Fabricação e caracterização de dispositivos piezoelétricos do modo de espessura para atomização e acoustofluidos
Summary
A fabricação de transdutores do modo de espessura piezoelétrica através da corrente direta de eletrodos de placas em nióbio de lítio é descrita. Além disso, a operação confiável é alcançada com um suporte de transdutor e sistema de fornecimento de fluidos e a caracterização é demonstrada através de análise de impedância, vibrometria doppler laser, imagem de alta velocidade e distribuição do tamanho de gotículas usando dispersão a laser.
Abstract
Apresentamos uma técnica para fabricar dispositivos piezoelétricos modo de espessura simples usando niobato de lítio (LN). Tais dispositivos têm sido mostrados para atomizar o líquido de forma mais eficiente, em termos de taxa de fluxo por entrada de energia, do que aqueles que dependem de ondas de Rayleigh e outros modos de vibração em LN ou titanato de zircônio de chumbo (PZT). O dispositivo completo é composto por um transdutor, um suporte de transdutor e um sistema de fornecimento de fluidos. Os fundamentos da atomização líquida acústica não são bem conhecidos, por isso técnicas para caracterizar os dispositivos e estudar os fenômenos também são descritas. A vibrometria laser Doppler (LDV) fornece informações de vibração essenciais na comparação de transdutores acústicos e, neste caso, indica se um dispositivo terá um bom desempenho em vibração de espessura. Ele também pode ser usado para encontrar a frequência de ressonância do dispositivo, embora essas informações sejam obtidas mais rapidamente através da análise de impedância. A atomização contínua do fluido, como exemplo, requer um controle cuidadoso do fluxo de fluidos, e apresentamos esse método com imagens de alta velocidade e medições de distribuição de tamanho de gotículas através da dispersão a laser.
Introduction
A atomização do ultrassom tem sido estudada há quase um século e, embora existam muitas aplicações, há limitações na compreensão da física subjacente. A primeira descrição do fenômeno foi feita por Wood e Loomis em 19271, e desde então houve desenvolvimentos no campo para aplicações que vão desde a entrega de fluidos farmacêuticos aerossolizados2 até a injeção de combustível3. Embora o fenômeno funcione bem nessas aplicações, a física subjacente não é bem compreendida4,,5,6.
Uma limitação fundamental no campo da atomização ultrassônica é a escolha do material utilizado, titanato de zircônio de chumbo (PZT), um material histerético propenso ao aquecimento7 e contaminação por chumbo com chumbo elementar disponível a partir dos limites interordonas8,,9. O tamanho do grão e as propriedades mecânicas e eletrônicas dos limites dos grãos também limitam a frequência em que o PZT pode operar10. Em contraste, o niobato de lítio é livre de chumbo e não exibe histerese11, e pode ser usado para atomizar fluidos uma ordem de magnitude mais eficiente do que os atomizadores comerciais12. O corte tradicional do niobato de lítio usado para operação no modo de espessura é o corte rotativo de 36 graus Y, mas o corte de 127,86 graus Y-rotatado, X-propagante (128YX), normalmente usado para geração de ondas acústicas superficiais, tem sido mostrado ter uma amplitude de deslocamento superficial mais alta em comparação com o corte de 36 graus13 quando operado em ressonância e baixa perda. Também foi demonstrado que a operação do modo de espessura oferece uma ordem de melhoria de magnitude na eficiência atomizadora em relação a outros modos de vibração13,mesmo quando se usa LN.
A frequência de ressonância de um dispositivo piezoelétrico que opera no modo de espessura é regida por sua espessura t: o comprimento de onda λ = 2t/n onde n = 1, 2,… é o número de anti-nodes. Para um substrato de 500 μm de espessura, isso corresponde a um comprimento de onda de 1 mm para o modo fundamental, que pode então ser usado para calcular a frequência de ressonância fundamental, f = v/λ se a velocidade de onda, v,é conhecida. A velocidade do som através da espessura de 128YX LN é de aproximadamente 7.000 m/s, e assim f = 7 MHz. Ao contrário de outras formas de vibração, particularmente modos ligados à superfície, é simples excitar os harmônicos do modo de espessura de ordem superior a frequências muito mais altas, aqui a 250 MHz ou mais, embora apenas os modos numerados ímpares possam ser animados por campos elétricos uniformes14. Consequentemente, o segundo harmônico (n = 2) perto de 14 MHz não pode ser animado, mas o terceiro harmônico a 21 MHz (n = 3) pode. A fabricação de dispositivos eficientes do modo de espessura requer o depósito de eletrodos em faces opostas do transdutor. Usamos sputtering de corrente direta (DC) para conseguir isso, mas a deposição de feixe de elétrons e outros métodos poderiam ser usados. A análise de impedância é útil para caracterizar os dispositivos, particularmente na localização das frequências de ressonância e acoplamento eletromecânico nessas frequências. A vibrometria laser Doppler (LDV) é útil para determinar a amplitude e velocidade da vibração de saída sem contato ou calibração15, e, através da varredura, o LDV fornece a distribuição espacial da deformação da superfície, revelando o modo de vibração associado a uma determinada frequência. Finalmente, para fins de estudo da atomização e dinâmica dos fluidos, a imagem de alta velocidade pode ser empregada como técnica para estudar o desenvolvimento de ondas capilares na superfície de uma gota de sessile16,17. Na atomização, como muitos outros fenômenos acoustofluidos, pequenas gotículas são produzidas a uma velocidade rápida, acima de 1 kHz em um determinado local, muito rapidamente para câmeras de alta velocidade para observar com fidelidade e campo de visão suficientes para fornecer informações úteis sobre um tamanho amostral gotícula suficientemente grande. A dispersão a laser pode ser usada para este fim, passando as gotículas através de um raio laser expandido para (Mie) espalhar parte da luz em reflexão e refração para produzir um sinal característico que pode ser usado para estimar estatisticamente a distribuição do tamanho da gotícula.
É simples fabricar transdutores do modo piezoelétrico, mas as técnicas exigidas na caracterização de dispositivos e atomização não foram claramente declaradas na literatura até o momento, dificultando o progresso na disciplina. Para que um transdutor de modo de espessura seja eficaz em um dispositivo de atomização, ele deve ser mecanicamente isolado para que sua vibração não seja amortecida e deve ter um suprimento contínuo de fluidos com uma taxa de fluxo igual à taxa de atomização para que nem a dessecação nem inundações ocorram. Essas duas considerações práticas não foram completamente abordadas na literatura porque suas soluções são resultado de técnicas de engenharia e não de pura novidade científica, mas são, no entanto, críticas para o estudo do fenômeno. Apresentamos um conjunto de portadores de transdutores e um sistema de pavio líquido como soluções. Este protocolo oferece uma abordagem sistemática para a fabricação e caracterização atomizadora para facilitar mais pesquisas em física fundamental e aplicações miríades.
Protocol
Representative Results
Discussion
As dimensões e a proporção de um transdutor afetam os modos de vibração que produz. Como as dimensões laterais são finitas, há sempre modos laterais, além dos modos de espessura desejados. Os métodos LDV acima podem ser usados para determinar os modos dominantes na faixa de frequência desejada para um determinado transdutor. Um quadrado com dimensões abaixo de 10 mm normalmente dá uma aproximação próxima a um modo de espessura. Três por dez milímetros de retângulos também funcionam bem. O film…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores agradecem à Universidade da Califórnia e às instalações nano3 da UC San Diego pelo fornecimento de fundos e instalações em apoio a este trabalho. Este trabalho foi realizado em parte na San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) da UCSD, membro da National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, que é apoiada pela National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). O trabalho aqui apresentado foi generosamente apoiado por uma bolsa de pesquisa da Fundação W.M. Keck. Os autores também agradecem o apoio deste trabalho pelo Escritório de Pesquisa Naval (via Grant 12368098).
Materials
| Amplifier | Amplifier Research, Souderton, PA, USA | 5U1000 | |
| Articulating arm | Fisso, Zurich, Switzerland | ||
| CF4 Objective | Edmund Optics, Barrington, NJ, USA | Objective used for high speed imaging | |
| Dicing saw | Disco, Tokyo, Japan | Disco Automatic Dicing Saw 3220 | |
| Fiber Fragrance Diffuser Wick | Weihai Industry Co., Ltd., Weihai, Shandong, China | https://www.weihaisz.com/Fiber-Fragrance-Diffuser-Wick_p216.html | |
| High Speed Camera | Photron, San Diego, USA | Fastcam Mini | |
| Laser Doppler Vibrometer | Polytec, Waldbronn, Germany | UHF120 | Non-contact laser doppler vibrometer |
| Laser Scattering Droplet size measurement system | Malvern Panalytical, Malvern, UK | STP5315 | |
| Lithium niobate substrate | PMOptics,Burlington, MA, USA | PWLN-431232 | 4” double-side polished 0.5 mm thick 128°Y-rotated cut lithium niobate |
| Luer-lock syringes | Becton Dickingson, New Jersey, USA | ||
| Nano3 cleanroom facility | UCSD, La Jolla, CA, USA | Fabrication process is performed in it. | |
| Network Analyzer | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | 5061B | |
| Oscilloscope | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | InfiniiVision 2000 X-Series | |
| PSV Acquistion Software | Polytec, Waldbronn, Germany | Version 9.4 | LDV Software |
| PSV Presentation Software | Polytec, Waldbronn, Germany | Version 9.4 | LDV Software |
| Signal generator | NF Corporation, Yokohama, Japan | WF1967 multifunction generator | |
| Single Post Connector | DigiKey, Thief River Falls, MN | ED1179-ND | |
| Sputter deposition | Denton Vacuum, NJ, USA | Denton 18 | Denton Discovery 18 Sputter System |
| Surface Mount Spring Contacts | DigiKey, Thief River Falls, MN | 70AAJ-2-M0GCT-ND | |
| Teflon wafer dipper | ShapeMaster, Ogden, IL, USA | SM4WD1 | Wafer Dipper 4" |
| XYZ Stage | Thor Labs, Newton, New Jersey, USA | MT3 | Optical table stages |
References
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