Fabricación y caracterización de dispositivos piezoeléctricos en modo de espesor para atomización y acoustofluídicos

La atomización por ultrasonido se ha estudiado durante casi un siglo y aunque hay muchas aplicaciones, hay limitaciones en la comprensión de la física subyacente. La primera descripción del fenómeno fue hecha por Wood y Loomis en 1927¹, y desde entonces ha habido desarrollos en el campo para aplicaciones que van desde la entrega de fluidos farmacéuticos aerosolizados² a la inyección de combustible^3. Aunque el fenómeno funciona bien en estas aplicaciones, la física subyacente no se entiende bien^4,5,6.

Una limitación clave en el campo de la atomización ultrasónica es la elección del material utilizado, titanato de zirconato de plomo (PZT), un material histérico propenso a calentar⁷ y la contaminación por plomo con plomo elemental disponible desde los límites entre granos^8,,9. El tamaño del grano y las propiedades mecánicas y electrónicas de los límites del grano también limitan la frecuencia a la que PZT puede operar¹⁰. Por el contrario, el niobato de litio no tiene plomo y no exhibe histéresis^11,y se puede utilizar para atomizar fluidos un orden de magnitud más eficiente que los atomizadores comerciales¹². El corte tradicional de niobato de litio utilizado para el funcionamiento en el modo de espesor es el corte girado en Y de 36 grados, pero el corte de 127,86 grados girado en Y, de propagación X (128YX), normalmente utilizado para la generación de ondas acústicas superficiales, se ha demostrado que tiene una mayor amplitud de desplazamiento de la superficie en comparación con el corte de 36 grados¹³ cuando se opera en resonancia y baja pérdida. También se ha demostrado que la operación en modo de espesor ofrece un orden de mejora de magnitud en la eficiencia del atomizador sobre otros modos de vibración^13,incluso cuando se utiliza LN.

La frecuencia de resonancia de un dispositivo piezoeléctrico que opera en el modo de espesor se rige por su espesor t: la longitud de onda de 2t/n, donde n a 1, 2,… es el número de anti-nodos. Para un sustrato de 500 m de espesor, esto corresponde a una longitud de onda de 1 mm para el modo fundamental, que luego se puede utilizar para calcular la frecuencia de resonancia fundamental, f á v/á si se conoce la velocidad de onda, v. La velocidad del sonido a través del espesor de 128YX LN es de aproximadamente 7.000 m/s, y así f a 7 MHz. A diferencia de otras formas de vibración, particularmente los modos de superficie, es sencillo excitar los armónicos de modo de espesor de orden superior a frecuencias mucho más altas, aquí a 250 MHz o más, aunque sólo los modos de números impares pueden ser excitados por campos eléctricos uniformes¹⁴. Por lo tanto, el segundo armónico (n a 2) cerca de 14 MHz no se puede excitar, pero el tercer armónico a 21 MHz (n a 3) puede. La fabricación de dispositivos de modo de espesor eficiente requiere depositar electrodos en caras opuestas del transductor. Utilizamos el sputtering de corriente directa (DC) para lograr esto, pero se podría utilizar la deposición de haz de electrones y otros métodos. El análisis de impedancia es útil para caracterizar los dispositivos, particularmente en la búsqueda de las frecuencias de resonancia y el acoplamiento electromecánico a estas frecuencias. La vibrometría Doppler láser (LDV) es útil para determinar la amplitud y velocidad de vibración de salida sin contacto ni calibración^15,y, a través del escaneo, el LDV proporciona la distribución espacial de la deformación de la superficie, revelando el modo de vibración asociado con una frecuencia dada. Por último, para estudiar la atomización y la dinámica de fluidos, se pueden emplear imágenes de alta velocidad como técnica para estudiar el desarrollo de ondas capilares en la superficie de una gota sésil^16,,17. En la atomización, como muchos otros fenómenos acoustofluídicos, las pequeñas gotas se producen a una velocidad rápida, más de 1 kHz en un lugar dado, demasiado rápido para que las cámaras de alta velocidad observen con suficiente fidelidad y campo de visión para proporcionar información útil sobre un tamaño de muestra de gota suficientemente grande. La dispersión láser se puede utilizar para este propósito, pasando las gotas a través de un rayo láser expandido a (Mie) dispersar parte de la luz en la reflexión y la refracción para producir una señal característica que se puede utilizar para estimar estadísticamente la distribución del tamaño de la gota.

Es sencillo fabricar transductores de modo piezoeléctrico, pero las técnicas requeridas en la caracterización del dispositivo y la atomización no se han indicado claramente en la literatura hasta la fecha, lo que dificulta el progreso en la disciplina. Para que un transductor de modo de espesor sea eficaz en un dispositivo de atomización, debe estar aislado mecánicamente de modo que su vibración no se amortigua y debe tener un suministro de fluido continuo con un caudal igual a la tasa de atomización para que no se produzca ni desicación ni inundación. Estas dos consideraciones prácticas no han sido completamente cubiertas en la literatura porque sus soluciones son el resultado de técnicas de ingeniería más que pura novedad científica, pero sin embargo son fundamentales para el estudio del fenómeno. Presentamos un conjunto de soporte de transductor y un sistema de wicking líquido como soluciones. Este protocolo ofrece un enfoque sistemático para la fabricación y caracterización de atomizadores para facilitar la investigación adicional en la física fundamental y innumerables aplicaciones.