微粒化およびアユースト流体のための厚さモード圧電デバイスの作製と特性

超音波原子化はほぼ1世紀研究されており、多くの用途がありますが、基礎となる物理学を理解する上で限界があります。現象の最初の説明は、1927^年1年にWoodとLoomisによってなされ、それ以来、エアロゾル化された医薬液²を燃料噴射³に至るまでの用途に関する分野で発展があった。これらのアプリケーションでは、この現象はうまく機能しますが、基礎となる物理学は^{44、5、65,6}でよく理解されていません。

超音波霧化の分野における重要な制限は、使用される材料の選択、鉛ジルコネートチタン酸塩(PZT)、加熱⁷および粒子間境界から利用可能な元素鉛と鉛汚染を起こしやすいヒステリティック材料^88、99である。穀物の大きさと穀物境界の機械的および電子的特性も、PZTが¹⁰を操作できる周波数を制限する。対照的に、ニオベトリチウムはいずれも鉛フリーであり、ヒステリシス¹¹を示さないが、かつ市販のアトマイザー¹²よりも効率よく微粒化する流体を用いることができる。厚みモードでの動作に使用されるニオベトリチウムの従来のカットは36度Y回転カットですが、表面音響波発生に通常使用される127.86度のY回転X伝搬カット(128YX)は、36^{度カットと}低損失で動作する場合に比べて表面変位振幅が高いことが示されています。また、厚みモード動作は、LNを使用する場合でも、他の振動¹³モードよりも原子化器効率の桁違いの改善を提供することが示されています。

厚みモードで動作する圧電デバイスの共振周波数は、その厚さtによって制御されます: 波長λ = 2t/n n = 1,2,… は、アンチノードの数です。厚さ500μmの基板の場合、これは基本モードの波長1mmに相当し、次に基本共振周波数を計算するために使用することができ、波速であればf=v/λ、v、v既知である。 f = vλ128YX LNの厚さによる音速は約7,000 m/sであり、f = 7 MHzです。他の形態の振動、特に表面結合モードとは異なり、高次厚みモードをはるかに高い周波数に励起するのは簡単ですが、ここでは250MHz以上に、奇数のモードだけが均一な電界¹⁴によって励起される可能性があります。したがって、14 MHz付近の第2ハーモニック(n=2)は励起できませんが、21MHz(n =n 3)の第3ハーモニックは可能です。効率的な厚みモードデバイスの製造は、トランスデューサの対向面に電極を堆積させる必要があります。これを実現するために直流(DC)スパッタリングを使用しますが、電子ビーム堆積やその他の方法を使用することができます。インピーダンス解析は、特にこれらの周波数で共振周波数と電気機械結合を見つける際に、デバイスを特徴付けるために有用です。レーザードップラービブロメトリー(LDV)は、接触またはキャリブレーション¹⁵を伴わない出力振動振幅および速度を決定するのに有用であり、また、走査を介して、LDVは、所定の周波数に関連する振動のモードを明らかにし、表面変形の空間分布を提供する。最後に、微粒化および流体力学を研究する目的で、高速イメージングを用いて、セシルドロップ^16,17,17の表面上の毛細管波の発達を研究する技術として用いることができる。原子化では、他の多くのアクロス流体現象と同様に、小さな液滴が急速に生成され、所定の位置で1kHzを超え、高速カメラが十分な忠実度と視野で観察するには速すぎて、十分に大きな液滴サンプルサイズで有用な情報を提供します。レーザー散乱は、この目的のために使用され得る、膨張したレーザー光を通して液滴を通過する(Mie)反射および屈折で光の一部を散乱し、液滴サイズ分布を統計的に推定するために使用され得る特徴的な信号を生成する。

圧電厚さモードトランスデューサを製造するのは簡単ですが、デバイスと霧化特性に必要な技術はこれまで文献に明確に記載されておらず、規律の進歩を妨げています。厚さモードのトランスデューサが霧化装置で有効であるためには、その振動が減衰しないように機械的に分離され、乾燥も洪水も起こらないように、霧化速度に等しい流量を持つ連続的な流体供給を持っている必要があります。これらの2つの実用的な考慮事項は、その解決策は純粋な科学の目新しさではなく工学技術の結果であるため、文献で徹底的に取り上げられていないが、それにもかかわらず、現象を研究するために重要である。当社は、トランスデューサホルダーアセンブリと液体ウィッキングシステムをソリューションとして提供します。このプロトコルは、基礎物理学と無数のアプリケーションのさらなる研究を促進するための原子化剤の製造と特性評価に体系的なアプローチを提供します。