Summary
ייצור של התמרה במצב עובי פיזואלקטריים באמצעות התזה הנוכחי ישיר של אלקטרודות צלחת על ליתיום niobate מתואר. בנוסף, הפעולה המהימנה מושגת עם בעל מתמר ומערכת אספקת נוזלים ואפיון מומחש באמצעות ניתוח עכבה, דופלר לייזר וויברמטריה, הדמיה במהירות גבוהה, ו-droplet גודל התפלגות באמצעות פיזור לייזר.
Abstract
אנו מציגים טכניקה כדי להמציא במצב פשוט עובי מכשירים פיזואלקטריים באמצעות ליתיום niobate (in). התקנים כאלה הוכחו נוזלי האטוציזציה ביעילות רבה יותר, במונחים של שיעור הזרימה לכל קלט כוח, מאשר אלה המסתמכים על גלי ריילי ומצבים אחרים של רטט ב-LN או להוביל בחומצה טיטנאט (PZT). המכשיר המלא מורכב מתמר, בעל מתמר, ומערכת אספקת נוזלים. היסודות של הידוד נוזלי אקוסטי אינם ידועים, ולכן טכניקות לאפיון המכשירים וללימוד התופעות מתוארות גם. דופלר לייזר ויברמטריה (LDV) מספק מידע רטט חיוני השוואת מתמרים אקוסטיים, במקרה זה, מציין אם המכשיר יבצע גם רטט עובי. זה יכול לשמש גם כדי למצוא את תדירות התהודה של המכשיר, אם כי מידע זה מתקבל במהירות רבה יותר באמצעות ניתוח עכבה. האטומיזציה של נוזלים רציפה, כיישום לדוגמה, דורשת בקרת זרימה זהירה, ואנו מציגים שיטה כזו עם הדמיה במהירות גבוהה והפצת מדידות בגודל droplet באמצעות פיזור לייזר.
Introduction
האטווניזציה אולטרסאונד כבר נחקרו כמעט מאה ולמרות שיש יישומים רבים, יש מגבלות להבנת הפיסיקה הבסיסית. התיאור הראשון של התופעה נעשתה על ידי ווד ולומיס ב 19271, ומאז היו התפתחויות בתחום עבור יישומים החל אספקת נוזלים aerosolized2 כדי הזרקת דלק3. למרות שהתופעה פועלת היטב ביישומים אלה, הפיסיקה הבסיסית אינה מובנת היטב4,5,6.
מגבלה מפתח בתחום של אולטראסאונד אטוזציה היא הבחירה של חומר בשימוש, להוביל זיקונוס החומצה (pzt), חומר היסטראטי נוטה חימום7 ולהוביל זיהום עם עופרת אלמנטלים הזמינים מגבולות בין-דגנים8,9. גודל הדגנים מאפיינים מכניים ואלקטרוניים של גבולות הדגן גם להגביל את התדירות שבה PZT יכול להפעיל10. לעומת זאת, ליתיום niobate היא ללא עופרת ומציג ללא היסטרזיס11, והוא יכול לשמש כדי להפוך את הנוזלים לסדר גודל ביעילות רבה יותר מאשר אחרים רססים מסחרי12. החתך המסורתי של ליתיום niobate המשמש לתפעול במצב עובי הוא מ36-מעלות Y לגזור מראש, אבל 127.86-מעלות Y מסובבת, X-הפצת לחתוך (128YX), בדרך כלל משמש הדור גל אקוסטי לפני השטח, הוכח שיש הזחה משטח גבוה יותר בהשוואהלגזור 36 -מעלות זה גם הוכח כי הפעולה מצב עובי מציע סדר של שיפור בגודל ביעילות atomizer ב על מצבים אחרים של רטט13, גם בעת שימוש ב-LN.
תדירות התהודה של מכשיר פיזואלקטריים הפעלה במצב עובי נשלטת על ידי עובי שלה t: את אורך הגל λ = 2t/n כאשר n = 1, 2,... הוא מספר הצמתים. עבור מצע עבה 500 יקרומטר, זה מתאים לאורך הגל של 1 מ"מ עבור מצב היסוד, אשר ניתן להשתמש בו כדי לחשב את תדירות התהודה הבסיסית, f = v/λ אם מהירות הגל, v, ידוע. מהירות הקול באמצעות עובי של 128YX LN היא כ 7,000, ולכן f = 7 MHz. בניגוד לצורות אחרות של רטט, במיוחד מצבים מאוגדים למשטח, זה פשוט לרגש גבוה יותר הרמוניה מצב עובי הרמוני לתדרים גבוהים בהרבה, כאן כדי 250 MHz או יותר, אם כי רק מצבים אי-זוגיים ממוספרים יכול להיות נרגש על ידי שדות חשמליים אחיד14. כתוצאה מכך, ההרמוניה השני (n = 2) ליד 14 mhz לא יכול להיות נרגש, אבל הרמוני השלישי ב 21 mhz (n = 3) יכול. ייצור של התקנים יעילים במצב עובי מחייב הפקדת אלקטרודות על פרצופים מנוגדים של מתמר. אנו משתמשים הזרם הנוכחי (DC) העומס כדי להשיג את זה, אבל העדות קרן אלקטרון ושיטות אחרות ניתן להשתמש. ניתוח עכבה שימושי כדי לאפיין את המכשירים, במיוחד במציאת תדרי התהודה וצימוד אלקטרו-מכאני בתדרים אלה. דופלר לייזר ויברמטריה (LDV) שימושי כדי לקבוע את משרעת רטט הפלט ומהירות ללא מגע או כיול15, ו, באמצעות סריקה, ldv מספק את ההתפלגות המרחבית של המשטח דפורמציה, חשיפת מצב של רטט הקשורים תדר נתון. בסופו של דבר, למטרות לימוד הדינמיקה האטומית ומתן, הדמיה במהירות גבוהה יכול להיות מועסק כטכניקה כדי ללמוד את ההתפתחות של גלי קפילר על פני השטח של שחרור sessile16,17. ב האטומיזציה, כמו תופעות רבות אחרות, טיפות קטנות מיוצרות בקצב מהיר, למעלה מ-kHz במיקום נתון, מהר מדי עבור מצלמות במהירות גבוהה כדי להתבונן בנאמנות מספקת ובשדה התצוגה כדי לספק מידע שימושי על פי גודל מספיק גדול של droplet. פיזור לייזר עשוי לשמש למטרה זו, העברת טיפות דרך קרן לייזר מורחבת (Mie) פיזור כמה אור בהשתקפות ושבירה כדי לייצר אות אופייני שעשוי לשמש להערכת סטטיסטית התפלגות גודל droplet.
זה פשוט להמציא פיזואלקטריים במצב עובי מדידה, אבל את הטכניקות הדרושות המכשיר ואפיון האטווניזציה לא הוכרז בבירור בספרות עד היום, התקדמות מתוך המשמעת. על מנת מתמר מצב עובי להיות יעיל במכשיר האטווניזציה, זה חייב להיות מבודד מכני, כך הרטט שלה הוא לא החומר הנוזלי והוא חייב להיות אספקת נוזלים רציפה עם קצב הזרימה שווה לקצב האטווניזציה, כך שאין התייבשות או הצפה להתרחש. שני שיקולים מעשיים אלה לא היו מכוסים ביסודיות בספרות משום שהפתרונות שלהם הם תוצאה של טכניקות הנדסיות ולא חדשנות מדעית טהורה, אך הם מאוד קריטיים לחקר התופעה. אנו מציגים מחזיק מתמר הרכבה ומערכת החירור נוזל כפתרונות. פרוטוקול זה מציע גישה שיטתית לייצור ואפיון ה, להקלה על מחקר נוסף בפיסיקה הבסיסית ובמגוון יישומים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. מתמר במצב עובי ייצור באמצעות התזה DC
- תכשיר וופל
- מניחים 100 מ"מ 128YX בתוך וופל בצלחת זכוכית נקייה של לפחות 125 מ"מ קוטר. Sonicate וופל ב לפחות 200 mL של אצטון עבור 5 דקות.
- חזרו על הsonication עם אלכוהול איזופרופילי ושוב עם מים מפולים במשך 5 דקות.
- להסיר מים גלויים מן המשטח באמצעות חנקן יבש.
- להסיר לחלוטין את המים מן המשטח על ידי הצבת וופל על פלטה ב 100 ° c עבור 5 דקות. ודא כי יש גיליון של רדיד אלומיניום על פלטת המים כי זה עוזר בפיזור של הצטברות המטען על הפרוסת.
- תצהיר של אלקטרודה
- מניחים את הפרוסת וופל בחדר הריק של מערכת התצהיר הספריות ומשאבה במורד החדר כדי 5 x 10-6 mTorr. הגדר את הלחץ הארגון כדי 2.3 mTorr ואת מהירות הסיבוב כדי 13 סל ד.
הערה: אם נעשה שימוש בפרמטרים עבור המכשיר המסוים שנוצרו כתוצאה מסרטים איכותיים, השתמש באלה במקום זאת. - הפקדה 5-10 ננומטר של טיטניום בשעה 1.2-1.6 A/s.
הערה: לפני תחילת תהליך זה עם וופל המיועד, לבדוק את שיעור התצהיר עם כוח פלזמה להגדיר 200 W והפקדת עבור 1 דקות. לאחר מכן, מדדו את גובה השכבה בעזרת מד-זווית. עשה זאת בנפרד עבור כל מתכת. הגדר את העוצמה לפי בדיקה זו כדי להשיג את שיעור התצהיר שצוין. - הפקדה 1-1.2 יקרומטר של זהב ב 7 עד 9 A/s.
הערה: התצהיר בשיעור גבוה יותר בשל כוח פלזמה מוגבר או לחץ חלקי של ארגון מוגבר עשוי להפחית את איכות הסרט. - הסר את הפרוסת וופל 1.2.1 ל1.2.3 עבור הצד השני של הפרוסת.
- מניחים את הפרוסת וופל בחדר הריק של מערכת התצהיר הספריות ומשאבה במורד החדר כדי 5 x 10-6 mTorr. הגדר את הלחץ הארגון כדי 2.3 mTorr ואת מהירות הסיבוב כדי 13 סל ד.
- קוצצת
- השתמש במסור מסור לקוביות וופל כולו לפי הצורך.
הערה: ניתן להחיל התנגדות מגן על המצע לפני הקוצצת, ואת המערכת (הטבלה של חומרים) משמש כאן מיישם סרט UV לריפוי רק לפני הדגימות נטען על הבמה. הוא נמצא כי הקוצצת את הדגימות עם מסור הנקרא אוטומטית אינו מסכן את שלמות הדגימות. ניתן לזהות את הסופר הידני של LN, אם כי מייגע ומועדים לחוסר עקביות.
- השתמש במסור מסור לקוביות וופל כולו לפי הצורך.
2. יצירת קשר חשמלי ומכני עם מתמר
הערה: מספר שיטות מתוארות להלן (שלבים 2.1-2.4), והיא מודגשת מאוחר יותר בפרוטוקול שהשיטה מתאימה ביותר לכל צעד אחריו.
- מניחים מתמר קצוץ על צלחת פלדה מגנטית. הר אחד פוגו-לחקור במגע עם הצלחת ועוד פוגו-לחקור במגע עם המשטח העליון של מתמר. לאחר מכן זה נקרא ליצור לוחית פוגו.
- מניחים את התמר בין שני ברגשים פוגו. להלן התייחסו למגע פוגו-פוגו.
- תיל הלחמה לכל פנים של מתמר. להלן המכונה קשר הלחמה.
- להרכיב בעל מתמר מותאם אישית.
- הזמנת לוחות מעגלים מודפסים מותאמים אישית (Pcb) אשר קבצי ה-גרבר סופקו.
- הלחמה שני פני השטח הר אנשי קשרהאביב (טבלת חומרים) לכל PCB מותאם אישית. לחץ להתאים את הקוצים לתוך החורים מצופים על Pcb מותאם אישית, כך שהם מצביעים הרחק זה מזה.
- חבר את שני Pcb המותאם אישית עם מרווח וברגים של לוח כך שאנשי הקשר יהיו בקשר ביניהם. כוונן את הריווח עם דיסקיות מפלסטיק במידת הצורך.
- שקופית 3 מ"מ x 10 מ"מ מתמר בין זוג פנימי של אנשי קשר. גזור את אנשי הקשר החיצוניים כך שלא לקצר את המעגל.
הערה: איור 1 מציג את ההרכבה כולה.
3. זיהוי תדר תהודה באמצעות ניתוח עכבה
- ודא שבוצעה כיול יציאה בהתאם להוראות היצרן עבור שיטת איש הקשר הספציפית הנמצאת בשימוש.
- חבר מתמר ליציאה הפתוחה של מנתח הרשת (טבלת חומרים) עם אחת משיטות הקשר המתוארות בשלבים 2.1-2.4.
הערה: ניתן לאלף לחזור על ניתוח זה עם שיטות מרובות של אנשי קשר חשמליים ולהשוות את התוצאות. - בחר את הפרמטר מקדם השתקפות, s11, באמצעות ממשק המשתמש של מנתח הרשת, בחר את טווח השכיחות של הריבית, ובצע את לסרוק את התדר.
הערה: s11 הוא מקדם השתקפות הקלט ויש לו ערך מינימלי בתדירות התהודה של הפעולה. עבור 500 טיפוסי יקרומטר בעובי 128 בתוך וופל, תדר התהודה העיקרי יהיה קרוב ל -7 mhz וההרמוניה השנייה תהיה קרובה ל -21 מגה-הרץ, כפי שמודגם באיור 2. העלילה העכבה בחלל התדר המוצג על המכשיר יציג קיצון מקומית בתדרי התהודה. - יצא את הנתונים על-ידי בחירת שמירה/אחזור | שמור נתוני מעקב על ממשק המשתמש לבדיקה מקרוב באמצעות תוכנת עיבוד נתונים כדי לזהות את המיקומים קיצון מדויק.
4. אפיון רטט באמצעות LDV
- מניחים מתמר בקשר לוחית פוגו על הבמה LDV. חבר את הפוגו-בדיקה המובילה למחולל האותות. ודא כי המטרה בשימוש נבחרה בתוכנת הרכישה (טבלת חומרים) והדגש את המיקרוסקופ על פני השטח של מתמר.
- הגדירו את נקודות הסריקה על-ידי בחירה באפשרות ' הגדר נקודות סריקה ' או המשיכו לשלב 4.3 אם תבצעו סריקה רציפה.
- בחר באפשרות ההגדרות ותחת הכרטיסיה כללי , בחר באפשרות FFT or Time , בהתאם לעובדה שהסריקה מבוצעת בתחום התדר או הזמן. בחר את מספר הממוצעים בסעיף זה.
הערה: מספר הממוצעים משפיע על זמן הסריקה. חמישה ממוצעים עבור המתמרים המתוארים בפרוטוקול זה הראו להעניק יחס אות/רעש מספיק. - בכרטיסיה ערוץ , ודא שהתיבות הפעילות נבדקות, המתאימות להפניה ולאות המשתקף מהתמר. כוונן את ערוצי הייחוס והאירועים על-ידי בחירת ערך מתח מהתפריט הנפתח כדי להשיג עוצמת אות מקסימלית מהמצע.
- בכרטיסיה מחולל , אם המדידה מבוצעת תחת אות תדר יחיד, בחר סינוס מתוך הרשימה הנפתחת של צורת גל ; אם הוא מתחת לאות להקה, בחר באפשרות מרובה-מסלולי cw.
- שנה את רוחב הפס ואת שורות FFT בכרטיסיה תדירות כדי לכוונן את רזולוציית הסריקה עבור סריקת תחום תדירות. באופן דומה, שנה את התדירות לדוגמה בכרטיסיה זמן בעת ביצוע מדידות של תחום זמן.
הערה: רוחב הפס המשמש בדרך כלל הוא 40 MHz ומספר השורות FFT הוא 32,000. ניתן להשתמש בתוכנת המצגת (טבלת חומרים) כדי לעבד ולנתח את הנתונים שהתקבלו מהסריקה. ספקטרום תזוזה אופייני מסופק באיור 3.
5. אספקת נוזלים
- להשיג 25 מ"מ הפתיל קוטר 1 מ"מ מורכב צרור של סיבים של פולימר הידרופילי שנועד להעביר נוזל מימית לאורך אורכו כגון אלה הזמינים עבור plug-in מטהרי אוויר. חתוך קצה אחד שנוצר מנקודת מרכז.
- הכניסו את הפתיל לתוך מזרק בקוטר פנימי המספק התאמה מתאימה ואורך המאפשר לפתיל להאריך 1-2 מ"מ מעבר לכל קצה. נעל את הקצה על מזרק עם הקיבולת הרצויה (1-10 מ"ל).
- הר הפתיל/מזרק הרכבה כך הפתיל הוא 10 °-90 ° מ אופקי (בהתאם לקצב החומר האנכי הרצוי, אשר גם תלוי מתח הוחל) ואת הקצה של הפתיל הוא רק במגע עם קצה של מתמר כפי שמוצג באיור 1C.
- למלא את המזרק עם מים ולהחיל אות מתח רציפה (החל עם 20 Vpp) בתדר התהודה נקבע באמצעות מנתח עכבה. התאימו את רמת המתח עד שהנוזל יהיה מאוזן ברציפות מבלי שהמכשיר מוצף או מתייבש.
6. התבוננות בדינמיקה באמצעות הדמיה במהירות גבוהה
- בצורה נוקשה מצלמה במהירות גבוהה אופקית על הטבלה האופטית, מקום מתמר במגע פוגו פוגו או בקשר פוגו-צלחת על הבמה x-y-z ליד אורך המוקד של המצלמה, ומיקום מקור אור מפוזר לפחות אורך מוקד אחד בצד הנגדי של מתמר מהמצלמה.
- ליצירת קשר פוגו-פוגו, הצב את אספקת הנוזלים כך שהיא לא תחסום את תצוגת המצלמה או את מקור האור. ליצירת קשר עם לוחית פוגו, החל נוזל ישירות על המצע עם פיפטה.
- כוונן את מוקד המצלמה ואת מיקום x-y-z כדי להביא את דגימת הנוזל למוקד חדות.
- העריכו את תדירות התופעה הספציפית שנלמדת בהתבסס על הספרות. בחר קצב מסגרות לפחות פי שניים מתדר זה בהתאם לקצב נייקוויסט כדי להימנע מהחלקה.
הערה: לדוגמה, שקול גלי נימי המתרחשים בירידה מלאה בטווח תדרים. מצלמות מוגבלות ברזולוציה מרחבית יכול רק להבחין גלים עם משרעת מינימלית. במקרה זה משרעת המינימום מתרחשת סביב 4 kHz כך קצב מסגרת של 8,000 מסגרות לשנייה (fps) נבחר. - כוונן את עוצמת האור, את תריס המצלמה, או את שניהם כדי לייעל את הניגוד בין הנוזל לבין הרקע.
הערה: ניתן להוסיף לנוזל צבע אטום כדי להגביר את הניגודיות. - חברו את קליפי התנין ממחולל האותות הוגבר אל מוביל הגששים-פוגו.
- לכידת וידאו בתוכנת המצלמה בו עם הופעה באמצעות אות מתח או על ידי הפעלה ידנית הן באותו זמן או על ידי חיבור פלט ההדק ממחולל אותות למצלמה.
הערה: קצב המסגרות האופייני המשמש הוא 8,000 fps ומטרה CF4 משמש. - שמור רק את המסגרות המכילות את התופעה כדי למנוע אחסון מבוזבז, הרלוונטי במיוחד לתעריפי מסגרת גדולים, כדי להפיק תוצאה כמוצג באיור 4.
הערה: הקפד לשמור את הקובץ בתבנית התואמת לתוכנת עיבוד התמונה של הבחירה כך שניתן יהיה לחלץ נתונים שימושיים.
7. מדידת גודל Droplet באמצעות ניתוח פיזור לייזר
- מערכת פיזור לייזר (טבלת חומרים) יש מודול שמעביר את הלייזר ואחד שמקבל את האות לייזר מפוזרים. הצב את המודולים לאורך המסילה המסופקת עם המערכת, עם פער של 20 עד 25 ס מ ביניהן.
- הר מאוד פלטפורמה בפער זה, כך, כאשר הרכבות מתמר ואספקת נוזלים מונחים על זה, ערפל אטומי יהיה נפלט לתוך הנתיב קרן לייזר. להקל על יישור זה על-ידי הפעלת קרן הלייזר באמצעות בחירת כלים | בקרת לייזר. .. | . לייזר כאינדיקטור חזותי
- תקן את מחזיק מתמר על הפלטפורמה ולתקן את מכלול אספקת הנוזלים לזרוע שנוסח (טבלת חומרים). הצב את מכלול אספקת הנוזלים כך שקצה הפתיל הוא רק במגע עם קצה התמר.
- צור פרוצדורת הפעלה סטנדרטית (SOP) בתוכנה על-ידי לחיצה על סמל ה- sop החדש . קבע את תצורת ה-SOP עם ההגדרות הבאות: תבנית = ברירת מחדל רציפה, תקופת דגימה (s) = 0.1, תחת טיפול בנתונים, לחץ על עריכה... והגדר בפרופיל תרסיס | אורך הנתיב (mm) כדי 20.0, לחץ על אזעקות כדי לבטל את סימון השתמש בערכי ברירת המחדל ולהגדיר מינימום שידור (%) - 5 ו- 1 ולהגדיר מינימום פיזור כדי 50 ו 10. השאר את כל ההגדרות האחרות כברירות מחדל.
הערה: עיין במדריך התוכנה שצורף לכלי הנגינה. - הפעל את המדידה בתוך התוכנה על-ידי לחיצה על מדידה | הפעל את sop ובחירת ה-sop שנוצר בשלב 7.4. המתן עד שכיול הרקע יושלם. ממלאים את מאגר אספקת הנוזלים, המזרק, עם מים עד לרמה הרצויה ולשים לב לנפח. הפעל את אות המתח כדי להתחיל להפעיל את הנוזל. הפעל את סטופר ולהתחיל את המדידה על ידי לחיצה על התחל.
- התוכנה מייצרת התפלגות גודל בהתבסס על האות לייזר מפוזרים במקלט בשל התיאוריה של Mie ו אלגוריתם פיזור מרובים. לאחר הנפח הרצוי של נוזל כבר האטומה, לכבות את אות מתח, לעצור את סטופר, ולהקליט את הנפח הסופי, ולהפסיק את הקלטת נתונים על ידי לחיצה על stop.
הערה: מערכת פיזור הלייזר מסוגלת למדוד מעט כמו 1 μL של נוזל ואין לו מגבלה עליונה עבור נפח נוזל. ניתן פשוט לחשב את קצב הזרימה האטוביזציה על-ידי חלוקת אמצעי האחסון במשך הזמן. - בהיסטוגרמה למדידה, בחרו בחלק הנתונים שבמהלכו מתרחשות האטווניזציה כמצופה, והאות במקלט היה חזק דיו כדי להיות משמעותי מבחינה סטטיסטית. לחץ על ממוצע | Ok כדי ליצור התפלגות המבוססת על הנתונים שנבחרו.
הערה: כל המדידות עם טכניקה זו הן ממוצעים סטטיסטיים ולכן, אם יש מעט טיפות, אז האות הפזורים יהיה חלש, והמדידה תהיה משמעות סטטיסטית. - שמור את ההתפלגות הממוצעת על-ידי בחירת החלון ולחיצה על עריכה | העתק טקסט ולאחר מכן הדבקת התוצאה בקובץ טקסט ושמירתו עם שם מתאים.
הערה: ניתן להשתמש כעת בנתוני הפצה אלה עם תוכנות אחרות (לדוגמה, MATLAB) כדי ליצור את ההתוויה באיור 5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
מצב עובי פיזואלקטריים התקנים היו מפוברק מ-128 ליתיום niobate. איור 1 מראה הרכבה מלאה להחזיק את מתמר במקום עם בעל מתמר מותאם אישית בשימוש עם מערכת האספקה פסיבי נוזלים שפותחה עבור האטוזציה רציפה. צעדי האפיון של התקנים אלה כוללים קביעת תדירות התהודה וההרמוניה באמצעות מנתח עכבה (איור 2). התדר הבסיסי של המכשירים נמצא קרוב ל -7 MHz באמצעות הטכניקה המתוארת בפרוטוקול זה, כפי שניתן לחזות בעובי המצע. אפיון נוסף של רטט מצע בוצע באמצעות שימוש במדידות לייזר דופלר מדידות מדידת הרטט. מדידות אלה קובעות את היקף העקירה של המצע והוא בדרך כלל בטווח ננומטר (איור 3). האטוזציה רציפה חיונית כדי לאפשר יישומים מעשיים של מכשירי מצב עובי, וזה הוכח על ידי פיתוח מערכת משלוח נוזל פסיבי המצע. לבסוף, שתי טכניקות תוארו להתבונן רטט droplet ודינמיקה האטומיזציה על-ידי ביצוע הדמיה במהירות גבוהה ועל ידי מדידת התפלגות droplet גודל כפי שמוצג באיור 4 ואיור 5.
איור 1: ההרכבה כולה של בעל מתמר מותאם אישית. (א) מיקומי בעל מתמר והרכבת אספקת הנוזלים מבוקרים כל אחד עם זרועות מידיים כך את קצה הפתיל הוא רק במגע עם הקצה של מתמר. שיבוץ (ב) חושף את הטבע של מגע חשמלי ומכני עם אלקטרודות מתמר. שיבוץ (ג) חושף את אופי הקשר בין הקצה מתמר לבין פתיל הנוזל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: האמיתי s11 פיזור ערכי הפרמטרים נמדד על פני מגוון של 1-25 MHz עבור התקן 127.86 מעלות ליתיום niobate, המציין את הנוכחות של שיא תהודה ב כ 7 MHz. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: multi-נשאית, FFT סריקה עם 5 ממוצעים בכל נקודה בוצעה על 9 על-ידי 9 נקודות הסריקה שהוגדרו בשנת 0.6 על ידי שטח 0.6 מ"מ בטווח תדירות 5-25 מגה-הרץ. ההזחה שדווחה היא התזוזה המרבית הממוצע מעל כל הנקודות. מצב עובי בסיסי עבור 0.5 mm עבה LN ניתן לראות 7 MHz, ו הרמוני השני חלש יותר נמצא ב ~ 21 MHz. שים לב יש פסגות צר מרובים בכל תהודה בשל הפרעה עם מצבים לרוחב. סריקות רב-נושא מפיצים את קלט המתח, כך שהעקירה כאן אינה מדידה מדויקת של הביצועים של המכשיר. עבור מדידה כזו, מומלץ לבצע סריקת תדר בודד בתדר התהודה והמתח הרלבנטי ליישום. לדוגמה, זה 10 מ"מ x 5 מ"מ מתמר במצב עובי מייצרת 5 משרעת מקסימלית nm ב 45 Vpp כאשר מונחה ב 6.93 MHz. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: תחילתה של גלי נימי ב 2 μL מים טיפה מצוין על ידי וידאו 8,000 fps של ממשק הנוזל; הירידה מונעת על ידי מתמר מצב עובי מונחה ב 6.9 MHz, מראה את ההבדל הזמן משמעותי בין התגובה ההידרודינמית ואת עירור אקוסטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: התפלגות הגודל של Droplet נמדדת בדרך כלל כחלק של אמצעי האחסון לעומת קוטר ה-droplet, כאן בהשוואה (א) מסחרי (א) (ב) התקן במצב עובי LN, שניהם באמצעות מים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
משלימה איור 1: השוואה של ספקטרום ניתוח עכבה של מתמר זהה עם שתי צורות שונות של מגע חשמלי (פוגו-צלחת, פוגו-פוגו, מחזיק מתמר) מראה הבדלים משמעותיים s11 פיזור ערכי פרמטרים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
סרט 1: מצב רטט LDV של 5 מ"מ x 5 מ"מ מתמר מרובע. אנא לחץ כאן כדי לצפות בסרטון וידאו זה. (לחץ לחיצה ימנית להורדה).
סרט 2: מצבי רטט LDV של 3 מ"מ x 10 מ"מ מתמר. אלה הם קרובים קירובים מצבי עובי ללא נוכחות של מצבים לרוחב משמעותי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בסרטון וידאו זה. (לחץ לחיצה ימנית להורדה).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הממדים ואת יחס הגובה של מתמר משפיע על מצבי רטט שהוא מייצר. בגלל הממדים לרוחב הם סופיים, יש תמיד מצבי לרוחב בנוסף מצבי עובי הרצוי. ניתן להשתמש בשיטות LDV לעיל כדי לקבוע מצבים דומיננטיים בטווח התדרים הרצוי עבור מתמר נתון. ריבוע עם ממדים מתחת 10 מ"מ בדרך כלל נותן קירוב קרוב למצב עובי. שלושה על ידי מלבנים מילימטר 10 גם עובד היטב. סרט 1 והסרט 2 להראות לאזור ldv סריקות של הכיכר ואת 3 מ"מ x 10 מ"מ התמרה לציין כי הם קרובים למצב עובי. אלה היו נחושים באופן אמפירי ולא נבחר על ידי סימולציה ועיצוב, למרות שיטות כאלה יכול לשמש כדי למצוא ממדים לרוחב אידיאלי.
השיטה של מגע חשמלי ומכני עם מתמר גם משפיע על תנודות שהוא מייצר מאז אלה הם תנאי הגבול אשר לוחית פיזואלקטריים הוא נושא. כללנו ספקטרום עכבה עבור שלוש טכניקות מדידה: פוגו-צלחת, פוגו-פוגו, ו מתמר מחזיק כהשוואה באיור משלים 1. ברור שמיקומי התהודה לא משתנים במקרה זה על ידי בחירות המגע שלנו. אנו מודעים לכך שמגע מכני בין מתמר לבין משטח לחות ויברציות ההופך את האטוביזציה ליעילה פחות. פוגו-הקשר הלוח משמש במקרה של מדידות LDV, כי היא הדרך הפשוטה ביותר לקבל שטוח, משטח נייח שבו למקד את הלייזר.
מכלול אספקת הנוזלים המתואר כאן מסתמך על פעולה נימי וכבידה כדי לספק בפסיביות את מתמר עם סרט דק של מים כפי שהוא מתרחק. הרטט של התמר מייצר השפעה מלאה שיכולה להיות מספיקה כדי ליצור סרט דק ולהימנע מהצפה, אך במקרים מסוימים טיפול הידרופילי יהיה נחוץ על פני השטח של התמר. אם לא מושגת האטווניזציה רציפה, זוהי הדרך הסבירה ביותר לפתרון הבעיה.
בוצעו מדידות בתדר גבוה במיוחד (טבלת חומרים) כאן, אך ניתן להשתמש ב-LDVs אחרים. מגע חשמלי יכול להתבצע על ידי הלחמה תיל לכל פנים של מתמר, אם כי הלחמה יכולה לשנות באופן משמעותי את תדרי התהודה ומצבי המתמר. טכניקה נוספת היא למקם את המתמר על בסיס מתכת ולהשתמש "פוגו" בדיקה האביב המגע לחוץ במגע על הפנים העליון של אלמנט מתמר פיזואלקטריים בעוד הוא יושב שטוח על הבמה, שימושי כאשר שטח גדול יש לסרוק. מדידה מדויקת של תדרי התהודה חשובה לתפעול יעיל של מתמר והגדלת תפוקת האנרגיה לתנועה מכנית בתדרים אלה. סריקת תדירות המשתמשת ב-LDV מספקת מידע זה, אך דורשת זמן רב, בסדר של עשרות דקות. מנתח עכבה יכול לקבוע את תדרי התהודה במהירות רבה יותר, לעתים קרובות פחות מדקה. עם זאת, בניגוד LDV, מדידה מבוססת עכבה לא מספק מידע על משרעת הרטט בתדרי התהודה, אשר חשוב בקביעת האטוזציה נוזל את פני השטח של מתמר.
למרות רטט של המצע מתרחש 10-100 משטר MHz, הדינמיקה של נוזלים במגע עם המצע מתרחשים בקצב הזמן הרבה יותר איטי. לדוגמה, גלי קפילר על פני השטח של ירידה sessile הם הנצפה ב 8,000 fps, בהנחה כי הרזולוציה המרחבית של המצלמה יכול להבחין את משרעת של ציצה גל וכי תדירות הגל של עניין הוא מתחת 2,000 Hz. הסידור המצלמה המתואר לעיל תמונות אור ששודרו ולכן הוא טוב להתבוננות על קווי המתאר של אובייקטים המעבירים אור שונה מאשר אוויר. אם אין די, ייתכן שיהיה צורך בסידור אור משתקף או בתאורת פלורסנט. זמן החשיפה עבור כל מסגרת פוחתת ככל שקצב המסגרות גדל ולכן יש להגדיל את עוצמת האור בהתאם. את העדשה המטרה יש לבחור מבוסס על סולם אורך של התופעה תחת לימוד, אבל הפרוטוקול הנ ל יעבוד עם כל ההגדלה זמין בדרך כלל. בדוגמה, איור 4 הושג עם שיטת וידאו במהירות גבוהה לעיל. הניגודיות בממשק השחרור תאפשר למסגרות אלה להיות מחולקת בתוכנה (ImageJ ו-MATLAB) כך שניתן יהיה לעקוב אחר הדינמיקה של הממשק לאורך זמן.
בציוד ה-droplet המשמש בפרוטוקול זה (טבלת חומרים), האופטיקה לייזר וגלאי הפיזור הינם סטנדרטיים יחסית, אך התוכנה קניינית ומורכבת. בנוסף לתיאוריית Mie, מספר רב של מאורעות פיזור להפוך את הגודל droplet וחישובי ספירה הרבה יותר קשה. התיאוריה של מ. י. ההנחה היא כי רוב הפוטונים מפוזרים רק פעם אחת, אבל כאשר טיפות הן בצפיפות, כלומר, המרווח בין טיפות הוא לא הרבה יותר גדול מאשר טיפות עצמן, ואת שזיף ספריי מכסה שטח גדול ביעילות, אז הנחה זו נכשלת18. כדוגמה לתוצאות פתרון בעיות ממכשיר זה, יש לשקול את האיור 5. שים לב שהשיא בקוטר 0.5 מ"מ מופיע בשתי ההפצות. שאף מסחרי ידוע לייצר טיפות מונהתפזר ליד 10 μm, כך השיא גדול ככל הנראה גם תוצאה שקרית בשל כמות גדולה של אירועים רב פיזור או הנפת טיפות קטנות בתוך התרסיס. זה מרמז כי השיא הגדול בהתפלגות מצב עובי יכול להיות גם תוצאה שקרית. זה יכול להיות מאומת ישירות על ידי וידאו במהירות גבוהה: טיפות גדולות כאלה יהיה גלוי בקלות, אבל הם לא נצפתה במקרה זה.
פיזור לייזר בניתוח גודל החלקיקים יכול גם להיות קשה כאשר אות הפיזור הופך להיות חלש. זה בדרך כלל בגלל שיעור האטווניזציה נמוך או כאשר חלק של התרסיס אינו עובר דרך נתיב הלייזר. ואקום חלש ניתן להשתמש כדי לצייר את הערפל האטומיזציה להשלים דרך קרן לייזר מורחבת של הציוד במקרים שבהם זה היה אחרת להימלט מדידה. עבור שליטה אפילו יותר על תנאי תרסיס תא לחות ניתן להתקין סביב הנתיב קרן לייזר, אבל זה לא נדרש.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
המחברים אסירי תודה לאוניברסיטת קליפורניה ולמתקן NANO3 ב-UC בסן דייגו לאספקת כספים ומתקנים לתמיכה בעבודה זו. עבודה זו בוצעה בחלקו בתשתית הננו-טכנולוגיה של סן דיאגו (SDNI) של UCSD, חברה בתשתיות הלאומיות ננוטכנולוגיה מתואמת, אשר נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעים (גרנט ECCS ל1542148). העבודה המוצגת כאן נתמכת בנדיבות על ידי מלגת מחקר מקרן W.M. קק. המחברים גם אסירי תודה על התמיכה של העבודה הזאת על ידי משרד המחקר הימי (דרך גרנט 12368098).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- 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. Modeling of multiple scattering effects in Fraunhofer diffraction particle size analysis. Optical Particle Sizing. Gouesbet, G., Gréhan, G. , Springer. Boston, MA. 159-175 (1988).
