Fabricage en karakterisering van thicknessmodus Piëzo-elektrische apparaten voor verneveling en acoustofluidics

Echografie is bestudeerd voor bijna een eeuw en hoewel er vele toepassingen, zijn er beperkingen in het begrijpen van de onderliggende fysica. De eerste beschrijving van het fenomeen werd gemaakt door Wood en Loomis in 1927¹, en sindsdien zijn er ontwikkelingen op het gebied van toepassingen variërend van het leveren van aerosolized farmaceutische vloeistoffen² tot brandstofinjectie³. Hoewel het fenomeen goed werkt in deze toepassingen, is de onderliggende fysica niet goed begrepen^4,5,6.

Een belangrijke beperking op het gebied van ultrasone verneveling is de keuze van het gebruikte materiaal, loodzirconaat titanaat (PZT), een hysteretisch materiaal gevoelig voor verwarming⁷ en loodverontreiniging met elementair lood beschikbaar vanaf de internerfelijke grenzen^8,9. Korrelgrootte en mechanische en elektronische eigenschappen van graangrenzen beperken ook de frequentie waarmee PZT¹⁰kan bedienen. Lithium niobate daarentegen is zowel loodvrij als vertoont geen hysterese¹¹, en kan worden gebruikt om vloeistoffen een orde van grootte efficiënter te vernevelen dan commerciële verstuivers¹². De traditionele snede van lithium niobate gebruikt voor de werking in de dikte modus is de 36-graden Y-geroteerde snede, maar de 127,86-graden Y-gedraaide, X-properende snede (128YX), meestal gebruikt voor oppervlakte akoestische golf generatie, is aangetoond dat een hogere oppervlakte verplaatsing amplitude in vergelijking met de 36-graden gesneden¹³ bij gebruik in resonantie en laag verlies. Het is ook aangetoond dat de werking van de diktemodus een orde van grootteverbetering in verstuiverefficiëntie ten opzichte van andere trillingsmodi¹³biedt, zelfs bij het gebruik van LN.

De resonantiefrequentie van een piëzo-elektrisch apparaat dat in de diktemodus werkt, wordt bepaald door de dikte t:de golflengte λ = 2t/nwaar n = 1, 2,…n is het aantal anti-knooppunten. Voor een 500 μm dik substraat komt dit overeen met een golflengte van 1 mm voor de fundamentele modus, die vervolgens kan worden gebruikt om de fundamentele resonantiefrequentie te berekenen, f = v/λ als de golfsnelheid, v, bekend is. De snelheid van het geluid door de dikte van 128YX LN is ongeveer 7.000 m/s, en dus f = 7 MHz. In tegenstelling tot andere vormen van trillingen, met name oppervlaktegebonden modi, is het eenvoudig om hogere-orde dikte modus harmonischen prikkelen om veel hogere frequenties, hier tot 250 MHz of meer, hoewel alleen de oneven-genummerde modi kunnen worden opgewekt door uniforme elektrische velden¹⁴. Bijgevolg kan de tweede harmonische(n = 2) in de buurt van 14 MHz niet worden opgewekt, maar de derde harmonische op 21 MHz(n = 3) wel. Fabricage van efficiënte dikte modus apparaten vereist het deponeren van elektroden op tegengestelde gezichten van de transducer. We gebruiken gelijkstroom (DC) sputteren om dit te bereiken, maar elektronen-beam depositie en andere methoden kunnen worden gebruikt. Impedantieanalyse is nuttig om de apparaten te karakteriseren, met name bij het vinden van de resonantiefrequenties en elektromechanische koppeling op deze frequenties. Laser Doppler vibrometrie (LDV) is nuttig om de output trillingsamplitude en snelheid te bepalen zonder contact of kalibratie¹⁵, en via scannen, de LDV biedt de ruimtelijke verdeling van de oppervlakte vervorming, het onthullen van de wijze van trillingen in verband met een bepaalde frequentie. Ten slotte kan voor het bestuderen van verneveling en vloeistofdynamica high-speed imaging worden gebruikt als een techniek om de ontwikkeling van capillaire golven op het oppervlak van een sessile druppel^16,17te bestuderen . Bij verneveling worden, net als veel andere acoustofluidische verschijnselen, kleine druppeltjes geproduceerd in een snel tempo, meer dan 1 kHz op een bepaalde locatie, te snel voor hogesnelheidscamera’s om met voldoende getrouwheid en gezichtsveld te observeren om nuttige informatie te verstrekken over een voldoende grote druppelmonstergrootte. Laserverstrooiing kan worden gebruikt voor dit doel, het passeren van de druppels door middel van een uitgebreide laserstraal (Mie) verstrooien een deel van het licht in reflectie en breking om een karakteristiek signaal dat kan worden gebruikt om statistisch te schatten van de druppelgrootte verdeling te produceren.

Het is eenvoudig om piëzo-elektrische dikte modus transducers te fabriceren, maar de technieken die nodig zijn in apparaat en verneveling karakterisering zijn niet duidelijk vermeld in de literatuur tot nu toe, belemmeren de vooruitgang in de discipline. Om een reductie-in-diktemodus effectief te laten zijn in een vernevelingsapparaat, moet deze mechanisch worden geïsoleerd, zodat de trilling niet wordt gedempt en moet het een continue vloeistoftoevoer hebben met een stroomsnelheid die gelijk is aan de vernevelingssnelheid, zodat er geen uitdroging of overstromingen optreden. Deze twee praktische overwegingen zijn niet grondig behandeld in de literatuur, omdat hun oplossingen zijn het resultaat van technische technieken in plaats van pure wetenschappelijke nieuwigheid, maar ze zijn niettemin van cruciaal belang voor het bestuderen van het fenomeen. We presenteren een transducer houder assemblage en een vloeibaar wicking systeem als oplossingen. Dit protocol biedt een systematische benadering van verstuiverfabricage en karakterisering voor het vergemakkelijken van verder onderzoek in fundamentele fysica en talloze toepassingen.