流撞擊在快速旋轉(zhuǎn)的圓盤上，被圓盤和圓盤上的葉片擊碎，霧化成液滴，并且快速冷卻成粉末的霧化方法。旋轉(zhuǎn)霧化也稱為離心式霧化，因為此方法是通過離心力的作用對液體進行霧化。旋轉(zhuǎn)式噴霧大量應(yīng)用于工業(yè)爐和鍋爐燃燒器上，也用于非燃燒設(shè)備上。氣流霧化是利用高速氣流與霧化器之間的速度差產(chǎn)生的摩擦剪切力將霧化的液體撕裂，從而將霧化的樣本液體破碎成更小的霧化液滴。超聲波霧化法是利用超聲波的高頻振蕩和壓電材料的壓電與逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的聲電之間的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的霧化液滴的方法。與傳統(tǒng)霧化方法相比，超聲波霧化產(chǎn)生的霧化顆粒具有粒度小、顆粒均勻等優(yōu)點。超聲波霧化器采用高效集成電路，超小型一體化的獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計，現(xiàn)在被廣泛用于加濕、吸入治療、肺部給藥甚至 3D 打印等更加精密的領(lǐng)域。 
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第 2 章  聲表面波霧化器驅(qū)動原理及研制

2.1  聲表面波原理  

體聲波（BAW）是一種傳播于固體中的彈性波。如圖 2-1 a)與圖 2-1 b)分別表示縱波與橫波。 縱波在彈性體介質(zhì)內(nèi)部的傳播過程介質(zhì)的體積將發(fā)生改變，但橫波卻不會改變介質(zhì)體的體積結(jié)構(gòu)。由于基底材料密度的不均勻，波傳播過程中能量轉(zhuǎn)移引起的溫度變化等原因，都會引起彈性波振幅在傳播過程中產(chǎn)生損耗。為降低波在傳播過程中的損耗，通常要選擇傳播速度快的壓電材料作為彈性波激勵的基底。由于壓電材料具有各向異性的特點，因此彈性波的性質(zhì)由它在壓電材料上的傳播方向與偏振方向都相關(guān)。當(dāng)壓電材料受到垂直于表面的應(yīng)力與收到面對角線方向的應(yīng)力時，產(chǎn)生的彈力是不同的。各向異性材料的大多數(shù)傳播方向并不存在單純的縱波與橫波，而是兩種波的耦合。 聲表面波最早由 Lord Rayleigh 于 1885 年的研究中發(fā)現(xiàn)[25]。人們經(jīng)常將Rayleigh 波與聲波面波混淆，其實 Rayleigh 波只是聲波面波的一種。在固體的振動將激發(fā)出縱波、垂直剪切波、橫向剪切波、這三種體波。Rayleigh 波則是由縱波和垂直剪切波耦合而成的[26]。1965 年，，隨著 R. M. White 和 F. W. Voltmer 在壓電材料上發(fā)明了叉指換能器（IDT）用于激發(fā)聲表面波，聲表面波技術(shù)的發(fā)展進入了全新的歷史階段。而當(dāng)波的尺寸減小至納米級且使用射頻正弦信號（RF signal）激勵，便產(chǎn)生了諸多應(yīng)用，特別是對于移動通信領(lǐng)域中的濾波器[27]。而如今聲表面波正是使用這種方法激勵出正弦信號，也就是通過電信號激勵出機械波，而機械波在基底傳播的同時伴隨著電場的傳播  [28]。雖然激勵出的聲表面波的振幅的數(shù)量級只有納米級，但是伴隨著同時產(chǎn)生的能量和彈性場卻足以產(chǎn)生一場納米級的“地震”，正是這種逆壓電效應(yīng)才使得了后面將叉指換能器作為聲表面波霧化技術(shù)中的驅(qū)動器成為可能。 

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2.2  聲表面波霧化器
聲表面波一般是叉指換能器（IDT）激勵產(chǎn)生的。本研究中的霧化器即為 IDT。叉指換能器的性能決定了霧化效果與質(zhì)量，因此需要對 IDT 的結(jié)構(gòu)進行詳細分析與設(shè)計。IDT 的基本結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示。通常 IDT 是由鋁電極（即指條）濺鍍沉積在 Y 切 X 128.68°方向的鈮酸鋰（LiNO3）壓電基底上的。而壓電基底通常是由 UV 光刻的方法制造的。IDT 所激勵的 SAW 波長? ，是由叉指換能器指條寬度和指條間間隔決定的。在最簡單的IDT 結(jié)構(gòu)中，指條寬度與指條間的間隔相等，此時激勵出的 SAW 波長是指條寬度的四倍。而當(dāng)幾何參數(shù) a、p、W 隨坐標變化的 IDT 稱為加權(quán)型 IDT。通常在選定的鈮酸鋰壓電基底上，聲表面波傳播的速度 c ，近似為 3965 m/s,  通過求頻率的公式 f ? c/?，便可確定聲表面的激勵頻率。比如當(dāng)選擇 SAW 波長為 200 μm，可得激勵信號應(yīng)該是 19.5 MHz。通常使用正弦的電信號來產(chǎn)生 SAW，而此信號一般由射頻信號發(fā)生器（RF signal generator）和功率放大器（RF power amplifier）產(chǎn)生。由這些構(gòu)件產(chǎn)生的聲表面波通常只有幾納米的振幅。因此 IDT 的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，基底的選擇對 SAW 的性質(zhì)至關(guān)重要。 
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第 3 章  基于聲表面波的微流體霧化實驗方案設(shè)計 ......... 22 
3.1  聲表面波霧化激勵的討論 ........ 22 
3.2  霧化實驗的觀測儀器的選擇 .... 23 
3.3  霧化實驗的激勵平臺搭建 ........ 26 
3.4  基于紙條供流的霧化對照實驗 ......... 27 
3.5  本章小結(jié) ........ 28 
第 4 章  基于聲表面波的霧化實驗研究 .... 29 
4.1  霧化前微流體的運動 ....... 29 
4.2  霧化的形成 ..... 30 
4.3  實驗結(jié)果 ........ 32 
4.3.1  霧化液滴的粒度分布結(jié)果......... 32 
4.3.2  理論計算 ........... 35 
4.3.3  霧化液滴直徑的計算 ........ 36 
4.3.4  結(jié)果討論 ........... 41 
4.4  使用紙條供流的霧化實驗結(jié)果與討論 ....... 42 
4.5  本章小結(jié) ........ 43  

第 4 章  基于聲表面波的霧化實驗研究

4.1  霧化前微流體的運動
在霧化實驗中，采用的激勵頻率為 20 MHz，但是輸入的功率將從 0.1 W 一直增加到 8 W 以便觀察微流體在壓電基底上的各種運動情況。關(guān)于微流體驅(qū)動的理論認為，無論是微流體的混合、聚合、移動還是霧化，所有聲表面波微流體驅(qū)動效果都是由聲表面波與液體接觸后造成的聲能泄漏進入液體而產(chǎn)生的聲流環(huán)流造成的。在過去的研究中，通常認為在較低的能量輸入等級時，聲流對微流體主要產(chǎn)生的效果是微混合。當(dāng)輸入能量上升到中等等級時，小液滴開始在壓電基底上移動。當(dāng)輸入能量繼續(xù)增加，霧化現(xiàn)象便開始發(fā)生。所以在實驗的最開始階段，將對能夠產(chǎn)生微流體的混合、移動與霧化各種現(xiàn)象之間的臨界值進行探究。 當(dāng)輸入的射頻信號功率達到 0.1 W 時，可以在液體的表面上觀察到明顯的擾動，但是直到輸入能量增到 0.3 W 以上時，小液滴才開始在基底上面移動。由圖4-1 所示，這一組由高速攝像機拍攝的液滴連續(xù)移動的照片展示了液滴在基底上移動的現(xiàn)象。該液滴在 0.9 s 的時間中前進了 2 mm。當(dāng)輸入功率在 0.3 W-1.2 W時，液滴只能從基片的起始端移動到末尾端。但是當(dāng)輸入功率增大到 1.3 W 以上時，如圖 4-2 所示，夾斷效應(yīng)（pinch-off effect）[35]便產(chǎn)生了。值得注意的是，當(dāng)衛(wèi)星滴（satellite bubble）被母液滴（parent drop）甩出時，母液滴在基底上的運動并沒有停止，事實上，母液滴在發(fā)生夾斷效應(yīng)之后，仍然繼續(xù)向前蠕動了一段距離。另一方面，在圖 4-1 b)中可以觀察到，母液滴也嘗試著產(chǎn)生夾斷效應(yīng)，但是因為輸入能量不足，夾斷效應(yīng)沒有產(chǎn)生。夾斷效應(yīng)在每一次微流體的操作中只會產(chǎn)生一次。
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結(jié)論

本文基于聲表面波霧化技術(shù)通過實驗方法對聲表面波霧化原理進行深入分析。完整地搭建了用于霧化的實驗平臺，基于該平臺獲得的成果如下：
 （1）在該實驗中，將每種聲表面波微驅(qū)動現(xiàn)象進行記錄，并將其按不同輸入功率等級進行分類。當(dāng)輸入功率達到 0.1 W 后，樣本液滴開始在基底上振動。在輸入功率為 0.3 W-1.2 W 時，液體將沿著聲表面波基底開始移動，當(dāng)輸入功率超過 1.3 W 之后，將產(chǎn)生明顯的夾斷效應(yīng)。最后，只有當(dāng)輸入功率增加到 3.5  W 以上，樣本液滴才開始霧化。
（2）本實驗結(jié)果同時表明在霧化毫米級的液滴時，夾斷效應(yīng)是霧化過程中必不可少的一個階段。這是因為在該數(shù)量級輸入的能量產(chǎn)生的擾動依然無法使液體自由表面產(chǎn)生破裂，只有通過夾斷效應(yīng)才能將液體的幾何高度降低至滿足霧化的臨界值。 
（3）通過激光粒度儀對聲表面波霧化器產(chǎn)生的霧化液滴的粒度進行測量，結(jié)果顯示霧化粒度的分布將集中在 1 μm，10 μm 與 100 μm 這三個區(qū)域。通過分析，100  μm 區(qū)域的液滴來自夾斷效應(yīng)以及樣本液滴自由表面上的表面張力波的不時的擾動。中等尺度的霧化液滴是由于 Eckart streaming 作用產(chǎn)生的黏性的衰減的結(jié)果。1  μm 左右的霧化液滴產(chǎn)生的原因與上述兩種尺寸的液滴稍有不同。它是由于Schlichting streaming 產(chǎn)生的。當(dāng)液體的特征高度減小至臨界值時，作用在液體上的兩種聲流將發(fā)生轉(zhuǎn)換。由于難以對霧化液滴的直徑進行準確的估計，本實驗標度模型對霧化液滴的直徑進行估計，并發(fā)現(xiàn)建立的計算模型與實驗結(jié)果十分接近。從而很好地對霧化機制進行解釋。  
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參考文獻(略)

本文編號：41311