用于原子化和抗波流体的厚度模式压电器件的制造和特性
Summary
介绍了通过锂硝酸锂板电极的直流溅射制造压电厚度模式传感器。此外，通过传感器支架和流体供应系统实现了可靠的操作，通过阻抗分析、激光多普勒振动测量、高速成像和激光散射液滴尺寸分布，可以证明表征。
Abstract
我们提出了一种使用锂尼奥巴特 （LN） 制造简单厚度模式压电器件的技术。与依靠雷利波和LN中的其他振动模式或铅硅酸盐（PZT）的器件不同，这些器件已被证明能够更有效地雾化液体，每个功率输入的流速。整个设备由传感器、传感器支架和流体供应系统组成。声液雾化的基本原理尚不清楚，因此还介绍了对器件进行特征化和研究这些现象的技术。激光多普勒振动测量 （LDV） 提供在比较声学传感器时必不可少的振动信息，在这种情况下，指示设备在厚度振动中是否表现良好。它还可用于查找器件的谐振频率，但此信息通过阻抗分析获得更快。连续流体雾化作为应用示例，需要仔细的流体流量控制，我们通过激光散射提供高速成像和液滴大小分布测量的方法。
Introduction
超声雾化研究已经近一个世纪了，虽然有许多应用，但理解基础物理存在局限性。伍德和卢米斯于1927年1月首次描述了这一现象，自那时以来，该领域的应用出现了发展，从提供气溶胶化药物液2到燃料喷射3。虽然这种现象在这些应用中效果良好，但基础物理学并没有被很好地理解为,4、5、6。,6
超声波雾化领域的一个关键限制是使用的材料的选择，铅硅酸盐（PZT），一种容易加热7和铅污染的元素铅从颗粒间边界8，9。,9颗粒尺寸和颗粒边界的机械和电子特性也限制了PZT可以操作10的频率。相比之下，镍酸锂既无铅，又无迟性11，可用于比商用雾化器12更有效地雾化流体数量级。在厚度模式下用于操作的锂镍酸的传统切口是36度Y旋转切割，但127.86度Y旋转，X-传播切割（128YX），通常用于表面声波生成，已证明具有更高的表面位移与36度切口13在共振和低损耗下操作时。还表明，厚度模式操作提供了一个数量级的提高雾化器效率比其他振动模式13，即使使用LN。
在厚度模式下运行的压电器件的谐振频率受其厚度t控制：波长= 2 t/n，其中 n = 1，2,…是反节点的数量。对于 500 μm 厚的基板，这对应于基本模式的波长为 1 mm，然后可用于计算基本共振频率，如果波速为λv ， v ，则为已知值。通过 128YX LN 的厚度的声音速度约为 7，000 m/s，因此f = 7 MHz。与其他形式的振动不同，特别是表面绑定模式，它很容易激发高阶厚度模式谐波到更高的频率，在这里到250 MHz或更多，虽然只有奇数模式可能激发均匀的电场14。因此，14 MHz 附近的第二次谐波（n = 2） 不能激动，但 21 MHz（n = 3） 下的第三次谐波可以。制造高效的厚度模式器件需要将电极沉积到传感器的对面上。我们使用直流 （DC） 溅射来实现这一点，但可以使用电子束沉积和其他方法。阻抗分析可用于描述器件，特别是在发现这些频率的谐振频率和机电耦合方面。激光多普勒振动测量 （LDV） 可用于确定输出振动幅度和速度，无需接触或校准15，并且，通过扫描，LDV 提供表面变形的空间分布，揭示与给定频率相关的振动模式。最后，为了研究雾化和流体动力学，可以使用高速成像技术来研究毛细管波在表面的细管波下降16，17。,17在雾化中，与许多其他荧光素现象一样，小液滴的产生速度非常快，在给定位置超过 1 kHz，高速摄像机无法以足够的保真度和视场观察，无法在足够大的液滴样本量上提供有用的信息。激光散射可用于此目的，通过扩展的激光束将液滴传递到 （Mie） 将部分光线在反射和折射中散射，以产生可用于统计估计液滴大小分布的特征信号。
制造压电厚度模式传感器非常简单，但迄今为止文献中尚未明确说明器件和雾化特性所需的技术，妨碍了学科的进展。为了使厚度模式传感器在雾化装置中有效，必须机械地分离它，以便其振动不减震，并且它必须具有与雾化速率相等的连续流体供应，以便既不发生干燥或洪水。文献中没有全面涵盖这两个实际考虑，因为它们的解决办法是工程技术的结果，而不是纯粹的科学新颖性，但它们对于研究这一现象仍然至关重要。我们提出了一个传感器支架组件和一个液体吸芯系统作为解决方案。该协议为雾化器的制造和特性提供了一种系统化的方法，有助于在基础物理和无数应用中进行进一步的研究。
Protocol
Representative Results
Discussion
传感器的尺寸和纵横比会影响其产生的振动模式。由于横向尺寸是有限的，因此除了所需的厚度模式之外，始终有横向模式。上述 LDV 方法可用于确定给定传感器所需频率范围内的显性模式。尺寸低于 10 mm 的正方形通常与厚度模式接近。三个十毫米的矩形也工作得很好。影片 1 和影片 2显示方形的 LDV 区域扫描和 3 mm x 10 mm 传感器，表明它们接近厚度模式。这些方法是经验…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者感谢加州大学和加州大学圣地亚哥分校的NANO3设施为支持这项工作提供资金和设施。这项工作部分在UCSD的圣地亚哥纳米技术基础设施（SDNI）进行，该基础设施是国家纳米技术协调基础设施的成员，得到国家科学基金会（资助ECCS+1542148）的支持。这里介绍的工作得到了W.M.凯克基金会的研究补助金的慷慨支持。作者还感谢海军研究办公室（通过赠款12368098）对这项工作的支持。
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
- 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. Intensifying the microencapsulation process: Ultrasonic atomization as an innovative approach. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 80 (3), 471-477 (2012).
- Namiyama, K., Nakamura, H., Kokubo, K., Hosogai, D. Development of ultrasonic atomizer and its application to S.I. engines. SAE Transactions. , 701-711 (1989).
- Qi, A., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Interfacial destabilization and atomization driven by surface acoustic waves. Physics of Fluids. 20 (7), 074103 (2008).
- Wang, J., Hu, H., Ye, A., Chen, J., Zhang, P. Experimental investigation of surface acoustic wave atomization. Sensors and Actuators A: Physical. 238, 1-7 (2016).
- James, A., Vukasinovic, B., Smith, M. K., Glezer, A. Vibration-induced drop atomization and bursting. Journal of Fluid Mechanics. 476, 1-28 (2003).
- Randall, C. A., Kim, N., Kucera, J. P., Cao, W., Shrout, T. R. Intrinsic and extrinsic size effects in fine-grained morphotropic-phase-boundary lead zirconate titanate ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 81 (3), 677-688 (1998).
- Tsai, S. C., Lin, S. K., Mao, R. W., Tsai, C. S. Ejection of uniform micrometer-sized droplets from Faraday waves on a millimeter-sized water drop. Physical Review Letters. 108 (15), 154501 (2012).
- Jeng, Y. R., Su, C. C., Feng, G. H., Peng, Y. Y., Chien, G. P. A PZT-driven atomizer based on a vibrating flexible membrane and a micro-machined trumpet-shaped nozzle array. Microsystem Technologies. 15 (6), 865-873 (2009).
- Lupascu, D., Rödel, J. Fatigue in bulk lead zirconate titanate actuator materials. Advanced Engineering Materials. 7 (10), 882-898 (2005).
- Kawamata, A., Hosaka, H., Morita, T. Non-hysteresis and perfect linear piezoelectric performance of a multilayered lithium niobate actuator. Sensors and Actuators A: Physical. 135 (2), 782-786 (2007).
- Qi, A., Yeo, L., Friend, J., Ho, J. The Extraction of Liquid, Protein Molecules and Yeast Cells from Paper Through Surface Acoustic Wave Atomization. Lab on a Chip. 10 (4), 470-476 (2010).
- Collignon, S., Manor, O., Friend, J. Improving and Predicting Fluid Atomization via Hysteresis-Free Thickness Vibration of Lithium Niobate. Advanced Functional Materials. 28 (8), 1704359 (2018).
- Lawson, A. The vibration of piezoelectric plates. Physical Review. 62 (1-2), 71 (1942).
- Fukushima, Y., Nishizawa, O., Sato, H. A performance study of a laser doppler vibrometer for measuring waveforms from piezoelectric transducers. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 56 (7), 1442-1450 (2009).
- Thoroddsen, S., Etoh, T., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubbles. Annual Reviews in Fluid Mechanics. 40, 257-285 (2008).
- Yule, A., Al-Suleimani, Y. On droplet formation from capillary waves on a vibrating surface. Proceedings of the Royal Society of London Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 456 (1997), 1069-1085 (2000).
- Hirleman, E. D., Gouesbet, G., Gréhan, G. Modeling of multiple scattering effects in Fraunhofer diffraction particle size analysis. Optical Particle Sizing. , 159-175 (1988).
