Herstellung und Charakterisierung von Piezoelektrischen Geräten für Zerstäubung und Akustofluidik

Ultraschall-Zerstäubung wurde seit fast einem Jahrhundert untersucht und obwohl es viele Anwendungen gibt, gibt es Einschränkungen im Verständnis der zugrunde liegenden Physik. Die erste Beschreibung des Phänomens wurde 1927 von Wood und Loomis¹gemacht, und seitdem gibt es Entwicklungen auf dem Gebiet für Anwendungen, die von der Lieferung von aerosolisierten pharmazeutischen Flüssigkeiten² bis zur Kraftstoffinjektion³reichen. Obwohl das Phänomen in diesen Anwendungen gut funktioniert, ist die zugrunde liegende Physik nicht gut verstanden^4,5,6.

Eine wesentliche Einschränkung im Bereich der Ultraschallzerstäubung ist die Wahl des verwendeten Materials, Bleizirkonattitanatat (PZT), ein hysterisches Material, das anfällig für Erwärmung⁷ ist, und Bleikontamination mit Elementarblei, das aus den Interkorngrenzen^8,,9zur Verfügung steht. Korngröße und mechanische und elektronische Eigenschaften von Korngrenzen begrenzen auch die Frequenz, mit der PZT¹⁰betreiben kann. Im Gegensatz dazu ist Lithiumniobat sowohl bleifrei und weist keine Hysterese¹¹auf und kann verwendet werden, um Flüssigkeiten in einer Größenordnung effizienter zu zerstäuben als kommerzielle Zerstäuber¹². Der traditionelle Schnitt von Lithiumniobat, der für den Betrieb im Dickenmodus verwendet wird, ist der 36-Grad-Y-Rotschnitt, aber der 127,86 Grad Y-rotierte, X-propagating Schnitt (128YX), der typischerweise für die Erzeugung von Oberflächenschallwellen verwendet wird, hat nachweislich eine höhere Oberflächenverschiebungsamplitude im Vergleich zu dem 36-Grad-Schnitt^13, wenn er in Resonanz und geringem Verlust betrieben wird. Es wurde auch gezeigt, dass dicken Modus Betrieb bietet eine Größenordnung Verbesserung der Zerstäuber Effizienz gegenüber anderen Modi der Vibration¹³, auch bei der Verwendung von LN.

Die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Geräts, das im Dickenmodus arbeitet, wird durch seine Dicke tbestimmt: die Wellenlänge n = 2t/n, wobei n = 1, 2,… ist die Anzahl der Antiknoten. Für ein 500 m dickes Substrat entspricht dies einer Wellenlänge von 1 mm für den Basismodus, der dann zur Berechnung der Fundamentalresonanzfrequenz verwendet werden kann, f = v/, wenn die Wellengeschwindigkeit, v, bekannt ist. Die Schallgeschwindigkeit durch die Dicke von 128YX LN beträgt ca. 7.000 m/s und damit f = 7 MHz. Im Gegensatz zu anderen Formen von Vibrationen, insbesondere oberflächengebundenen Modi, ist es einfach, Oberschwingungen höherer Dicke zu viel höheren Frequenzen zu anzuregen, hier zu 250 MHz oder mehr, obwohl nur die ungeraden Modi durch gleichmäßige elektrische Felder angeregt werden können¹⁴. Folglich kann die zweite Oberschwingung (n = 2) bei 14 MHz nicht angeregt werden, aber die dritte Oberschwingung bei 21 MHz (n = 3) kann. Die Herstellung effizienter Dickenmodusgeräte erfordert das Ablegen von Elektroden auf gegenüberliegende Flächen des Messumformers. Wir verwenden Gleichstrom (DC) Sputtering, um dies zu erreichen, aber Elektronenstrahlabscheidung und andere Methoden könnten verwendet werden. Die Impedanzanalyse ist nützlich, um die Geräte zu charakterisieren, insbesondere bei der Ermittlung der Resonanzfrequenzen und der elektromechanischen Kopplung bei diesen Frequenzen. Die Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV) ist nützlich, um die Amplitude und Geschwindigkeit der Ausgangsschwingung ohne Kontakt oder Kalibrierung¹⁵zu bestimmen, und durch Scannen bietet der LDV die räumliche Verteilung der Oberflächenverformung und zeigt die Vibrationsart, die mit einer bestimmten Frequenz verbunden ist. Schließlich kann für die Untersuchung der Zerstäubung und Strömungsdynamik, High-Speed-Bildgebung als eine Technik verwendet werden, um die Entwicklung von Kapillarwellen auf der Oberfläche eines sessilen^{Tropfens 16,17}zu studieren. Bei der Zerstäubung werden, wie viele andere akustofluidische Phänomene, kleine Tröpfchen mit einer schnellen Geschwindigkeit über 1 kHz an einem bestimmten Ort produziert, zu schnell für Hochgeschwindigkeitskameras, um sie mit ausreichender Genauigkeit und Sichtfeld zu beobachten, um nützliche Informationen über eine ausreichend große Tröpfchenstichprobengröße zu liefern. Laserstreuung kann zu diesem Zweck verwendet werden, indem die Tröpfchen durch einen erweiterten Laserstrahl übergeben werden, um (Mie) einen Teil des Lichts in Reflexion und Brechung zu streuen, um ein charakteristisches Signal zu erzeugen, das verwendet werden kann, um die Tröpfchengrößenverteilung statistisch zu schätzen.

Es ist einfach, piezoelektrische Dickenmodus-Wandler herzustellen, aber die Techniken, die in der Geräte- und Zerstäubungscharakterisierung erforderlich sind, wurden in der Literatur bisher nicht eindeutig angegeben, was den Fortschritt in der Disziplin behindert. Damit ein Dickenmoduswandler in einer Zerstäubungsvorrichtung wirksam ist, muss er mechanisch isoliert werden, damit seine Schwingung nicht gedämpft wird und er eine kontinuierliche Flüssigkeitszufuhr mit einer Durchflussrate hat, die der Zerstäubungsrate entspricht, so dass weder Austrocknung noch Überflutung auftreten. Diese beiden praktischen Überlegungen wurden in der Literatur nicht gründlich behandelt, da ihre Lösungen eher das Ergebnis von Ingenieurstechniken als reiner wissenschaftlicher Neuheit sind, aber dennoch entscheidend für die Untersuchung des Phänomens sind. Als Lösungen präsentieren wir eine Wandlerhalter-Montage und ein Flüssigkeitsableitendessystem. Dieses Protokoll bietet einen systematischen Ansatz zur Zerstäuberherstellung und Charakterisierung, um die weitere Forschung in der Grundlagenphysik und unzähligen Anwendungen zu erleichtern.