Fabrication et caractérisation des dispositifs piézoélectriques en mode épaisseur pour l’atomisation et l’acoustofluidique
Summary
La fabrication de transducteurs de mode d’épaisseur piézoélectrique par pulvérisation directe de courant des électrodes de plaque sur le niobate de lithium est décrite. En outre, un fonctionnement fiable est réalisé avec un support de transducteur et un système d’approvisionnement en liquide et la caractérisation est démontrée par l’analyse d’impédance, la vibrométrie doppler laser, l’imagerie à grande vitesse, et la distribution de la taille des gouttelettes à l’aide de la diffusion au laser.
Abstract
Nous présentons une technique pour fabriquer des dispositifs piézoélectriques simples de mode d’épaisseur utilisant le niobate de lithium (LN). Il a été démontré que ces dispositifs atomisent le liquide plus efficacement, en termes de débit par entrée de puissance, que ceux qui reposent sur les ondes de Rayleigh et d’autres modes de vibration en LN ou en titane de zirconate de plomb (PZT). L’appareil complet est composé d’un transducteur, d’un support de transducteur et d’un système d’alimentation en fluides. Les principes fondamentaux de l’atomisation acoustique des liquides ne sont pas bien connus, de sorte que des techniques pour caractériser les dispositifs et étudier les phénomènes sont également décrites. La vibrométrie Doppler laser (LDV) fournit des informations sur les vibrations essentielles à la comparaison des transducteurs acoustiques et, dans ce cas, indique si un dispositif fonctionnera bien dans les vibrations d’épaisseur. Il peut également être utilisé pour trouver la fréquence de résonance de l’appareil, bien que cette information est obtenue plus rapidement par l’analyse d’impédance. L’atomisation continue des fluides, par exemple, nécessite un contrôle minutieux du flux de fluide, et nous présentons une telle méthode avec l’imagerie à grande vitesse et les mesures de distribution de la taille des gouttelettes par diffusion au laser.
Introduction
L’atomisation des ultrasons a été étudiée pendant près d’un siècle et bien qu’il y ait beaucoup d’applications, il y a des limites dans la compréhension de la physique sous-jacente. La première description du phénomène a été faite par Wood et Loomis en 19271, et depuis lors, il ya eu des développements dans le domaine pour des applications allant de la livraison de fluides pharmaceutiques aérosols2 à l’injection de carburant3. Bien que le phénomène fonctionne bien dans ces applications, la physique sous-jacente n’est pas bien comprise4,5,6.
Une limitation clé dans le domaine de l’atomisation ultrasonique est le choix du matériau utilisé, le titane de zircone de plomb (PZT), un matériau hystéréétique sujet au chauffage7 et la contamination au plomb avec le plomb élémentaire disponible à partir des limites inter-grains8,9. La taille des grains et les propriétés mécaniques et électroniques des limites des grains limitent également la fréquence à laquelle PZT peut fonctionner10. En revanche, le niobate de lithium est à la fois sans plomb et ne présente aucune hystérèse11, et peut être utilisé pour atomiser les fluides un ordre de grandeur plus efficacement que les atomiseurs commerciaux12. La coupe traditionnelle de niobate de lithium utilisée pour le fonctionnement en mode épaisseur est la coupe de 36 degrés Y-tourné, mais la coupe de 127,86 degrés Y-rotation, X-propagation (128YX), généralement utilisé pour la génération d’ondes acoustiques de surface, a été montré pour avoir une amplitude de déplacement de surface plus élevée par rapport à la coupe de 36 degrés13 lorsqu’il est exploité en résonance et faible perte. Il a également été démontré que le fonctionnement du mode d’épaisseur offre une amélioration de l’ordre de grandeur dans l’efficacité de l’atomiseur par rapport aux autres modes de vibration13, même lors de l’utilisation de LN.
La fréquence de résonance d’un dispositif piézoélectrique fonctionnant en mode épaisseur est régie par son épaisseur t: la longueur d’onde λ = 2t/n où n = 1, 2,… est le nombre d’anti-nœuds. Pour un substrat de 500 μm d’épaisseur, cela correspond à une longueur d’onde de 1 mm pour le mode fondamental, qui peut ensuite être utilisé pour calculer la fréquence de résonance fondamentale, f = v/λ si la vitesse de l’onde, v, est connue. La vitesse du son à travers l’épaisseur de 128YX LN est d’environ 7.000 m/s, et donc f = 7 MHz. Contrairement à d’autres formes de vibration, en particulier les modes de surface, il est facile d’exciter les harmoniques de mode d’épaisseur de plus haut ordre à des fréquences beaucoup plus élevées, ici à 250 MHz ou plus, bien que seuls les modes impairs peuvent être excités par des champs électriques uniformes14. Par conséquent, la deuxième harmonique(n = 2) près de 14 MHz ne peut pas être excitée, mais la troisième harmonique à 21 MHz(n = 3) peut. La fabrication de dispositifs efficaces en mode épaisseur nécessite le dépôt d’électrodes sur les faces opposées du transducteur. Nous utilisons le courant direct (DC) pulvérisation pour accomplir cela, mais le dépôt de faisceau d’électrons et d’autres méthodes pourraient être utilisés. L’analyse de l’impédance est utile pour caractériser les dispositifs, en particulier dans la recherche des fréquences de résonance et du couplage électromécanique à ces fréquences. La vibrométrie Doppler laser (LDV) est utile pour déterminer l’amplitude et la vitesse des vibrations de sortie sans contact ni étalonnage15,et, par balayage, le LDV fournit la distribution spatiale de la déformation de surface, révélant le mode de vibration associé à une fréquence donnée. Enfin, aux fins de l’étude de l’atomisation et de la dynamique des fluides, l’imagerie à haute vitesse peut être utilisée comme technique pour étudier le développement d’ondes capillaires à la surface d’une chute sessile16,17. Dans l’atomisation, comme beaucoup d’autres phénomènes acoustofluidiques, de petites gouttelettes sont produites à un rythme rapide, plus de 1 kHz dans un endroit donné, trop rapidement pour que les caméras à grande vitesse observent avec suffisamment de fidélité et de champ de vision pour fournir des informations utiles sur une taille d’échantillon de gouttelettes suffisamment grande. La diffusion au laser peut être utilisée à cette fin, en passant les gouttelettes à travers un faisceau laser élargi pour (Mie) disperser une partie de la lumière dans la réflexion et la réfraction pour produire un signal caractéristique qui peut être utilisé pour estimer statistiquement la distribution de la taille des gouttelettes.
Il est facile de fabriquer des transducteurs de mode d’épaisseur piézoélectrique, mais les techniques requises dans la caractérisation des dispositifs et de l’atomisation n’ont pas été clairement énoncées dans la littérature à ce jour, ce qui entrave les progrès de la discipline. Pour qu’un transducteur de mode d’épaisseur soit efficace dans un dispositif d’atomisation, il doit être isolé mécaniquement de sorte que sa vibration n’est pas amortie et qu’il doive avoir un flux continu avec un débit égal au taux d’atomisation de sorte que ni la dessiccation ni l’inondation ne se produisent. Ces deux considérations pratiques n’ont pas été soigneusement abordées dans la littérature parce que leurs solutions sont le résultat de techniques d’ingénierie plutôt que de pure nouveauté scientifique, mais elles sont néanmoins essentielles à l’étude du phénomène. Nous présentons un assemblage de support de transducteur et un système d’osier liquide comme solutions. Ce protocole offre une approche systématique de la fabrication et de la caractérisation des atomiseurs pour faciliter la recherche en physique fondamentale et dans une myriade d’applications.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les dimensions et le rapport d’aspect d’un transducteur affectent les modes de vibration qu’il produit. Parce que les dimensions latérales sont finies, il existe toujours des modes latéraux en plus des modes d’épaisseur souhaités. Les méthodes LDV ci-dessus peuvent être utilisées pour déterminer les modes dominants dans la plage de fréquence souhaitée pour un transducteur donné. Un carré de dimensions inférieures à 10 mm donne généralement une approximation proche d’un mode d’épaisseur. Les r…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs sont reconnaissants à l’Université de Californie et à l’installation NANO3 de l’UC San Diego pour la fourniture de fonds et d’installations à l’appui de ce travail. Ces travaux ont été réalisés en partie à la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) de l’UCSD, membre de la National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, qui est soutenue par la National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). Les travaux présentés ici ont été généreusement soutenus par une subvention de recherche de la Fondation W.M. Keck. Les auteurs sont également reconnaissants pour le soutien de ce travail par le Bureau de la recherche navale (via Grant 12368098).
Materials
| Amplifier | Amplifier Research, Souderton, PA, USA | 5U1000 | |
| Articulating arm | Fisso, Zurich, Switzerland | ||
| CF4 Objective | Edmund Optics, Barrington, NJ, USA | Objective used for high speed imaging | |
| Dicing saw | Disco, Tokyo, Japan | Disco Automatic Dicing Saw 3220 | |
| Fiber Fragrance Diffuser Wick | Weihai Industry Co., Ltd., Weihai, Shandong, China | https://www.weihaisz.com/Fiber-Fragrance-Diffuser-Wick_p216.html | |
| High Speed Camera | Photron, San Diego, USA | Fastcam Mini | |
| Laser Doppler Vibrometer | Polytec, Waldbronn, Germany | UHF120 | Non-contact laser doppler vibrometer |
| Laser Scattering Droplet size measurement system | Malvern Panalytical, Malvern, UK | STP5315 | |
| Lithium niobate substrate | PMOptics,Burlington, MA, USA | PWLN-431232 | 4” double-side polished 0.5 mm thick 128°Y-rotated cut lithium niobate |
| Luer-lock syringes | Becton Dickingson, New Jersey, USA | ||
| Nano3 cleanroom facility | UCSD, La Jolla, CA, USA | Fabrication process is performed in it. | |
| Network Analyzer | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | 5061B | |
| Oscilloscope | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | InfiniiVision 2000 X-Series | |
| PSV Acquistion Software | Polytec, Waldbronn, Germany | Version 9.4 | LDV Software |
| PSV Presentation Software | Polytec, Waldbronn, Germany | Version 9.4 | LDV Software |
| Signal generator | NF Corporation, Yokohama, Japan | WF1967 multifunction generator | |
| Single Post Connector | DigiKey, Thief River Falls, MN | ED1179-ND | |
| Sputter deposition | Denton Vacuum, NJ, USA | Denton 18 | Denton Discovery 18 Sputter System |
| Surface Mount Spring Contacts | DigiKey, Thief River Falls, MN | 70AAJ-2-M0GCT-ND | |
| Teflon wafer dipper | ShapeMaster, Ogden, IL, USA | SM4WD1 | Wafer Dipper 4" |
| XYZ Stage | Thor Labs, Newton, New Jersey, USA | MT3 | Optical table stages |
References
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