Se describe la fabricación de transductores de modo de espesor piezoeléctrico a través de pulverización de corriente directa de electrodos de placa en niobato de litio. Además, el funcionamiento confiable se logra con un soporte de transductor y el sistema de suministro de fluidos y la caracterización se demuestra mediante análisis de impedancia, vibrometría doppler láser, imágenes de alta velocidad y distribución del tamaño de gotas mediante dispersión láser.
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Artículo de método
Fabricación y caracterización de dispositivos piezoeléctricos en modo de espesor para atomización y acoustofluídicos
En este artículo
Resumen
Resumen
Presentamos una técnica para fabricar dispositivos piezoeléctricos de modo de espesor simple utilizando niobato de litio (LN). Se ha demostrado que estos dispositivos atomizan el líquido de manera más eficiente, en términos de caudal por entrada de potencia, que los que dependen de las ondas de Rayleigh y otros modos de vibración en LN o titanato de zirconato de plomo (PZT). El dispositivo completo está compuesto por un transductor, un soporte de transductor y un sistema de suministro de fluidos. Los fundamentos de la atomización líquida acústica no son bien conocidos, por lo que también se describen técnicas para caracterizar los dispositivos y estudiar los fenómenos. La vibrometría Doppler láser (LDV) proporciona información de vibración esencial para comparar transductores acústicos y, en este caso, indica si un dispositivo funcionará bien en vibración de espesor. También se puede utilizar para encontrar la frecuencia de resonancia del dispositivo, aunque esta información se obtiene más rápidamente a través del análisis de impedancia. La atomización continua de fluidos, como una aplicación de ejemplo, requiere un control cuidadoso del flujo de fluidos, y presentamos un método de este tipo con mediciones de distribución de tamaño de imágenes y gotas de alta velocidad a través de la dispersión láser.
Introducción
La atomización por ultrasonido se ha estudiado durante casi un siglo y aunque hay muchas aplicaciones, hay limitaciones en la comprensión de la física subyacente. La primera descripción del fenómeno fue hecha por Wood y Loomis en 19271, y desde entonces ha habido desarrollos en el campo para aplicaciones que van desde la entrega de fluidos farmacéuticos aerosolizados2 a la inyección de combustible3. Aunque el fenómeno funciona bien en estas aplicaciones, la física subyacente no se entiende bien4,5,6.
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Protocolo
1. Fabricación del transductor de modo de espesor a través de pulverización de CC
- Preparación de obleas
- Coloque una oblea LN de 100 mm 128YX en un plato de vidrio limpio de al menos 125 mm de diámetro. Sonicar la oblea en al menos 200 ml de acetona durante 5 min.
- Repetir sonicación con alcohol isopropílico y de nuevo con agua desionizada durante 5 minutos cada una.
- Retire el agua visible de la superficie con nitrógeno seco.
- Retire completamente el agua de la superficie colocando la oblea en una placa de cocción a 100 oC durante 5 min. Asegúrese de que haya una lámina de papel de aluminio en la placa de cocción, ya que....
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Resultados
Los dispositivos piezoeléctricos en modo de espesor se fabricaron a partir de niobato de litio 128YX. La Figura 1 muestra un conjunto completo para mantener el transductor en su lugar con un soporte de transductor personalizado utilizado con el sistema de entrega pasiva de fluidos desarrollado para la atomización continua. Los pasos de caracterización para estos dispositivos incluyen la determinación de la frecuencia resonante y armónicos utilizando un analizador de impedancia (
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Discusión
Las dimensiones y la relación de aspecto de un transductor afectan a los modos de vibración que produce. Debido a que las dimensiones laterales son finitas, siempre hay modos laterales además de los modos de espesor deseados. Los métodos LDV anteriores se pueden utilizar para determinar los modos dominantes en el rango de frecuencia deseado para un transductor determinado. Un cuadrado con dimensiones inferiores a 10 mm normalmente da una aproximación cercana a un modo de espesor. Tres por diez rectángulos milimétricos ta.......
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Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Los autores están agradecidos a la Universidad de California y a las instalaciones de NANO3 en UC San Diego por la provisión de fondos e instalaciones en apoyo de este trabajo. Este trabajo se realizó en parte en la Infraestructura de Nanotecnología de San Diego (SDNI) de la UCSD, miembro de la Infraestructura Coordinada Nacional de Nanotecnología, que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (Grant ECCS-1542148). El trabajo presentado aquí fue generosamente apoyado por una beca de investigación de la Fundación W.M. Keck. Los autores también agradecen el apoyo de este trabajo por parte de la Oficina de Investigación Naval (a través de Grant 12368098).<....
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Amplificador | Amplificador Research, Souderton, PA, EE. UU | 5U1000 | |
| Brazo articulado | Fisso, Zúrich, Suiza | ||
| CF4 Objetivo | Edmund Optics, Barrington, NJ, EE. UU. | Objetivo utilizado para imágenes de alta velocidad | |
| Sierra de corte en cubitos | Disco, Tokio, Japón | Disco Sierra automática de corte en cubitos 3220 | |
| Mecha difusora de fragancia de fibra | Weihai Industry Co., Ltd., Weihai, Shandong, China | Cámara de | |
| Photron, San Diego, EE. UU. | Fastcam Mini | ||
| Laser Doppler Vibrometer | Polytec, Waldbronn, Alemania | UHF120 | Vibrómetro láser doppler sin contacto |
| Dispersión láser Sistema de medición del tamaño de las gotas | Malvern Panalytical, Malvern, Reino Unido | ||
| Sustrato de niobato de litio | PMOptics,Burlington, MA, EE. UU | PWLN-431232 | 4" pulido a doble cara 0,5 mm de espesor 128° Jeringas Luer-lock de niobato de litio de corte girado en Y |
| Becton Dickingson, Nueva Jersey, EE. UU | |||
| Instalación de sala limpia Nano3 | UCSD, La Jolla, CA, EE. UU | . El proceso de fabricación se realiza en él. | |
| Analizador de redes | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, EE. UU. | 5061B | |
| Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, EE. UU. | Software de adquisición de PSV InfiniiVision 2000 X-Series | ||
| Polytec | , Waldbronn, Alemania | Versión 9.4 | Software LDV |
| Software de presentación PSV | Polytec, Waldbronn, Alemania | Versión 9.4 | Software LDV |
| Generador de señales | NF Corporation, Yokohama, Japón | WF1967 generador multifunción | |
| Conector de un solo poste | DigiKey, Thief River Falls, MN | ED1179-ND | |
| Deposición por pulverización catódica | Denton Vacuum, NJ, EE. UU | Denton 18 | Sistema de pulverización catódica Denton Discovery 18 |
| Contactos de resorte de montaje en superficie | DigiKey, Thief River Falls, MN | 70AAJ-2-M0GCT-ND | |
| Cucharón de obleas de teflón | ShapeMaster, Ogden, IL, EE. UU | SM4WD1 | Vasurero 4 " |
| XYZ Stage | Thor Labs, Newton, Nueva Jersey, EE. UU | MT3 | Etapas de mesa óptica |
Referencias
- Wood, R. W., Loomis, A. L. XXXVIII.physical and biological effects of high-frequency sound-waves of great intensity. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 4 (22), 417-436 (1927).
- Dalmoro, A., Barba, A. A., Lambert, G., d'Amore, M.
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Reimpresiones y permisos
