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.
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Article de méthode
Fabrication et caractérisation des dispositifs piézoélectriques en mode épaisseur pour l’atomisation et l’acoustofluidique
Dans cet article
Résumé
Résumé
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
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Protocole
1. Fabrication de transducteur de mode d’épaisseur par pulvérisation de DC
- Préparation des gaufrettes
- Placer une gaufrette LN de 100 mm 128YX dans un plat en verre propre d’au moins 125 mm de diamètre. Sonister la plaquette dans au moins 200 mL d’acétone pendant 5 min.
- Répétez la sonication avec de l’alcool isopropyle et encore une fois avec de l’eau déionisée pendant 5 min chacune.
- Retirer l’eau visible de la surface à l’aide d’azote sec.
- Retirez complètement l’eau de la surface en plaçant la plaquette sur une plaque chauffante à 100 °C pendant 5 min. Assurez-vous qu’il y a une feuille de papier d’aluminium sur la pl....
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Résultats
Les dispositifs piézoélectriques de mode d’épaisseur ont été fabriqués à partir du niobate de lithium 128YX. La figure 1 montre un assemblage complet pour maintenir le transducteur en place avec un support de transducteur personnalisé utilisé avec le système passif de livraison de fluides développé pour l’atomisation continue. Les étapes de caractérisation de ces dispositifs comprennent la détermination de la fréquence de résonance et des harmoniques à l’aide d’un analyseur d’impédance (
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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 rectangles de trois par dix mi.......
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Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Remerciements
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).
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Amplificateur | Amplifier Research, Souderton, PA, USA | 5U1000 | |
| Bras articulé | Fisso, Zurich, Suisse | ||
| CF4 Objectif | Edmund Optics, Barrington, NJ, USA | Objectif utilisé pour l’imagerie à grande vitesse | |
| Scie à dés | Disco, Tokyo, Japon | Disco Scie à dés automatique 3220 | |
| Mèche de diffuseur de parfum à | fibreWeihai Industry Co., Ltd., Weihai, Shandong, Chine | https://www.weihaisz.com/Fiber-Fragrance-Diffuser-Wick_p216.html | |
| Caméra haute vitesse | Photron, San Diego, États-Unis | Fastcam Mini | |
| Laser Doppler Vibrometer | Polytec, Waldbronn, Allemagne | UHF120 | Vibromètre laser Doppler sans contact |
| Système de mesure de la taille des gouttelettes à diffusion laser | Malvern Panalytical, Malvern, Royaume-Uni | ||
| Substrat en niobate de lithium | PMOptics,Burlington, MA, USA | PWLN-431232 | 4" poli double face 0,5 mm d’épaisseur 128° ; |
| Seringues Luer-lock | Becton Dickingson, New Jersey, États-Unis | ||
| Installation de salle blanche Nano3 | UCSD, La Jolla, CA, États-Unis | Le processus de fabrication y est effectué. | |
| Analyseur de réseau | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, États-Unis | Oscilloscope 5061B | |
| Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, États-Unis | InfiniiVision 2000 X-Series | ||
| PSV Logiciel d’acquisition | Polytec, Waldbronn, Allemagne | Version 9.4 | Logiciel LDV |
| Logiciel PSV Logiciel de présentation | Polytec, Waldbronn, Allemagne | Version 9.4 | Logiciel LDV |
| Générateur de signaux | NF Corporation, Yokohama, Japon | WF1967 Générateur | |
| Connecteur à poteau unique | DigiKey, Thief River Falls, MN | ED1179-ND | |
| Dépôt de pulvérisation Denton | Vacuum, NJ, USA | Denton 18 | Denton Discovery 18 Système de pulvérisation à |
| montage en surface Contacts à ressort | DigiKey, Thief River Falls, MN | 70AAJ-2-M0GCT-ND | |
| Trempette en téflon | ShapeMaster, Ogden, IL, USA | SM4WD1 | Plongeur de plaquette 4" |
| XYZ Stage | Thor Labs, Newton, New Jersey, USA | MT3 | Optical table stages |
Références
- Wood, R. W., Loomis, A. L. XXXVIII.physical and biological effects of high-frequency sound-waves of great intensity. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 4 (22), 417-436 (1927).
- Dalmoro, A., Barba, A. A., Lambert, G., d'Amore, M.
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Réimpressions et autorisations
