基于声表面波的微流体雾化机理与实验研究

发布时间：2016-05-02 20:47

第 1 章  绪   论

1.1  课题背景及研究的目的和意义
在工业生产，内燃机燃料喷射，喷墨打印，农业灌溉，质谱分析法，化学生物反应，DNA 芯片的制备都十分重要。这些种种看似毫无关系的领域都要依赖于高浓度，单分散性，和特定尺寸的喷雾液滴。提供稳定可控的生物可降解的微米甚至纳米级粒子于肺部给药过程是当今雾化技术一个十分有前景的应用领域。此外，将表面粒子的微流控技术应用于分子学诊断与 DNA 分子杂交也是如今该领域研究的前沿方向。 随着超声波技术和电力驱动技术[1-3]成熟地运用，雾化过程可以得到很好的控制，并获得尺寸均匀分布的雾化液滴，因此近年来雾化技术得到快速地发展。同时，可以将以上器件整合到微型电系统和微流控芯片上面用以替代当前结构尺寸较为庞大的雾化器[4,5]。但是，目前仍然有许多困难限制雾化器的进一步发展。比如，在微小摩擦的不断磨损下器件的性能与寿命会受到削减。电流驱动喷雾器通常需要相当高能量的电压——通常在千瓦以上，才能进行驱动，这对操作的可靠性与安全性产生了要求。目前，已有许多种类的超声波雾化器，而这些雾化系统通常是将一个蓄满液体的液缸置于压电基片上来产生雾化液滴。这些超声波雾化器仍然存在若干问题，尺寸过于庞大，产生的目标液滴尺寸不可控，以及当溶液蒸发后在液缸底部产生不必要的沉淀，浪费原料，清理困难等。 为了克服以上问题，基于声表面波技术的雾化方法应运而生。早期的声表面波技术主要聚焦在通信领域中的滤波与信号处理[6]，近几年才被考虑用于液滴运输[7]，微泵[8]，微流控[9]，微混合[10,11]以及微粒的收集[12]，片上实验室（lab on chip）技术[13]与生物细胞接种[14]等微流体方面的研究。 十年前也许雾化进入的研究领域都集中在喷墨打印技术，但是随着声表面技术的带动，如今的雾化技术有了更广阔的应用前景。微液滴在分析化学中已经开始起到越来越重要的作用。因为微液滴可以重复地按照需求制备。而雾化技术在DNA 微阵列上的应用也经历着爆炸式的增长。像核苷酸和试剂递送到选定的生物芯片上就需要精确的雾化技术。同时部分生物化学反应只能在单种物质中进行，而雾化技术可以对混合的溶液中的目标分子进行很好的筛选。此外，此前提到的片上实验室也是微流体方向中非常具有前景的应用领域，而微小结构的微流体驱动器正是片上实验室的重要的组成部分。综上所述，对微流体驱动器进行深入的探究是十分重要与必要的。
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1.2  国内外雾化技术发展
雾化是由一定体积的液体破裂成更小颗粒的过程。雾化过程将引起液体表面动态的变化并导致液体热能、质量相互转化从而促进溶剂的蒸发和化学反应。通过雾化器的振动、旋转等高速或高频的运动，受作用的目标液体将被雾化成为不同尺度的更小液滴或颗粒。雾化器属于一种流体机械，雾化器将能量传递给目标样本液体，进而改变目标样本液体本身的能量从而产生需要的雾化效果。 常用的雾化方法有四种，分别是：压力雾化法、气流雾化法、旋转雾化法、以及超声波雾化法。压力雾化法主要应用于发动机燃油的雾化燃烧，原理是依靠燃油的压力转化为动能使燃油雾化。旋转雾化法是液流撞击在快速旋转的圆盘上，被圆盘和圆盘上的叶片击碎，雾化成液滴，并且快速冷却成粉末的雾化方法。旋转雾化也称为离心式雾化，因为此方法是通过离心力的作用对液体进行雾化。旋转式喷雾大量应用于工业炉和锅炉燃烧器上，也用于非燃烧设备上。气流雾化是利用高速气流与雾化器之间的速度差产生的摩擦剪切力将雾化的液体撕裂，从而将雾化的样本液体破碎成更小的雾化液滴。超声波雾化法是利用超声波的高频振荡和压电材料的压电与逆压电效应产生的声电之间的转换，产生连续稳定的雾化液滴的方法。与传统雾化方法相比，超声波雾化产生的雾化颗粒具有粒度小、颗粒均匀等优点。超声波雾化器采用高效集成电路，超小型一体化的独特结构设计，现在被广泛用于加湿、吸入治疗、肺部给药甚至 3D 打印等更加精密的领域。 
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第 2 章  声表面波雾化器驱动原理及研制

2.1  声表面波原理  

体声波（BAW）是一种传播于固体中的弹性波。如图 2-1 a)与图 2-1 b)分别表示纵波与横波。 纵波在弹性体介质内部的传播过程介质的体积将发生改变，但横波却不会改变介质体的体积结构。由于基底材料密度的不均匀，波传播过程中能量转移引起的温度变化等原因，都会引起弹性波振幅在传播过程中产生损耗。为降低波在传播过程中的损耗，通常要选择传播速度快的压电材料作为弹性波激励的基底。由于压电材料具有各向异性的特点，因此弹性波的性质由它在压电材料上的传播方向与偏振方向都相关。当压电材料受到垂直于表面的应力与收到面对角线方向的应力时，产生的弹力是不同的。各向异性材料的大多数传播方向并不存在单纯的纵波与横波，而是两种波的耦合。 声表面波最早由 Lord Rayleigh 于 1885 年的研究中发现[25]。人们经常将Rayleigh 波与声波面波混淆，其实 Rayleigh 波只是声波面波的一种。在固体的振动将激发出纵波、垂直剪切波、横向剪切波、这三种体波。Rayleigh 波则是由纵波和垂直剪切波耦合而成的[26]。1965 年，，随着 R. M. White 和 F. W. Voltmer 在压电材料上发明了叉指换能器（IDT）用于激发声表面波，声表面波技术的发展进入了全新的历史阶段。而当波的尺寸减小至纳米级且使用射频正弦信号（RF signal）激励，便产生了诸多应用，特别是对于移动通信领域中的滤波器[27]。而如今声表面波正是使用这种方法激励出正弦信号，也就是通过电信号激励出机械波，而机械波在基底传播的同时伴随着电场的传播  [28]。虽然激励出的声表面波的振幅的数量级只有纳米级，但是伴随着同时产生的能量和弹性场却足以产生一场纳米级的“地震”，正是这种逆压电效应才使得了后面将叉指换能器作为声表面波雾化技术中的驱动器成为可能。 

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2.2  声表面波雾化器
声表面波一般是叉指换能器（IDT）激励产生的。本研究中的雾化器即为 IDT。叉指换能器的性能决定了雾化效果与质量，因此需要对 IDT 的结构进行详细分析与设计。IDT 的基本结构如图 2-3 所示。通常 IDT 是由铝电极（即指条）溅镀沉积在 Y 切 X 128.68°方向的铌酸锂（LiNO3）压电基底上的。而压电基底通常是由 UV 光刻的方法制造的。IDT 所激励的 SAW 波长? ，是由叉指换能器指条宽度和指条间间隔决定的。在最简单的IDT 结构中，指条宽度与指条间的间隔相等，此时激励出的 SAW 波长是指条宽度的四倍。而当几何参数 a、p、W 随坐标变化的 IDT 称为加权型 IDT。通常在选定的铌酸锂压电基底上，声表面波传播的速度 c ，近似为 3965 m/s,  通过求频率的公式 f ? c/?，便可确定声表面的激励频率。比如当选择 SAW 波长为 200 μm，可得激励信号应该是 19.5 MHz。通常使用正弦的电信号来产生 SAW，而此信号一般由射频信号发生器（RF signal generator）和功率放大器（RF power amplifier）产生。由这些构件产生的声表面波通常只有几纳米的振幅。因此 IDT 的结构设计中，基底的选择对 SAW 的性质至关重要。 
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第 3 章  基于声表面波的微流体雾化实验方案设计 ......... 22 
3.1  声表面波雾化激励的讨论 ........ 22 
3.2  雾化实验的观测仪器的选择 .... 23 
3.3  雾化实验的激励平台搭建 ........ 26 
3.4  基于纸条供流的雾化对照实验 ......... 27 
3.5  本章小结 ........ 28 
第 4 章  基于声表面波的雾化实验研究 .... 29 
4.1  雾化前微流体的运动 ....... 29 
4.2  雾化的形成 ..... 30 
4.3  实验结果 ........ 32 
4.3.1  雾化液滴的粒度分布结果......... 32 
4.3.2  理论计算 ........... 35 
4.3.3  雾化液滴直径的计算 ........ 36 
4.3.4  结果讨论 ........... 41 
4.4  使用纸条供流的雾化实验结果与讨论 ....... 42 
4.5  本章小结 ........ 43  

第 4 章  基于声表面波的雾化实验研究

4.1  雾化前微流体的运动
在雾化实验中，采用的激励频率为 20 MHz，但是输入的功率将从 0.1 W 一直增加到 8 W 以便观察微流体在压电基底上的各种运动情况。关于微流体驱动的理论认为，无论是微流体的混合、聚合、移动还是雾化，所有声表面波微流体驱动效果都是由声表面波与液体接触后造成的声能泄漏进入液体而产生的声流环流造成的。在过去的研究中，通常认为在较低的能量输入等级时，声流对微流体主要产生的效果是微混合。当输入能量上升到中等等级时，小液滴开始在压电基底上移动。当输入能量继续增加，雾化现象便开始发生。所以在实验的最开始阶段，将对能够产生微流体的混合、移动与雾化各种现象之间的临界值进行探究。 当输入的射频信号功率达到 0.1 W 时，可以在液体的表面上观察到明显的扰动，但是直到输入能量增到 0.3 W 以上时，小液滴才开始在基底上面移动。由图4-1 所示，这一组由高速摄像机拍摄的液滴连续移动的照片展示了液滴在基底上移动的现象。该液滴在 0.9 s 的时间中前进了 2 mm。当输入功率在 0.3 W-1.2 W时，液滴只能从基片的起始端移动到末尾端。但是当输入功率增大到 1.3 W 以上时，如图 4-2 所示，夹断效应（pinch-off effect）[35]便产生了。值得注意的是，当卫星滴（satellite bubble）被母液滴（parent drop）甩出时，母液滴在基底上的运动并没有停止，事实上，母液滴在发生夹断效应之后，仍然继续向前蠕动了一段距离。另一方面，在图 4-1 b)中可以观察到，母液滴也尝试着产生夹断效应，但是因为输入能量不足，夹断效应没有产生。夹断效应在每一次微流体的操作中只会产生一次。
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结论

本文基于声表面波雾化技术通过实验方法对声表面波雾化原理进行深入分析。完整地搭建了用于雾化的实验平台，基于该平台获得的成果如下：
 （1）在该实验中，将每种声表面波微驱动现象进行记录，并将其按不同输入功率等级进行分类。当输入功率达到 0.1 W 后，样本液滴开始在基底上振动。在输入功率为 0.3 W-1.2 W 时，液体将沿着声表面波基底开始移动，当输入功率超过 1.3 W 之后，将产生明显的夹断效应。最后，只有当输入功率增加到 3.5  W 以上，样本液滴才开始雾化。
（2）本实验结果同时表明在雾化毫米级的液滴时，夹断效应是雾化过程中必不可少的一个阶段。这是因为在该数量级输入的能量产生的扰动依然无法使液体自由表面产生破裂，只有通过夹断效应才能将液体的几何高度降低至满足雾化的临界值。 
（3）通过激光粒度仪对声表面波雾化器产生的雾化液滴的粒度进行测量，结果显示雾化粒度的分布将集中在 1 μm，10 μm 与 100 μm 这三个区域。通过分析，100  μm 区域的液滴来自夹断效应以及样本液滴自由表面上的表面张力波的不时的扰动。中等尺度的雾化液滴是由于 Eckart streaming 作用产生的黏性的衰减的结果。1  μm 左右的雾化液滴产生的原因与上述两种尺寸的液滴稍有不同。它是由于Schlichting streaming 产生的。当液体的特征高度减小至临界值时，作用在液体上的两种声流将发生转换。由于难以对雾化液滴的直径进行准确的估计，本实验标度模型对雾化液滴的直径进行估计，并发现建立的计算模型与实验结果十分接近。从而很好地对雾化机制进行解释。  
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参考文献(略)

本文编号：41311