Fabricação e caracterização de dispositivos piezoelétricos do modo de espessura para atomização e acoustofluidos

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 compreendida^4,,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 interordonas^8,,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 vibração^13,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 sessile^16,17. 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.