用于原子化和抗波流体的厚度模式压电器件的制造和特性

超声雾化研究已经近一个世纪了，虽然有许多应用，但理解基础物理存在局限性。伍德和卢米斯于1927^{年1月首次}描述了这一现象，自那时以来，该领域的应用出现了发展，从提供气溶胶化药物^液2到燃料喷射^3。虽然这种现象在这些应用中效果良好，但基础物理学并没有被很好地^{理解为,4、5、6。,6}

超声波雾化领域的一个关键限制是使用的材料的选择，铅硅酸盐（PZT），一种容易加热⁷和铅污染的元素铅从颗粒间^{边界8，9。,9}颗粒尺寸和颗粒边界的机械和电子特性也限制了PZT可以操作^10的频率。相比之下，镍酸锂既无铅，又无迟性^11，可用于比商用雾化器¹²更有效地雾化流体数量级。在厚度模式下用于操作的锂镍酸的传统切口是36度Y旋转切割，但127.86度Y旋转，X-传播切割（128YX），通常用于表面声波生成，已证明具有更高的表面位移与36度切口¹³在共振和低损耗下操作时。还表明，厚度模式操作提供了一个数量级的提高雾化器效率比其他振动^模式13，即使使用LN。

在厚度模式下运行的压电器件的谐振频率受其厚度t控制：波长= 2 t/n，其中 n = 1，2,…是反节点的数量。对于 500 μm 厚的基板，这对应于基本模式的波长为 1 mm，然后可用于计算基本共振频率，如果波速为λv ， v ，则为已知值。通过 128YX LN 的厚度的声音速度约为 7，000 m/s，因此f = 7 MHz。与其他形式的振动不同，特别是表面绑定模式，它很容易激发高阶厚度模式谐波到更高的频率，在这里到250 MHz或更多，虽然只有奇数模式可能激发均匀的电场^14。因此，14 MHz 附近的第二次谐波（n = 2） 不能激动，但 21 MHz（n = 3） 下的第三次谐波可以。制造高效的厚度模式器件需要将电极沉积到传感器的对面上。我们使用直流 （DC） 溅射来实现这一点，但可以使用电子束沉积和其他方法。阻抗分析可用于描述器件，特别是在发现这些频率的谐振频率和机电耦合方面。激光多普勒振动测量 （LDV） 可用于确定输出振动幅度和速度，无需接触或校准^15，并且，通过扫描，LDV 提供表面变形的空间分布，揭示与给定频率相关的振动模式。最后，为了研究雾化和流体动力学，可以使用高速成像技术来研究毛细管波在表面的细管波^{下降16，17。,17}在雾化中，与许多其他荧光素现象一样，小液滴的产生速度非常快，在给定位置超过 1 kHz，高速摄像机无法以足够的保真度和视场观察，无法在足够大的液滴样本量上提供有用的信息。激光散射可用于此目的，通过扩展的激光束将液滴传递到 （Mie） 将部分光线在反射和折射中散射，以产生可用于统计估计液滴大小分布的特征信号。

制造压电厚度模式传感器非常简单，但迄今为止文献中尚未明确说明器件和雾化特性所需的技术，妨碍了学科的进展。为了使厚度模式传感器在雾化装置中有效，必须机械地分离它，以便其振动不减震，并且它必须具有与雾化速率相等的连续流体供应，以便既不发生干燥或洪水。文献中没有全面涵盖这两个实际考虑，因为它们的解决办法是工程技术的结果，而不是纯粹的科学新颖性，但它们对于研究这一现象仍然至关重要。我们提出了一个传感器支架组件和一个液体吸芯系统作为解决方案。该协议为雾化器的制造和特性提供了一种系统化的方法，有助于在基础物理和无数应用中进行进一步的研究。