Summary
Fabrikasjon av piezoelektrisk tykkelse modus transdusere via direkte strøm sputtering av plate elektroder på litium niobate er beskrevet. I tillegg oppnås pålitelig drift med en transduserholder og væskeforsyningssystem og karakterisering er demonstrert via impedansanalyse, laser doppler vibrometry, høyhastighets bildebehandling og dråpestørrelsesfordeling ved hjelp av laserspredning.
Abstract
Vi presenterer en teknikk for å fremstille enkle tykkelse modus piezoelektriske enheter ved hjelp av litium niobate (LN). Slike enheter har vist seg å forstøve væske mer effektivt, når det gjelder strømningshastighet per strøminngang, enn de som er avhengige av Rayleigh-bølger og andre vibrasjonsformer i LN eller bly zirkonat titanat (PZT). Den komplette enheten består av en svinger, en svingerholder og et væskeforsyningssystem. Det grunnleggende ved akustisk flytende forstøvning er ikke godt kjent, så teknikker for å karakterisere enhetene og å studere fenomenene er også beskrevet. Laser Doppler vibrometry (LDV) gir vibrasjonsinformasjon som er viktig for å sammenligne akustiske transdusere, og i dette tilfellet indikerer om en enhet vil fungere godt i tykkelse vibrasjon. Den kan også brukes til å finne resonansfrekvensen til enheten, selv om denne informasjonen hentes raskere via impedansanalyse. Kontinuerlig væskeforstøvning, som et eksempel påføring, krever forsiktig væskestrømningskontroll, og vi presenterer en slik metode med høyhastighets avbildning og dråpestørrelsesfordelingsmålinger via laserspredning.
Introduction
Ultralyd forstøvning har blitt studert i nesten et århundre, og selv om det er mange applikasjoner, er det begrensninger i å forstå den underliggende fysikken. Den første beskrivelsen av fenomenet ble laget av Wood og Loomis i 19271, og siden da har det vært utviklingen i feltet for applikasjoner som spenner fra å levere aerosoliserte farmasøytiske væsker2 til drivstoffinnsprøytning3. Selv om fenomenet fungerer bra i disse programmene, er den underliggende fysikken ikke godt forstått4,5,6.
En viktig begrensning innen ultralyd forstøvning er valget av materiale som brukes, bly zirkonat titanate (PZT), et hysteretisk materiale utsatt for oppvarming7 og blyforurensning med elementær bly tilgjengelig fra inter-korn grenser8,9. Kornstørrelse og mekaniske og elektroniske egenskaper av korn grenser begrenser også frekvensen der PZT kan operere10. Derimot er litiumniobate både blyfri og viser ingen hysterese11, og kan brukes til å forstøve væsker en størrelsesorden mer effektivt enn kommersielle forstøvere12. Den tradisjonelle kutt av litium niobate som brukes til drift i tykkelse modus er 36-graders Y-rotert kutt, men 127.86-graders Y-rotert, X-forplantning kutt (128YX), vanligvis brukt for overflaten akustisk bølge generasjon, har vist seg å ha en høyere overflate forskyvning amplitude i forhold til 36-graders kutt13 når den drives i resonans og lavt tap. Det har også vist seg at tykkelse modus drift gir en størrelsesorden forbedring i forstøver effektivitet over andre vibrasjonsformer13,selv når du bruker LN.
Resonansfrekvensen til en piezoelektrisk enhet som opererer i tykkelsesmodus styres av tykkelsen t:bølgelengden λ = 2t/n der n = 1, 2,... er antall anti-noder. For et 500 μm tykt substrat tilsvarer dette en bølgelengde på 1 mm for den grunnleggende modusen, som deretter kan brukes til å beregne den grunnleggende resonansfrekvensen, f = v/λ hvis bølgehastigheten, v, er kjent. Lydens hastighet gjennom tykkelsen på 128YX LN er ca. 7000 m/s, og det f = 7 MHz. I motsetning til andre former for vibrasjon, spesielt overflatebundne moduser, er det enkelt å opphisse høyere rekkefølge tykkelse modus harmonics til mye høyere frekvenser, her til 250 MHz eller mer, selv om bare oddetallsmoduser kan være begeistret av ensartede elektriske felt14. Følgelig kan den andre harmoniske (n = 2) nær 14 MHz ikke være begeistret, men den tredje harmoniske på 21 MHz (n = 3) kan. Fabrikasjon av effektive tykkelse modus enheter krever deponering elektroder på motsatte ansikter av transduseren. Vi bruker direkte strøm (DC) sputtering for å oppnå dette, men elektronstråledeponering og andre metoder kan brukes. Impedansanalyse er nyttig for å karakterisere enhetene, spesielt når det gjelder å finne resonansfrekvenser og elektromekanisk kobling ved disse frekvensene. Laser Doppler vibrometry (LDV) er nyttig for å bestemme utgangvibrasjon amplitude og hastighet uten kontakt eller kalibrering15, og via skanning gir LDV romlig fordeling av overflatedeformasjon, som avslører vibrasjonsmodusen forbundet med en gitt frekvens. Til slutt, for å studere forstøvning og væskedynamikk, kan høyhastighetsavbildning brukes som en teknikk for å studere utviklingen av kapillære bølger på overflaten av en sessile dråpe16,17. I forstøvning, som mange andre akøtofluidiske fenomener, produseres små dråper med en rask hastighet, over 1 kHz på et gitt sted, for raskt for høyhastighetskameraer å observere med tilstrekkelig gjengivelse og synsfelt for å gi nyttig informasjon over en tilstrekkelig stor dråpeprøvestørrelse. Laserspredning kan brukes til dette formålet, og sender dråpene gjennom en utvidet laserstråle til (Mie) spre noe av lyset i refleksjon og brytning for å produsere et karakteristisk signal som kan brukes til statistisk å estimere dråpestørrelsesfordelingen.
Det er enkelt å fremstille piezoelektrisk tykkelse modus transdusere, men teknikkene som kreves i enheten og forstøvning karakterisering har ikke blitt tydelig angitt i litteraturen til dags dato, hemme fremgang i disiplinen. For at en tykkelsesmodus transduser skal være effektiv i en forstøvningsenhet, må den isoleres mekanisk slik at vibrasjonen ikke dempes, og den må ha en kontinuerlig væskeforsyning med en strømningshastighet lik forstøvningshastigheten, slik at verken uttørking eller flom oppstår. Disse to praktiske hensynene har ikke blitt grundig dekket i litteraturen fordi deres løsninger er et resultat av tekniske teknikker i stedet for ren vitenskapelig nyhet, men de er likevel kritiske til å studere fenomenet. Vi presenterer en transduserholdermontering og et flytende fuktesystem som løsninger. Denne protokollen gir en systematisk tilnærming til forstøverfabrikasjon og karakterisering for å legge til rette for videre forskning i grunnleggende fysikk og utallige applikasjoner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Tykkelse modus transduser fabrikasjon via DC sputtering
- Wafer forberedelse
- Plasser en 100 mm 128YX LN wafer i en ren glassfat med minst 125 mm diameter. Sonicate wafer i minst 200 ml aceton i 5 min.
- Gjenta sonikering med isopropylalkohol og igjen med deionisert vann i 5 min hver.
- Fjern synlig vann fra overflaten ved hjelp av tørt nitrogen.
- Fjern vannet helt fra overflaten ved å plassere waferen på en kokeplate ved 100 °C i 5 min. Sørg for at det er et ark med aluminiumsfolie på kokeplaten, da dette bidrar til spredning av ladningsoppbygging på waferen.
- Elektrode deponering
- Plasser waferen i vakuumkammeret på sputter-deponeringssystemet og pump ned kammeret til 5 x 10-6 mTorr. Sett argontrykket til 2,3 mTorr og rotasjonshastigheten til 13 o/min.
MERK: Hvis det er etablert parametere for det spesifikke instrumentet som brukes som resulterer i filmer av høy kvalitet, og deretter bruker du dem i stedet. - Innskudd 5−10 nm titan ved 1,2-1,6 A/s.
MERK: Før du starter denne prosessen med den tiltenkte waferen, må du teste avsetningshastigheten med plasmaeffekten satt til 200 W og deponere i 1 min. Deretter måler du høyden på laget med et profilometer. Gjør dette separat for hvert metall. Still inn kraften i henhold til denne testen for å oppnå den angitte avsetningshastigheten. - Sett inn 1-1,2 μm gull ved 7-9 A/s.
MERK: Deponering i høyere hastighet på grunn av økt plasmaeffekt eller økt argon delvis trykk kan redusere filmkvaliteten. - Fjern waferen og gjenta trinn 1.2.1−1.2.3 for den andre siden av waferen.
- Plasser waferen i vakuumkammeret på sputter-deponeringssystemet og pump ned kammeret til 5 x 10-6 mTorr. Sett argontrykket til 2,3 mTorr og rotasjonshastigheten til 13 o/min.
- Dicing
- Bruk en dikterag til å terninger hele wafer etter behov.
MERK: En beskyttende motstand kan påføres på underlaget før terninger, og systemet(Tabell over materialer)som brukes her, bruker en UV-herdbar film like før prøvene lastes på diktestadiet. Det er funnet at å diktere prøvene med en automatisert dikterag ikke går på akkord med integriteten til prøvene. Håndskriverdikt av LN er mulig, men kjedelig og utsatt for uoverensstemmelser.
- Bruk en dikterag til å terninger hele wafer etter behov.
2. Å få elektrisk og mekanisk kontakt med transduseren
MERK: Flere metoder er beskrevet nedenfor (trinn 2.1−2.4), og den utheves senere i protokollen hvilken metode som passer best for hvert påfølgende trinn.
- Plasser en terninger transduser flatt på en magnetisk stålplate. Monter en pogo-sonde i kontakt med platen og en annen pogo-probe i kontakt med den øverste overflaten av transduseren. Heretter vil dette bli referert til som pogo-plate kontakt.
- Plasser svingeren mellom to pogo-prober. Heretter referert til som pogo-pogo kontakt.
- Loddeledning til hvert ansikt av transduseren. Heretter referert til som loddekontakt.
- Monter en tilpasset svingerholder.
- Bestill de tilpassede kretskortene (PCB)-ene der Gerber-filer er gitt.
- Loddetinn to overflatemonteringsfjærkontakter(Tabell over materialer) til hver tilpassede PCB. Trykk på piggene inn i de belagte hullene på de tilpassede PCB-ene slik at de peker bort fra hverandre.
- Koble de to tilpassede PCB-ene med bordromler og skruer slik at kontaktene bare er i kontakt med hverandre. Juster avstanden med plastskiver om nødvendig.
- Skyv en 3 mm x 10 mm svinger mellom det indre kontaktparet. Klipp de ytre kontaktene slik at de ikke kortslutter kretsen.
MERK: Figur 1 viser hele samlingen.
3. Resonans frekvensidentifikasjon via impedansanalyse
- Kontroller at en portkalibrering er utført i henhold til produsentens instruksjoner for den spesifikke kontaktmetoden som brukes.
- Koble en svinger til den åpne porten til nettverksanalysatoren ( Tabell overmaterialer) med en av kontaktmetodene som er beskrevet i trinn 2.1−2.4.
MERK: Det kan være lærerikt å gjenta denne analysen med flere elektriske kontaktmetoder og sammenligne resultatene. - Velg parameteren refleksjonskoeffisient, s11, via brukergrensesnittet til nettverksanalysatoren, velg frekvensområdet av interesse, og utfør frekvensfeiingen.
MERK: S11 er inngangsreflekskoeffisienten og har en minimumsverdi ved resonansfrekvensen. For en typisk 500 μm tykk 128YX LN wafer, vil den primære resonansfrekvensen være nær 7 MHz og den andre harmoniske vil være nær 21 MHz, som illustrert i figur 2. Impedansplottet i frekvensrommet som vises på instrumentet vil vise lokal minima ved resonansfrekvensene. - Eksportere dataene ved å velge Lagre/tilbakekall | Lagre sporingsdata på brukergrensesnittet for nærmere inspeksjon ved hjelp av databehandlingsprogramvare for å identifisere de nøyaktige minima-stedene.
4. Vibrasjonskarakterisering via LDV
- Plasser en svinger i pogo-platekontakt på LDV-fasen. Koble pogo-sonden til signalgeneratoren. Kontroller at målet i bruk er valgt i oppkjøpsprogramvaren (Tabell over materialer) og fokuser mikroskopet på overflaten av transduseren.
- Definer skannepunktene ved å velge Definer skannepunkter eller gå videre til trinn 4.3 hvis du utfører en kontinuerlig skanning.
- Velg Innstillinger-alternativet, General og velg enten FFT- eller Tid-alternativet, avhengig av om skanningen utføres i frekvens- eller tidsdomene. Velg antall gjennomsnitt i denne delen.
MERK: Antall gjennomsnitt påvirker skannetiden. Fem gjennomsnitt for transduserne som er beskrevet i denne protokollen, har vist seg å gi tilstrekkelig signal-/støyforhold. - Kontroller Channel at de aktive boksene er merket av for, som tilsvarer referansen og det reflekterte signalet fra svingeren. Juster referanse- og hendelseskanalene ved å velge en spenningsverdi fra rullegardinmenyen for å oppnå maksimal signalstyrke fra underlaget.
- I Generator-fanen, hvis målingen utføres under enkeltfrekvenssignal, velger du Sine fra Waveform-nedtrekkslisten; Waveform Hvis det er under et båndsignal, velger du MultiCarrierCW.
- Endre båndbredde- og FFT-linjene i kategorien Frekvens for å justere skanneoppløsningen for et frekvensdomenesøk. På samme måte endrer du eksempelfrekvensen i kategorien Tid når du utfører tidsdomenemålinger.
MERK: Båndbredden som vanligvis brukes er 40 MHz og antall FFT-linjer er 32 000. Presentasjonsprogramvaren (Tabell over materialer) kan brukes til å behandle og analysere dataene som er hentet fra skanningen. Et typisk forskyvningsspekter er gitt i figur 3.
5. Væskeforsyning
- Få en 25 mm lang, 1 mm diameter wick består av en bunt av fibre av en hydrofil polymer designet for å transportere vandig væske over lengden som de som er tilgjengelige for plug-in luftfriskere. Trim den ene enden slik at et off center punkt dannes.
- Sett veken inn i en sprøytespiss med en indre diameter som gir en tettsittende passform og en lengde som gjør at veken kan strekke seg 1−2 mm utover hver ende. Lås spissen på en sprøyte med ønsket kapasitet (1−10 ml).
- Monter veke-/sprøyteenheten slik at veken er 10°-90° fra horisontal (avhengig av ønsket forstøvningshastighet, som også avhenger av den påførte spenningen) og spissen av veken er bare i kontakt med kanten av transduseren som vist i figur 1C.
- Fyll sprøyten med vann og påfør et kontinuerlig spenningssignal (fra og med 20 Vpp) ved resonansfrekvensen som er bestemt ved hjelp av impedansanalysatoren. Juster spenningsnivået til væsken forstøves kontinuerlig uten at enheten oversvømmer eller tørker ut.
6. Dynamisk observasjon via høyhastighets bildebehandling
- Monter en høyhastighetskamera horisontalt på et optisk bord, plasser en svinger i enten pogo-pogo-kontakt eller pogo-platekontakt på et x-y-z-trinn nær kameraets brennvidde, og plasser en diffus lyskilde minst én brennvidde på motsatt side av svingeren fra kameraet.
- For pogo-pogo-kontakt plasserer du væsketilførselen slik at den ikke blokkerer kameravisningen eller lyskilden. For pogo-plate kontakt, påfør væske direkte på substratet med en pipette.
- Juster kamerafokuset og x-y-z-posisjonen for å få væskeprøven i skarp fokus.
- Anslå hyppigheten av det spesifikke fenomenet som skal studeres basert på litteratur. Velg en bildefrekvens minst dobbelt så stor som denne frekvensen i henhold til Nyquist-satsen for å unngå aliasing.
MERK: Vurder for eksempel kapillære bølger som oppstår på et sessile fall på en rekke frekvenser. Kameraer begrenset i romlig oppløsning kan bare skille bølger med en minimum amplitude. I dette tilfellet forekommer minimum amplitude rundt 4 kHz, slik at en bildefrekvens på 8000 bilder per sekund (fps) er valgt. - Juster lysintensiteten, kameralukkeren eller begge deler for å optimalisere kontrasten mellom væsken og bakgrunnen.
MERK: Et ugjennomsiktig fargestoff kan legges til væsken for å øke kontrasten. - Koble alligatorklips fra den forsterkede signalgeneratoren til pogo-probene.
- Ta opp video i kameraprogramvaren samtidig med aktivering via spenningssignalet enten ved å utløse både manuelt samtidig eller ved å koble en utløserutgang fra signalgeneratoren til kameraet.
MERK: Den typiske bildefrekvensen som brukes er 8000 fps og et CF4-mål brukes. - Lagre bare rammene som inneholder fenomenet for å unngå bortkastet lagring, noe som er spesielt relevant ved store bildefrekvenser, for å gi et resultat som vist i figur 4.
MERK: Pass på at du lagrer filen i et format som er kompatibelt med programvaren for bildebehandling, slik at nyttige data kan trekkes ut.
7. Måling av dråpestørrelse via laserspredningsanalyse
- Laserspredningssystemet (Tabell over materialer) har en modul som overfører laseren og en som mottar det spredte lasersignalet. Plasser modulene langs skinnen som følger med systemet, med et 20−25 cm mellomrom mellom seg.
- Fest en plattform i dette gapet, slik at når svingeren og væskeforsyningsenhetene er plassert på den, vil forstøvet tåke bli kastet ut i laserstrålebanen. Forenkle denne justeringen ved å slå på laserstrålen ved å velge Verktøy | laser kontroll... | Laser på som en visuell indikator.
- Fest svingerholderen til plattformen og fest væsketilførselsenheten til en leddarm (Tabell over materialer). Plasser væsketilførselsenheten slik at vekens spiss bare er i kontakt med kanten av transduseren.
- Opprett en standard driftsprosedyre (SOP) i programvaren ved å klikke på Nytt SOP-ikon. Konfigurer SOP med følgende innstillinger: mal = Standard kontinuerlig, samplingsperiode (er) = 0,1 ,klikk Rediger... og angi Sprayprofil | Banelengde (mm) til 20,0, klikk Alarmer for å fjerne merket Bruk standardverdier og sett Min overføring (%) til 5 og 1 og sett Min spredning til 50 og 10. La alle andre innstillinger være standard.
MERK: Se i programvarehåndboken som fulgte med instrumentet. - Start målingen i programvaren ved å klikke mål | Start SOP og velg SOP som ble opprettet i trinn 7.4. Vent til bakgrunnskalibreringene er fullført. Fyll væsketilførselsbeholderen, sprøyten, med vann opp til ønsket nivå og noter volumet. Slå på spenningssignalet for å begynne å forstøve væsken. Start stoppeklokken og start målingen ved å klikke Start.
- Programvaren genererer en størrelsesfordeling basert på det spredte lasersignalet på mottakeren på grunn av Mie-teori og en multippel spredningsalgoritme. Når ønsket volum av væske er forstøvet, slå av spenningssignalet, stopp stoppeklokken og ta opp det endelige volumet, og stopp registrering av data ved å klikke Stopp.
MERK: Laserspredningssystemet er i stand til å måle så lite som 1 μL væske og har ikke en øvre grense for væskevolum. Forstøvningsflythastigheten kan ganske enkelt beregnes ved å dele volumet etter tidsvarigheten. - I målingen histogram, velg den delen av dataene der forstøvningen skjedde som forventet og signalet på mottakeren var sterk nok til å være statistisk signifikant. Klikk gjennomsnitt | Ok for å generere en distribusjon basert på de valgte dataene.
MERK: Alle målinger med denne teknikken er statistiske gjennomsnitt, og hvis det er for få dråper, vil det spredte signalet være svakt, og målingen vil være statistisk ubetydelig. - Lagre den gjennomsnittlige fordelingen ved å velge vinduet og klikke på Rediger | Kopier tekst og lim deretter inn resultatet i en tekstfil og lagring med et passende navn.
MERK: Disse distribusjonsdataene kan nå brukes sammen med annen programvare (f.eks. MATLAB) for å opprette plottet i figur 5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tykkelse modus piezoelektriske enheter ble fabrikkert fra 128YX litium niobate. Figur 1 viser en komplett montering for å holde svingeren på plass med en tilpasset svingerholder som brukes med det passive væskeleveringssystemet utviklet for kontinuerlig forstøvning. Karakteriseringstrinnene for disse enhetene inkluderer fastsettelse av resonansfrekvens og harmoniker ved hjelp av en impedansanalysator (figur 2). Den grunnleggende frekvensen av enhetene ble funnet å være nær 7 MHz ved hjelp av teknikken som er beskrevet i denne protokollen, som spådd av tykkelsen på substratet. Ytterligere karakterisering av substrat vibrasjon ble utført ved hjelp av ikke-kontakt laser Doppler vibrometer målinger. Disse målingene bestemmer omfanget av forskyvning av substratet og er vanligvis i nm-området (figur 3). Kontinuerlig forstøvning er avgjørende for å muliggjøre praktiske anvendelser av tykkelsesmodusenheter, og dette har blitt demonstrert ved å utvikle et passivt væskeleveringssystem til underlaget. Til slutt ble to teknikker beskrevet for å observere dråpevibrasjon og forstøvningsdynamikk ved å utføre høyhastighetsavbildning og ved å måle dråpestørrelsesfordeling som vist i figur 4 og figur 5.
Figur 1: Hele monteringen av en tilpasset svingerholder. (A) Posisjonene til svingerholderen og væsketilførselsenheten styres hver med formsydde armer slik at vekens spiss bare er i kontakt med kanten av svingeren. Innfelt (B) avslører arten av den elektriske og mekaniske kontakten med transduserelektrodene. Innfelt (C) avslører arten av kontakten mellom svingerkanten og væsketransporten. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: De virkelige11 spredningsparameterverdienemålt over et område på 1−25 MHz for en 127,86° YX litiumniobateenhet, noe som indikerer tilstedeværelsen av en resonanstopp på ca. 7 MHz. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: En multibærer, FFT-skanning med 5 gjennomsnitt på hvert punkt ble utført over 9 av 9 skannepunkter definert i et 0,6 med 0,6 mm område i frekvensområdet 5−25 MHz. Den rapporterte forskyvningen er den maksimale forskyvningen i gjennomsnitt over alle punkter. Den grunnleggende tykkelsesmodusen for 0,5 mm tykk LN kan ses ved 7 MHz, og en svakere andre harmonisk er til stede på ~ 21 MHz. Legg merke til at det er flere smale topper ved hver resonans på grunn av interferens med laterale moduser. Multi-carrier skanner spre spenningsinngangen, så forskyvningen her er ikke et nøyaktig mål på ytelsen til enheten. For en slik måling anbefales det å utføre en enkeltfrekvensskanning ved resonansfrekvensen og med relevante spenninger. For eksempel produserer denne tykkelsesmodustransduseren på 5 nm max amplitude ved 45 Vpp når den kjøres ved 6,93 MHz. Klikk her for å vise en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Utbruddet av kapillære bølger på en 2 μL vanndråpe indikeres av en 8000 fps video av væskegrensesnittet; fallet er drevet av en tykkelse modus transduser drevet på 6,9 MHz, som viser den betydelige tidsforskjellen mellom den hydrodynamiske responsen og akustisk eksitasjon. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: Fordeling av dråpestørrelse måles vanligvis som en volumfraksjon kontra dråpediameteren, her sammenligner (A) en kommersiell forstøver og (B) en LN-tykkelsesmodusenhet, begge ved hjelp av vann. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tilleggsgruppe 1: En sammenligning av impedansanalysespektratraen for samme transduser med to forskjellige former for elektrisk kontakt (pogo-plate, pogo-pogo og transduserholder) viser signifikante forskjeller i s11 spredningsparameterverdier. Klikk her for å laste ned denne filen.
Film 1: LDV vibrasjonsmodus på 5 mm x 5 mm firkantet svinger. Klikk her for å se denne videoen. (Høyreklikk for å laste ned.)
Film 2: LDV vibrasjonsmoduser på 3 mm x 10 mm svinger. Disse er nære tilnærminger til tykkelsesmoduser uten tilstedeværelse av betydelige laterale moduser. Klikk her for å se denne videoen. (Høyreklikk for å laste ned.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dimensjonene og sideforholdet til en svinger påvirker vibrasjonsmodusene den produserer. Fordi sidedimensjonene er begrensede, er det alltid laterale moduser i tillegg til de ønskede tykkelsesmodusene. Ovennevnte LDV-metoder kan brukes til å bestemme dominerende moduser i ønsket frekvensområde for en gitt transduser. En firkant med dimensjoner under 10 mm gir vanligvis en nær tilnærming til en tykkelsesmodus. Tre og ti millimeter rektangler fungerer også bra. Film 1 og Movie 2 viser LDV-områdeskanninger av firkanten og de 3 mm x 10 mm transduserne som indikerer at de er nær tykkelsesmodus. Disse har blitt empirisk bestemt i stedet for valgt av simulering og design, selv om slike metoder kan brukes til å finne ideelle laterale dimensjoner.
Metoden for elektrisk og mekanisk kontakt med transduseren påvirker også vibrasjonene den produserer, siden dette er grenseforholdene som piezoelektrisk plate er underlagt. Vi har inkludert et impedansspektrum for tre måleteknikker: pogo-plate, pogo-pogo og transduserholder som en sammenligning i supplerende figur 1. Det er klart at resonanstoppplasseringene ikke endres i dette tilfellet av våre kontaktvalg. Vi merker oss at mekanisk kontakt mellom svingeren og en plateoverflate demper vibrasjoner som gjør forstøvningen mindre effektiv. Pogo-plate kontakt brukes i tilfelle av LDV målinger, fordi det er den enkleste måten å få en flat, stasjonær overflate som å fokusere laseren.
Væsketilførselsenheten som er beskrevet her, er avhengig av kapillærvirkning og tyngdekraft for passivt å forsyne transduseren med en tynn film av vann som den er forstøvet bort. Vibrasjonen av transduseren gir en acoustowetting effekt som kan være nok til å skape en tynn film og unngå flom, men i noen tilfeller en hydrofil behandling vil være nødvendig på transduser overflaten. Hvis kontinuerlig forstøvning ikke oppnås, er dette den mest sannsynlige ruten for å løse problemet.
Målinger ble utført med en ultra-høyfrekvent vibrometer (Tabell over materialer) her, men andre LDVs kan brukes. Elektrisk kontakt kan gjøres ved å lodde en ledning til hvert ansikt av transduseren, selv om lodde kan betydelig endre resonansfrekvenser og moduser av transduseren. En annen teknikk er å plassere transduseren på en metallbase og bruke "pogo" vårkontaktprober presset i kontakt på øverste ansikt av piezoelektrisk transduserelement mens den sitter flatt på scenen, nyttig når et stort område må skannes. Nøyaktig måling av resonansfrekvensene er viktig for effektivt å betjene transduseren og maksimere energigjennomstrømningen til mekanisk bevegelse ved disse frekvensene. En frekvensskanning ved hjelp av LDV gir denne informasjonen, men krever lang tid, i størrelsesorden titalls min. En impedans analysator kan bestemme resonansfrekvensene mye raskere, ofte mindre enn et minutt. Men i motsetning til LDV gir den impedansbaserte målingen ikke informasjon om vibrasjonsfriskifiseringen ved resonansfrekvensene, noe som er viktig for å bestemme væskeforstøvning av overflaten av transduseren.
Selv om vibrasjon av underlaget oppstår i 10−100 MHz-regimet, oppstår dynamikken i væsker i kontakt med underlaget på langt langsommere tidsskalaer. For eksempel er kapillære bølger på overflaten av et sessile fall observerbare ved 8000 fps, forutsatt at den romlige oppløsningen til kameraet kan skille amplituden til en bølgekam og at bølgefrekvensen av interesse er under 2000 Hz. Kameraarrangementet som er beskrevet over bilder som overføres lys og er dermed bra for å observere omrisset av objekter som overfører lys annerledes enn luft. Hvis det ikke er tilstrekkelig, kan det være nødvendig med en reflektert eller fluorescerende lysordning. Eksponeringstiden for hver ramme reduseres etter hvert som bildefrekvensen økes, slik at lysintensiteten må økes tilsvarende. Objektivet bør velges basert på lengden på fenomenet som studeres, men protokollen ovenfor vil fungere med en vanlig tilgjengelig forstørrelse. Som et eksempel ble figur 4 oppnådd med den ovennevnte høyhastighets videometoden. Kontrasten ved slippgrensesnittet vil tillate disse rammene å bli segmentert i programvare (ImageJ og MATLAB) slik at grensesnittdynamikken kan spores over tid.
I dråpestørrelsesutstyret som brukes i denne protokollen (Tabell over materialer),er laseroptikken og spredningsdetektorene relativt standard, men programvaren er proprietær og kompleks. I tillegg til Mie teori, flere spredning hendelser gjør dråpestørrelse og opplisting beregninger mye vanskeligere. Mie teori forutsetter at de fleste fotoner er spredt bare én gang, men når dråper er tett fordelt, det vil si avstanden mellom dråper er ikke mye større enn dråpene selv, og spray plomme dekker et suefficiently stort område, så denne antagelsen mislykkes18. Som et eksempel på feilsøking av resultater fra dette instrumentet, bør du vurdere figur 5. Legg merke til at toppen med diameter på 0,5 mm vises i begge distribusjonene. Den kommersielle forstøveren er kjent for å produsere monodisperse dråper nær 10 μm, så den større toppen er sannsynligvis enten et falskt resultat på grunn av den store mengden multi-spredning hendelser eller agglomerering av mindre dråper i sprayen. Dette innebærer at den store toppen i tykkelsesmodusfordelingen også kan være et falskt resultat. Dette kan verifiseres direkte av høyhastighetsvideo: slike store dråper vil være lett synlige, men de blir ikke observert i dette tilfellet.
Laserspredning av partikkelstørrelsesanalyse kan også være vanskelig når spredningssignalet blir svakt. Dette skyldes vanligvis en lav forstøvningshastighet eller når en del av sprayen ikke passerer gjennom laserbanen. Et svakt vakuum kan brukes til å trekke den fullstendige forstøvede tåken gjennom utstyrets utvidede laserstråle i tilfeller der det ellers ville unnslippe måling. For enda større kontroll over sprayforhold kan et fuktighetskammer installeres rundt laserstrålebanen, men dette er ikke nødvendig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne er takknemlige til University of California og NANO3 anlegget ved UC San Diego for levering av midler og fasiliteter til støtte for dette arbeidet. Dette arbeidet ble delvis utført ved San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) i UCSD, medlem av National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som støttes av National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). Arbeidet som ble presentert her ble sjenerøst støttet av et forskningsstipend fra W.M. Keck Foundation. Forfatterne er også takknemlige for støtten til dette arbeidet av Office of Naval Research (via Grant 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).
