Изготовление и характеристика режима толщины Piezoelectric устройства для атомизации и acoustofluidics

Ультразвуковая атомизация изучалась в течение почти столетия, и хотя Есть много приложений, Есть ограничения в понимании лежащей в основе физики. Первое описание этого явления было сделано Вуд и Лумис в 1927¹, и с тех пор были события в области применения, начиная от доставки аэрозольных фармацевтических жидкостей² для впрыска топлива³. Хотя явление хорошо работает в этих приложениях, основные физики не очень хорошо понял^4,5,6.

Ключевым ограничением в области ультразвуковой атомизации является выбор используемого материала, свинцового цирконата титаната (ПЗТ), истеричного материала, склонного к нагреванию⁷ и загрязнению свинца элементарным свинцом, доступным из межзерновенных границ^8,9. Размер зерна и механические и электронные свойства границ зерна также ограничивают частоту, на которой ПЗТ может работать^10. В отличие от этого, литий ниобат является как свинца бесплатно и не проявляет никаких истереза¹¹, и может быть использован для атомизации жидкости на порядок величины более эффективно, чем коммерческие форсунки¹². Традиционный разрез литиевого ниобата, используемого для работы в режиме толщины, является 36-градусным Y-повернутым разрезом, но 127,86-градусный Y-повернутый, X-распространяющийся разрез (128YX), обычно используемый для генерации поверхностных акустических волн, был показан как более высокий амплиту смещения поверхности по сравнению с 36-градусным разрезом^13, когда он работал в низкой и низкой резонансной потере. Было также показано, что режим толщины работает предлагает на порядок повышение эффективности распылителя по сравнению с другими режимами вибрации¹³, даже при использовании LN.

Резонансная частота пьезоэлектрического устройства, работающего в режиме толщины, регулируется его толщиной т:длина волны 2 т/н, где n 1, 2,… — это количество антиузлов. Для субстрата толщиной 500 мкм это соответствует длине волны 1 мм для фундаментального режима, который затем может быть использован для расчета фундаментальной частоты резонанса, f q v/q, если скорость волны, v, , известно. Скорость звука через толщину 128YX LN составляет около 7000 м/с, и так f 7 МГц. В отличие от других форм вибрации, особенно поверхностных режимов, это просто, чтобы возбудить режим толщины более высокого порядка гармоник на гораздо более высоких частотах, здесь до 250 МГц или более, хотя только нечетные номера режимы могут быть возбуждены равномерной электрических полей¹⁴. Следовательно, второй гармоник(n No 2) вблизи 14 МГц не может быть возбужденным, но третий гармоник на 21 МГц(n q 3) может. Изготовление эффективных устройств режима толщины требует отложения электродов на противоположные лица преобразовательа. Мы используем прямой ток (DC) распыления для достижения этой цели, но электрон-луч осаждения и другие методы могут быть использованы. Анализ impedance полезен для того чтобы охарактеризовать приборы, определенно в находить частоты резонанса и электромеханические соединения на этих частотах. Лазерная доплеровская виброметрия (LDV) полезна для определения амплитуды и скорости выходной вибрации без контакта или калибровки^15,а с помощью сканирования LDV обеспечивает пространственное распределение деформации поверхности, выявляя режим вибрации, связанный с данной частотой. Наконец, для целей изучения атомизации и динамики жидкости, высокоскоростные изображения могут быть использованы в качестве метода для изучения развития капиллярных волн на поверхности sessile падение^16,17. В атомизации, как и многие другие acoustofluidic явлений, небольшие капли производятся с быстрой скоростью, более 1 кГц в данном месте, слишком быстро для высокоскоростных камер для наблюдения с достаточной точностью и поле зрения, чтобы обеспечить полезную информацию в течение достаточно большого размера образца капли. Лазерное рассеяние может быть использовано для этой цели, проходя капли через расширенный лазерный луч (Mie) рассеять часть света в отражении и преломлении для получения характерного сигнала, который может быть использован для статистической оценки распределения размера капель.

Это просто изготовить пьезоэлектрические преобразователи режима толщины, но методы, необходимые в устройстве и характеристики атомизации не были четко изложены в литературе на сегодняшний день, препятствуя прогрессу в дисциплине. Для того, чтобы режим толщины преобразователь был эффективен в устройстве атомизации, он должен быть механически изолирован, чтобы его вибрация не смочена и она должна иметь непрерывную подачу жидкости со скоростью потока, равной скорости атомизации, чтобы ни высыхания, ни затопления не происходило. Эти два практических соображения не были подробно освещены в литературе, поскольку их решения являются результатом инженерных методов, а не чистой научной новизны, но тем не менее они имеют решающее значение для изучения этого явления. В качестве решений мы представляем сборку держателя трансдуцеров и систему жидкостных фитилей. Этот протокол предлагает систематический подход к изготовлению и характеристике атомайзера для содействия дальнейшим исследованиям в области фундаментальной физики и множества применений.