用于雾化与声流体学的厚度模式压电器件的制备与表征

这些技术可用于解答有关共振频率、振动模式激发、振动振幅以及具有这些特性的换能器作为雾化器时性能表现的问题。通过这些分析所提供的信息，可以严格量化独立变量及涉及厚度模式换能器的实验所产生的影响。该技术有助于开发可用于雾化药物的装置，以治疗肺炎等呼吸系统疾病。

这些方法可用于表征雾化现象，并可应用于液滴表面毛细波的研究。由于需要平衡多种相互竞争的因素，实现连续雾化可能较为困难。请调节输入功率、灯芯位置和灯芯方向，并观察其行为变化。

这些技术在演示后通常易于操作，但需要一定的灵巧性和空间感知能力，而这些能力仅通过文字难以传达。要组装一个定制的换能器支架，需将两个表面贴装弹簧触点焊接到两块定制印刷电路板上，并剪切外侧触点，使其不会造成电路短路。将尖钉压入定制电路板上的金属化孔中，使尖钉彼此朝相反方向伸出。

使用电路板间隔件和螺丝将两块定制电路板连接起来，使它们的触点刚好相互接触。根据需要使用塑料垫片调整间距。然后将一个 3 x 10 毫米的换能器插入内侧一对触点之间。

通过阻抗分析确定共振频率时，将换能器连接至网络分析仪的开放端口，并通过网络分析仪的用户界面选择S11反射系数参数。选择感兴趣的频率范围并执行频率扫描。然后选择保存调用功能，保存轨迹数据，以将数据导出至适当的数据处理软件，用于确定精确的最小值位置。

为了通过激光多普勒测振仪（LDV）表征振动，将换能器放置在LDV载物台的探针板接触位置，并将探针引线连接至信号发生器。确保在采集软件中选择了正确的物镜，并将显微镜聚焦于换能器表面。选择定义扫描点及设置参数。

单点扫描可提供用户在单个位置的振动幅度。要确定振动模式和谐振特性，必须进行区域扫描。在“通用”选项卡下，根据扫描是在频域还是时域中进行，选择FFT或时间选项，并设置平均次数。

在通道选项卡中，确保选中活动框，并调整参考通道和入射通道，以从基底中选择最大信号强度。在信号发生器选项卡中，如果测量是在单频信号下进行的，请从波形下拉列表中选择正弦波。如果是在单个频段下进行的，请选择多载波连续波（MultiCarrierCW）。

然后在频率选项卡中，调整带宽和FFT线数，以改变频域扫描的扫描分辨率。如果进行时域测量，则在时域选项卡中更改采样频率。为构建流体供给系统，选择一根25毫米长、直径为2毫米的灯芯，该灯芯由亲水性聚合物纤维束构成，用于输送待测液体。

将灯芯的一端修剪成不对称的尖端，然后将其插入所需容量的鲁尔锁紧注射器中，使灯芯伸出注射器末端15毫米。将注射器针头锁紧在注射器上，确保其紧密包裹灯芯，并将整个装置固定，使灯芯与水平方向成10至90度角，且灯芯尖端恰好接触传感器边缘。然后用清水填充注射器。

将电压调至零，然后在使用阻抗分析仪确定的共振频率下施加持续的电压信号。逐渐增加电压，直至液体持续雾化，且装置既不发生溢流也不干涸。如果建议的调整无效，可用细砂纸轻轻打磨换能器上靠近灯芯接触点处的金表面，注意不要完全去除金层。

为了通过高速成像观察器件的动态过程，需将高速相机水平刚性安装在光学平台上，并将换能器置于XYZ平移台上的探针板接触位置，靠近相机的焦距处。在换能器远离相机的一侧至少一个焦距的位置放置一个漫射光源，并使用移液器在换能器表面放置一个静止液滴。调节相机焦距及XYZ位置，使液体样品清晰对焦，并根据奈奎斯特采样定理选择帧率，帧率应至少为待测频率的两倍，以避免混叠效应。

调节光强、相机快门速度，或同时调节两者，以优化流体与背景之间的对比度。然后将放大信号发生器的鳄鱼夹连接到弹簧探针引线上，并在相机软件中同时触发视频录制和施加电压信号，以捕获该现象。对于液滴尺寸的激光散射分析，沿激光散射系统的导轨调整激光发射和激光接收模块，使两个模块之间保持 20 至 25 厘米的间距。

将一个平台刚性安装在此间隙中，使得当换能器和流体供应组件放置在平台上时，雾化后的雾气能够喷入激光束路径中。为便于对准，打开激光束并选择工具、激光控制和开启激光。将换能器孔固定在平台上。

将流体供应组件固定到可调节臂上。调整流体供应组件的位置，使灯芯的尖端恰好与换能器边缘接触，并使用鳄鱼夹将信号源连接到换能器支架的插针端子上，然后在激光散射系统软件中点击新建标准操作程序。将模板设置为默认连续模式，采样周期设置为1。

在数据处理下，单击喷雾轮廓以将光程设置为20毫米。单击报警，取消勾选使用默认值，并将最小透射率设置为5和1%，最小散射率设置为50和10。当所有参数设置完成后，单击启动标准操作程序，并选择已创建的程序。

将流体供应储液罐加水至所需液位，并记录体积。测量开始后，在雾化开始的同时打开电压信号并立即启动秒表。当达到所需雾化液体体积时，关闭电压信号，同时停止秒表，并记录最终体积。

在得到的测量直方图中，选择原子化按预期进行且接收器信号强到具有统计学意义的数据部分。单击“平均”和“确定”，以所选数据生成分布图。然后将数据复制到文本文件中，并使用合适的文件名保存。

这些器件的表征包括使用阻抗分析仪测定其共振频率及谐波。在此代表性分析中，器件的基频接近七兆赫，与基底厚度的预测结果一致。进一步的表征可采用非接触式激光多普勒测振法，以确定基底的振动幅度和位移，其值通常在纳米量级。

此外，可通过高速成像评估液滴振动，并通过测量液滴尺寸分布来确定雾化动力学。请注意，要实现雾化，换能器必须在厚度振动模式的共振频率下工作。如果设备性能不佳，则可能未处于正确的频率。

以该方案为基础，可以改变并比较多种厚度模式参数，例如电极厚度或横向尺寸。在已使用水建立该方案的基础上，现在可将厚度模式换能器应用于其他流体，用于肺部药物递送、冷却和编码等场景。