Fabrication et caractérisation des dispositifs piézoélectriques en mode épaisseur pour l’atomisation et l’acoustofluidique

L’atomisation des ultrasons a été étudiée pendant près d’un siècle et bien qu’il y ait beaucoup d’applications, il y a des limites dans la compréhension de la physique sous-jacente. La première description du phénomène a été faite par Wood et Loomis en 1927¹, et depuis lors, il ya eu des développements dans le domaine pour des applications allant de la livraison de fluides pharmaceutiques aérosols² à l’injection de carburant³. Bien que le phénomène fonctionne bien dans ces applications, la physique sous-jacente n’est pas bien comprise^4,5,6.

Une limitation clé dans le domaine de l’atomisation ultrasonique est le choix du matériau utilisé, le titane de zircone de plomb (PZT), un matériau hystéréétique sujet au chauffage⁷ et la contamination au plomb avec le plomb élémentaire disponible à partir des limites inter-grains^8,9. La taille des grains et les propriétés mécaniques et électroniques des limites des grains limitent également la fréquence à laquelle PZT peut fonctionner¹⁰. En revanche, le niobate de lithium est à la fois sans plomb et ne présente aucune hystérèse¹¹, et peut être utilisé pour atomiser les fluides un ordre de grandeur plus efficacement que les atomiseurs commerciaux¹². La coupe traditionnelle de niobate de lithium utilisée pour le fonctionnement en mode épaisseur est la coupe de 36 degrés Y-tourné, mais la coupe de 127,86 degrés Y-rotation, X-propagation (128YX), généralement utilisé pour la génération d’ondes acoustiques de surface, a été montré pour avoir une amplitude de déplacement de surface plus élevée par rapport à la coupe de 36 degrés¹³ lorsqu’il est exploité en résonance et faible perte. Il a également été démontré que le fonctionnement du mode d’épaisseur offre une amélioration de l’ordre de grandeur dans l’efficacité de l’atomiseur par rapport aux autres modes de vibration¹³, même lors de l’utilisation de LN.

La fréquence de résonance d’un dispositif piézoélectrique fonctionnant en mode épaisseur est régie par son épaisseur t: la longueur d’onde λ = 2t/n où n = 1, 2,… est le nombre d’anti-nœuds. Pour un substrat de 500 μm d’épaisseur, cela correspond à une longueur d’onde de 1 mm pour le mode fondamental, qui peut ensuite être utilisé pour calculer la fréquence de résonance fondamentale, f = v/λ si la vitesse de l’onde, v, est connue. La vitesse du son à travers l’épaisseur de 128YX LN est d’environ 7.000 m/s, et donc f = 7 MHz. Contrairement à d’autres formes de vibration, en particulier les modes de surface, il est facile d’exciter les harmoniques de mode d’épaisseur de plus haut ordre à des fréquences beaucoup plus élevées, ici à 250 MHz ou plus, bien que seuls les modes impairs peuvent être excités par des champs électriques uniformes¹⁴. Par conséquent, la deuxième harmonique(n = 2) près de 14 MHz ne peut pas être excitée, mais la troisième harmonique à 21 MHz(n = 3) peut. La fabrication de dispositifs efficaces en mode épaisseur nécessite le dépôt d’électrodes sur les faces opposées du transducteur. Nous utilisons le courant direct (DC) pulvérisation pour accomplir cela, mais le dépôt de faisceau d’électrons et d’autres méthodes pourraient être utilisés. L’analyse de l’impédance est utile pour caractériser les dispositifs, en particulier dans la recherche des fréquences de résonance et du couplage électromécanique à ces fréquences. La vibrométrie Doppler laser (LDV) est utile pour déterminer l’amplitude et la vitesse des vibrations de sortie sans contact ni étalonnage^15,et, par balayage, le LDV fournit la distribution spatiale de la déformation de surface, révélant le mode de vibration associé à une fréquence donnée. Enfin, aux fins de l’étude de l’atomisation et de la dynamique des fluides, l’imagerie à haute vitesse peut être utilisée comme technique pour étudier le développement d’ondes capillaires à la surface d’une chute sessile^16,17. Dans l’atomisation, comme beaucoup d’autres phénomènes acoustofluidiques, de petites gouttelettes sont produites à un rythme rapide, plus de 1 kHz dans un endroit donné, trop rapidement pour que les caméras à grande vitesse observent avec suffisamment de fidélité et de champ de vision pour fournir des informations utiles sur une taille d’échantillon de gouttelettes suffisamment grande. La diffusion au laser peut être utilisée à cette fin, en passant les gouttelettes à travers un faisceau laser élargi pour (Mie) disperser une partie de la lumière dans la réflexion et la réfraction pour produire un signal caractéristique qui peut être utilisé pour estimer statistiquement la distribution de la taille des gouttelettes.

Il est facile de fabriquer des transducteurs de mode d’épaisseur piézoélectrique, mais les techniques requises dans la caractérisation des dispositifs et de l’atomisation n’ont pas été clairement énoncées dans la littérature à ce jour, ce qui entrave les progrès de la discipline. Pour qu’un transducteur de mode d’épaisseur soit efficace dans un dispositif d’atomisation, il doit être isolé mécaniquement de sorte que sa vibration n’est pas amortie et qu’il doive avoir un flux continu avec un débit égal au taux d’atomisation de sorte que ni la dessiccation ni l’inondation ne se produisent. Ces deux considérations pratiques n’ont pas été soigneusement abordées dans la littérature parce que leurs solutions sont le résultat de techniques d’ingénierie plutôt que de pure nouveauté scientifique, mais elles sont néanmoins essentielles à l’étude du phénomène. Nous présentons un assemblage de support de transducteur et un système d’osier liquide comme solutions. Ce protocole offre une approche systématique de la fabrication et de la caractérisation des atomiseurs pour faciliter la recherche en physique fondamentale et dans une myriade d’applications.