Fabbricazione e caratterizzazione dei dispositivi piezoelettrici della modalità Thickness per atomizzazione e acoustofluidica

L’atomizzazione ad ultrasuoni è stata studiata per quasi un secolo e anche se ci sono molte applicazioni, ci sono limitazioni nella comprensione della fisica sottostante. La prima descrizione del fenomeno è stata fatta da Wood e Loomis nel 1927¹, e da allora ci sono stati sviluppi nel campo per applicazioni che vanno dalla fornitura di fluidi farmaceutici aerosolizzati² all’iniezione di carburante³. Anche se il fenomeno funziona bene in queste applicazioni, la fisica sottostante non è ben compresa^4,5,6.

Una limitazione fondamentale nel campo dell’atomizzazione ad ultrasuoni è la scelta del materiale utilizzato, piombo zirconaate titanate (P -T), un materiale isterico incline al riscaldamento⁷ e contaminazione del piombo con piombo elementare disponibile dai confini inter-grano^8,9. La dimensione del grano e le proprietà meccaniche ed elettroniche dei confini dei grani limitano anche la frequenza con cui la P-T può operare¹⁰. Al contrario, il litio niobate è privo di piombo e non presenta isteresi¹¹e può essere utilizzato per atomizzare i fluidi in modo più efficiente rispetto agli atomizzatori commerciali¹². Il taglio tradizionale del niobate al litio utilizzato per il funzionamento in modalità spessore è il taglio ruotato a Y a 36 gradi, ma il taglio a 127,86 gradi lungo-Y ruotato, X-propagazione (128YX), tipicamente utilizzato per la generazione di onde acustiche superficiali, è stato dimostrato di avere un’ampiezza di spostamento della superficie più alta rispetto al taglio¹³ di 36 gradi quando azionato in risonanza e perdita bassa. È stato anche dimostrato che il funzionamento della modalità spessore offre un miglioramento dell’ordine di grandezza nell’efficienza dell’atomizzatore rispetto ad altre modalità di^{vibrazione 13}, anche quando si utilizza LN.

La frequenza di risonanza di un dispositivo piezoelettrico che opera in modalità spessore è regolata dal suo spessore t: la lunghezza d’onda è 2t/n dove n s 1, 2,… è il numero di anti-nodi. Per un substrato spesso 500 m, questo corrisponde a una lunghezza d’onda di 1 mm per la modalità fondamentale, che può vquindi essere utilizzata per calcolare la frequenza di risonanza fondamentale, f .λ La velocità del suono attraverso lo spessore di 128YX LN è di circa 7.000 m/s, e quindi f 7 MHz. A differenza di altre forme di vibrazione, in particolare le modalità legate alla superficie, è semplice eccitare le armoniche della modalità di spessore di ordine superiore a frequenze molto più alte, qui a 250 MHz o più, anche se solo le modalità dispari possono essere eccitate da campi elettrici uniformi¹⁴. Di conseguenza, la seconda armonica(n n – 2) vicino a 14 MHz non può essere eccitata, ma la terza armonica a 21 MHz(n – 3) può. La fabbricazione di dispositivi efficienti in modalità spessore richiede il deposito di elettrodi sulle facce opposte del trasduttore. Usiamo la corrente diretta (DC) sputtering per raggiungere questo obiettivo, ma la deposizione del fascio di elettroni e altri metodi potrebbero essere utilizzati. L’analisi impedibile è utile per caratterizzare i dispositivi, in particolare nel trovare le frequenze di risonanza e l’accoppiamento elettromeccanico a queste frequenze. La vibrometria di Doppler laser (LDV) è utile per determinare l’ampiezza e la velocità della vibrazione in uscita senza contatto o calibrazione¹⁵e, tramite scansione, l’LDV fornisce la distribuzione spaziale della deformazione superficiale, rivelando la modalità di vibrazione associata a una determinata frequenza. Infine, ai fini dello studio dell’atomizzazione e della fluidodinamica, l’imaging ad alta velocità può essere impiegato come tecnica per studiare lo sviluppo di onde capillari sulla superficie di una goccia sessile^16,17. Nell’atomizzazione, come molti altri fenomeni acoustofluidici, piccole goccioline vengono prodotte ad una velocità rapida, oltre 1 kHz in una determinata posizione, troppo rapidamente per i videocamere ad alta velocità per osservare con sufficiente fedeltà e campo visivo per fornire informazioni utili su una dimensione del campione di goccioline sufficientemente grande. La dispersione laser può essere utilizzata a questo scopo, passando le goccioline attraverso un raggio laser espanso per (Mie) disperdere parte della luce in riflessione e rifrazione per produrre un segnale caratteristico che può essere utilizzato per stimare statisticamente la distribuzione delle dimensioni delle goccioline.

È semplice fabbricare trasduttori in modalità di spessore piezoelettrico, ma le tecniche richieste nella caratterizzazione dei dispositivi e dell’atomizzazione non sono state chiaramente indicate nella letteratura fino ad oggi, ostacolando i progressi nella disciplina. Affinché un trasduttore in modalità spessore sia efficace in un dispositivo di atomizzazione, deve essere isolato meccanicamente in modo che la sua vibrazione non sia smorzata e debba avere una fornitura di fluidi continua con una portata pari al tasso di atomizzazione in modo che non si verifichino né disidratazione né inondazioni. Queste due considerazioni pratiche non sono state trattate a fondo nella letteratura perché le loro soluzioni sono il risultato di tecniche ingegneristiche piuttosto che di pura novità scientifica, ma sono comunque fondamentali per studiare il fenomeno. Presentiamo un supporto per trasduttori e un sistema di stoppinità liquida come soluzioni. Questo protocollo offre un approccio sistematico alla fabbricazione e alla caratterizzazione degli atomizzatori per facilitare ulteriori ricerche nella fisica fondamentale e nella miriade di applicazioni.