用于雾化与声流体学的厚度模式压电器件的制备与表征

摘要

本文介绍了通过在铌酸锂上采用直流溅射法沉积板电极来制备压电厚度模式换能器的方法。此外，通过使用换能器支架和流体供给系统实现了可靠运行，并通过阻抗分析、激光多普勒测振、高速成像以及基于激光散射的液滴尺寸分布对器件性能进行了表征。

摘要

我们介绍一种利用铌酸锂（LN）制备简单厚度模式压电器件的技术。与依赖于LN或锆钛酸铅（PZT）中瑞利波及其他振动模式的器件相比，此类器件在单位输入功率下的液体雾化效率更高。完整的装置由换能器、换能器支架和流体供给系统组成。由于声学液体雾化的基础原理尚不明确，本文还描述了用于表征器件及研究相关现象的技术方法。激光多普勒测振法（LDV）可提供比较声学换能器所需的关键振动信息，在本例中可用于判断器件是否能在厚度振动模式下良好工作。该方法也可用于确定器件的共振频率，尽管通过阻抗分析可更快获得此信息。以连续液体雾化为例的应用需要精确的流体流动控制，我们展示了结合高速成像和基于激光散射的液滴尺寸分布测量的相应方法。

引言

超声雾化已研究近一个世纪，尽管其应用广泛，但对潜在物理机制的理解仍存在局限。该现象的首次描述由 Wood 和 Loomis 于1927年提出¹，此后该领域不断发展，应用范围涵盖气溶胶化药物液体输送²到燃料喷射³等。尽管该现象在这些应用中效果良好，但其背后的物理机制尚未被充分理解^4,5,6。

超声雾化领域的一个关键限制在于所用材料的选择，即锆钛酸铅（PZT），这是一种具有滞后特性的材料，容易发热⁷，并且晶界处可能释放出元素铅，造成铅污染^8,9。晶粒尺寸以及晶界的力学和电学特性也限制了PZT的工作频率¹⁰。相比之下，铌酸锂既不含铅，又无滞后效应¹¹，用于流体雾化时，其效率比商用雾化器高出一个数量级¹²。传统上用于厚度振动模式的铌酸锂切割方式为36度Y....

方案

1. 通过直流溅射法制备厚度模式换能器

1. 晶圆制备
   1. 将一片100 mm的128YX LN晶圆放入直径至少为125 mm的洁净玻璃皿中。在至少200 mL的丙酮中对晶圆进行超声处理5分钟。
   2. 依次用异丙醇和去离子水分别超声处理5分钟。
   3. 使用干燥氮气去除表面可见的水分。
   4. 将晶圆置于100 °C的加热板上加热5分钟，彻底去除表面水分。确保加热板上覆盖有一层铝箔，以帮助消散晶圆表面的电荷积累。
2. 电极沉积
   1. 将晶圆放入溅射沉积系统的真空腔室中，将腔室抽真空至5 × 10^-6 mTorr。设定氩气压力为2.3 mTorr，转速为13 rpm。
      注意：如果所用仪器已有可获得高质量薄膜的成熟参数，则应采用这些参数。
   2. 以1.2−1.6 A/s的速率沉积5−10 nm的钛。
      注意：在正式晶圆上开始此过程前，先将等离子体功率设为200 W，沉积1分钟，测试沉积速率，并用台阶仪测量膜层厚度。每种金属均需单独测试。根据测试结果设定功率，以达到所述的沉积速率。
   3. 以7−9 A/s的速率沉积1−1.2 µm的金。
      注意：提高等离子体功率或增加氩气分压以提高沉积速率，可能会降低薄膜质量。
   4. 取出晶圆，并对晶圆的另一面重复步骤1.2.1−1.2.3。

结果

采用128YX锂铌酸盐制备了厚度模式压电器件。图1展示了一个完整的装配结构，用于固定换能器，并使用了专为连续雾化设计的被动流体输送系统所配套的定制换能器支架。对这些器件的表征步骤包括利用阻抗分析仪测定其谐振频率及谐波（图2）。根据本实验方案所述方法，测得器件的基频接近7 MHz，与基底厚度的理论预测一致。进一步通过非接触式激光多普勒测振仪对基底振动进行表征，该测量可确定基底位移的幅度，通常在纳米量级（图3）。连续雾化对于厚度模式器件的实际应用至关重要，本研究通过开发一种向基底供液的被动流体输送系统实现了该功能。最后，描述了两种观察液滴振动与雾化动态的方法：高速成像和液滴粒径分布测量，如图4和图5所示。

讨论

换能器的尺寸和宽高比会影响其产生的振动模式。由于横向尺寸是有限的，除了期望的厚度振动模式外，始终会存在横向振动模式。上述LDV方法可用于确定给定换能器在目标频率范围内的主要振动模式。边长小于10 mm的正方形通常能较好地近似厚度模式，3 mm × 10 mm的矩形也具有良好的效果。视频1和视频2展示了正方形及3 mm × 10 mm换能器的LDV面扫描结果，表明它们的振动模式接近厚度模式。这些尺寸是通过实验经验确定的，而非通过仿真与设计选定，尽管此类方法也可用于寻找理想的横向尺寸。

换能器的电接触和机械接触方式也会影响其产生的振动，因为这些接触方式构成了压电片所受的边界条件。我们在补充图1中提供了三种测量方法（顶针-平板法、顶针-顶针法和换能器支架法）的阻抗谱作为对比。显然，在本例中，接触方式的选择并未改变共振峰的位置。我们注意到，换能器与平板表面之间的机械接触会抑制振动，从而降低雾化效率。在使用激光多普勒测振仪（LDV）进行测量时，采用顶针-平板接触方式，因为这是获得一个平整且静.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
放大器	Amplifier Research, Souderton, PA, USA	5U1000
万向臂	Fisso, Zurich, Switzerland
CF4物镜	Edmund Optics, Barrington, NJ, USA		用于高速成像的物镜
划片机	Disco, Tokyo, Japan	Disco Automatic Dicing Saw 3220
纤维香薰扩散芯	Weihai Industry Co., Ltd., Weihai, Shandong, China	https://www.weihaisz.com/Fiber-Fragrance-Diffuser-Wick_p216.html
高速相机	Photron, San Diego, USA	Fastcam Mini
激光多普勒测振仪	Polytec, Waldbronn, Germany	UHF120	非接触式激光多普勒测振仪
激光散射液滴粒径测量系统	Malvern Panalytical, Malvern, UK	STP5315
铌酸锂基片	PMOptics,Burlington, MA, USA	PWLN-431232	4” 双面抛光，厚度0.5 mm，128°Y切铌酸锂
鲁尔锁式注射器	Becton Dickingson, New Jersey, USA
Nano3洁净室设施	UCSD, La Jolla, CA, USA		制造工艺在该设施中进行
网络分析仪	Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA	5061B
示波器	Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA	InfiniiVision 2000 X-Series
PSV采集软件	Polytec, Waldbronn, Germany	Version 9.4	LDV软件
PSV显示软件	Polytec, Waldbronn, Germany	Version 9.4	LDV软件
信号发生器	NF Corporation, Yokohama, Japan	WF1967多功能信号发生器
单柱连接器	DigiKey, Thief River Falls, MN	ED1179-ND
溅射沉积设备	Denton Vacuum, NJ, USA	Denton 18	Denton Discovery 18溅射系统
表面贴装弹簧触点	DigiKey, Thief River Falls, MN	70AAJ-2-M0GCT-ND
特氟龙晶圆浸渍器	ShapeMaster, Ogden, IL, USA	SM4WD1	晶圆浸渍器 4"
XYZ位移台	Thor Labs, Newton, New Jersey, USA	MT3	光学平台位移台