Summary
Fabrikation af piezoelektrisk tykkelse tilstand transducere via jævnstrøm sputtering af pladeelektroder på lithium niobat er beskrevet. Derudover er pålidelig drift opnås med en transducer holder og væskeforsyning system og karakterisering er demonstreret via impedans analyse, laser doppler vibrometry, high-speed imaging, og dråbe størrelse distribution ved hjælp af laser spredning.
Abstract
Vi præsenterer en teknik til at fremstille simpel tykkelse tilstand piezoelektriske enheder ved hjælp af lithium nitosat (LN). Sådanne anordninger har vist sig at forstøve væske mere effektivt, med hensyn til strømningshastighed pr effekt input, end dem, der er afhængige af Rayleigh bølger og andre former for vibrationer i LN eller bly zirconat titanat (PZT). Den komplette enhed består af en transducer, en transducerholder og et væskeforsyningssystem. De grundlæggende elementer i akustisk væske forstøvning er ikke kendt, så teknikker til at karakterisere enhederne og studere fænomenerne er også beskrevet. Laser Doppler vibrometry (LDV) giver vibrationsoplysninger, der er afgørende for at sammenligne akustiske transducere, og angiver i dette tilfælde, om en enhed vil klare sig godt i tykkelsesvibrationer. Det kan også bruges til at finde resonansfrekvensen af enheden, selvom disse oplysninger opnås hurtigere via impedans analyse. Kontinuerlig væskeforstøvning, som et eksempel ansøgning, kræver omhyggelig væskeflow kontrol, og vi præsenterer en sådan metode med høj hastighed billeddannelse og dråbe størrelse fordeling målinger via laser spredning.
Introduction
Ultralydsforstøvning er blevet undersøgt i næsten et århundrede, og selv om der er mange applikationer, er der begrænsninger i forståelsen af den underliggende fysik. Den første beskrivelse af fænomenet blev foretaget af Wood and Loomis i 19271, og siden da har der været udviklinger på området for applikationer lige fra levering af aerosoliserede farmaceutiskevæsker 2 tilbrændstofindsprøjtning 3. Selv om fænomenet fungerer godt i disse applikationer, er den underliggende fysik ikke godtforstået 4,5,6.
En vigtig begrænsning inden for ultralydsforstøvning er valget af materiale, der anvendes, bly zirkonat titanat (PZT), en hysteretisk materiale tilbøjelige til opvarmning7 og bly forurening med elementært bly til rådighed fra inter-grain grænser8,9. Kornstørrelse og korngrænsers mekaniske og elektroniske egenskaber begrænser også den hyppighed , hvormed PZT kan fungere10. Derimod er lithium niobat både blyfri og udviser ingen hysterese11og kan bruges til at forstøve væsker en størrelsesorden mere effektivt end kommercielle forstøvere12. Den traditionelle snit af lithium niobat, der anvendes til drift i tykkelsestilstand er 36-graders Y-roteret snit, men 127,86-graders Y-roteret, X-formeringssnit (128YX), typisk anvendes til overflade akustisk bølge generation, har vist sig at have en højere overfladeforskydning amplitude i forhold til 36-graders snit13, når de drives i resonans og lavt tab. Det er også blevet vist, at tykkelse tilstand drift tilbyder en størrelsesorden forbedring i forstøver effektivitet i forhold til andre former forvibrationer 13,selv når du bruger LN.
Resonansfrekvensen for en piezoelektrisk anordning, der arbejder i tykkelsestilstand, reguleres af dens tykkelse t: bølgelængden λ = 2t/n hvor n = 1, 2,... er antallet af antinoder. For et 500 μm tykt substrat svarer dette til en bølgelængde på 1 mm for den grundlæggende tilstand, som derefter kan bruges til at beregne den grundlæggende resonansfrekvens, f = v/λ, hvis bølgehastigheden, v, er kendt. Lydens hastighed gennem tykkelsen på 128YX LN er ca. 7.000 m/s, og så f = 7 MHz. I modsætning til andre former for vibrationer, især overflade-bundet tilstande, er det ligetil at ophidse højere orden tykkelse mode harmoniske til meget højere frekvenser, her til 250 MHz eller mere, selv om kun ulige nummererede tilstande kan være ophidset af ensartedeelektriske felter 14. Derfor kan den anden harmoniske (n = 2) nær 14 MHz ikke være ophidset, men den tredje harmoniske ved 21 MHz(n = 3) kan. Fremstilling af effektive tykkelse tilstand enheder kræver deponering elektroder på modsatrettede ansigter transducer. Vi bruger jævnstrøm (DC) sputtering at opnå dette, men elektron-beam aflejring og andre metoder kan anvendes. Impedans analyse er nyttigt at karakterisere de enheder, især i at finde resonans frekvenser og elektromekanisk kobling ved disse frekvenser. Laser Doppler vibrometry (LDV) er nyttigt til at bestemme output vibration amplitude og hastighed uden kontakteller kalibrering 15,og via scanning, LDV giver den rumlige fordeling af overflade deformation, afslører den vibrationsform, der er forbundet med en given frekvens. Endelig, med henblik på at studere forstøvning og væskedynamik, kan højhastigheds-imaging anvendes som en teknik til at studere udviklingen af kapillær bølger på overfladen af en sessile drop16,17. I forstøvning, ligesom mange andre acoustofluidic fænomener, små dråber er produceret i et hurtigt tempo, over 1 kHz i et givet sted, for hurtigt for højhastighedskameraer til at observere med tilstrækkelig troskab og synsfelt til at give nyttige oplysninger over en tilstrækkelig stor dråbe prøvestørrelse. Laserspredning kan anvendes til dette formål, passerer dråberne gennem en udvidet laserstråle til (Mie) sprede noget af lyset i refleksion og brydning til at producere et karakteristisk signal, der kan bruges til statistisk at vurdere dråbestørrelse fordeling.
Det er ligetil at fremstille piezoelektrisk tykkelse tilstand transducere, men de nødvendige teknikker i enhed og forstøvning karakterisering er ikke klart angivet i litteraturen til dato, hæmmer fremskridt i disciplinen. For at en transducer i tykkelsestilstand skal være effektiv i en forstøvningsanordning, skal den isoleres mekanisk, så dens vibration ikke dæmpes, og den skal have en kontinuerlig væskeforsyning med en strømningshastighed svarende til forstøvningshastigheden, således at der hverken opstår udtørring eller oversvømmelse. Disse to praktiske overvejelser er ikke blevet grundigt dækket i litteraturen, fordi deres løsninger er resultatet af tekniske teknikker snarere end ren videnskabelig nyhed, men de er ikke desto mindre afgørende for at studere fænomenet. Vi præsenterer en transducerholder samling og en flydende fugtspredende system som løsninger. Denne protokol tilbyder en systematisk tilgang til forstøver fabrikation og karakterisering for at lette yderligere forskning i grundlæggende fysik og utallige applikationer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Tykkelse mode transducer fabrikation via DC sputtering
- Wafer forberedelse
- En 100 mm 128YX LN wafer placeres i en ren glasskål med en diameter på mindst 125 mm. Sonikere waferen i mindst 200 ml acetone i 5 min.
- Gentag sonikering med isopropylalkohol og igen med deioniseret vand i 5 min hver.
- Fjern synligt vand fra overfladen med tørt nitrogen.
- Fjern vandet helt fra overfladen ved at placere waferen på en kogeplade ved 100 °C i 5 min. Sørg for, at der er et ark aluminiumsfolie på kogepladen, da dette hjælper med at sprede opladningsoprustning på waferen.
- Aflejring af elektrode
- Anpuds waferen i sputteraflejringssystemets vakuumkammer, og pump kammeret ned til 5 x 10-6 mTorr. Indstil argontrykket til 2,3 mTorre og rotationshastigheden til 13 omdrejninger i minuttet.
BEMÆRK: Hvis der er fastlagt parametre for det specifikke instrument, der anvendes, som resulterer i film af høj kvalitet, skal du bruge dem i stedet. - Idybe 5-10 nm titanium ved 1,2−1,6 A/s.
BEMÆRK: Før denne proces påbegyndes med den tilsigtede wafer, skal du teste aflejringshastigheden med plasmaeffekten indstillet til 200 W og aflejre i 1 min. Mål derefter højden af laget med et profilometer. Gør dette separat for hvert metal. Indstil effekt i henhold til denne test for at opnå den angivne deposition sats. - Indlejret 1-1,2 μm guld ved 7−9 A/s.
BEMÆRK: Aflejring med en højere hastighed på grund af øget plasmaeffekt eller øget argon-deltryk kan reducere filmkvaliteten. - Fjern waferen, og gentag trin 1.2.1−1.2.3 for den anden side af waferen.
- Anpuds waferen i sputteraflejringssystemets vakuumkammer, og pump kammeret ned til 5 x 10-6 mTorr. Indstil argontrykket til 2,3 mTorre og rotationshastigheden til 13 omdrejninger i minuttet.
- Terninger
- Brug en terning sav til at terning hele wafer efter behov.
BEMÆRK: En beskyttende resist kan anvendes på underlaget før terninger, og systemet ( Tabel overMaterialer) anvendes her anvender en UV hærdelig film lige før prøverne er indlæst på terninger fase. Det er konstateret, at terninger prøverne med en automatiseret terninger sav ikke kompromittere integriteten af prøverne. Hånd-skriftkloge terning af LN er muligt, men kedelig og tilbøjelige til uoverensstemmelser.
- Brug en terning sav til at terning hele wafer efter behov.
2. Elektrisk og mekanisk kontakt med transduceren
BEMÆRK: Flere metoder er beskrevet nedenfor (trin 2.1−2.4), og det fremhæves senere i protokollen, hvilken metode der er mest hensigtsmæssig for hvert efterfølgende trin.
- Placer en hakket transducer fladt på en magnetisk stålplade. Monter en pogo-sonde i kontakt med pladen og en anden pogo-sonde i kontakt med transducerens over pående. Herefter vil dette blive omtalt som pogo-plade kontakt.
- Anse transduceren mellem to pogo-sonder. I det følgende benævnt pogo-pogo kontakt.
- Loddetråd til hver side af transduceren. I det følgende benævnt loddekontakt.
- Saml en brugerdefineret transducerholder.
- Bestil de brugerdefinerede printkort (PCB), hvis Gerber-filer er blevet leveret.
- Lodde to overflade montere foråret kontakter(Tabel over materialer)til hver brugerdefineret PCB. Tryk på fit piggene i de belagte huller på de brugerdefinerede PCB'er, så de peger væk fra hinanden.
- Tilslut de to brugerdefinerede PCB'er med board afstandsredler og skruer, så kontakterne er lige i kontakt med hinanden. Juster afstanden med plastskisere, hvis det er nødvendigt.
- Skub en 3 mm x 10 mm transducer ind mellem det indvendige kontaktpar. Klip de ydre kontakter, så de ikke kortslutte kredsløbet.
BEMÆRK: Figur 1 viser hele samlingen.
3. Identifikation af resonansfrekvens via impedansanalyse
- Sørg for, at der er udført en portkalibrering i overensstemmelse med fabrikantens anvisninger for den specifikke kontaktmetode, der anvendes.
- Tilslut en transducer til den åbne port i netværksanalysatoren (materialetabel) med en af de kontaktmetoder, der er beskrevet i trin 2.1−2.4.
BEMÆRK: Det kan være lærerigt at gentage denne analyse med flere elektriske kontaktmetoder og sammenligne resultaterne. - Vælg refleksionskoefficientparameteren s11 via netværksanalysatorens brugergrænseflade, vælg interessefrekvensområdet, og udfør frekvensfejningen.
BEMÆRK: s11 er inputreflekseflecienten og har en minimumsværdi ved operationens resonansfrekvens. For en typisk 500 μm tyk 128YX LN wafer vil den primære resonansfrekvens være nær 7 MHz, og den anden harmoniske vil være nær 21 MHz, som vist i figur 2. Impedansplottet i frekvensrummet, der vises på instrumentet, vil udvise lokale minima ved resonansfrekvenserne. - Eksporter dataene ved at vælge Gem/tilbagekald | Gem sporingsdata på brugergrænsefladen for nærmere eftersyn ved hjælp af databehandlingssoftware for at identificere de præcise minimaplaceringer.
4. Vibrationskarakterisering via LDV
- Anse en transducer i pogo-pladekontakt på LDV-stadiet. Tilslut pogo-sondens ledninger til signalgeneratoren. Sørg for, at det anvendte mål er valgt i anskaffelsessoftwaren (Materialetabel) og fokuser mikroskopet på transducerens overflade.
- Definer scanningspunkterne ved at vælge Definer scanningspunkter, eller fortsæt til trin 4.3, hvis der udføres en kontinuerlig scanning.
- Vælg indstillingen Indstillinger, General og vælg enten indstillingen FFT eller Tid under fanen Generelt, afhængigt af om scanningen udføres i frekvens eller tidsdomæne. Vælg antallet af gennemsnit i dette afsnit.
BEMÆRK: Antallet af gennemsnit påvirker scanningstiden. Fem gennemsnit for de transducere, der er beskrevet i denne protokol, har vist sig at give tilstrækkeligt signal/støjforhold. - Under fanen Kanal skal du sørge for, at felterne Aktive er markeret, hvilket svarer til referencen og det reflekterede signal fra transduceren. Juster reference- og hændelseskanalerne ved at vælge en spændingsværdi i rullemenuen for at opnå maksimal signalstyrke fra underlaget.
- Hvis målingen udføres under et enkelt frekvenssignal under fanen Generator, skal du vælge Sine på bølgeformens træk ned-liste. Hvis det er under et båndsignal, skal du vælge MultiCarrierCW.
- Skift båndbredde og FFT-linjer under fanen Frekvens for at justere scanningsopløsningen for en frekvensdomænescanning. På samme måde skal du ændre eksempelfrekvensen under fanen Tid, når du udfører tidsdomænemålinger.
BEMÆRK: Den båndbredde, der typisk anvendes, er 40 MHz, og antallet af FFT-linjer er 32.000. Præsentationssoftwaren (Materialetabel) kan bruges til at behandle og analysere de data, der er indhentet fra scanningen. Et typisk forskydningsspektrum findes i figur 3.
5. Væskeforsyning
- Få en 25 mm lang, 1 mm diameter væge består af et bundt af fibre af en hydrofil polymer designet til at transportere vandig væske over dens længde, såsom dem, der er tilgængelige for plug-in luftfriskere. Trim den ene ende, således at en off center punkt dannes.
- Sæt vægen ind i en sprøjtespids med en indvendig diameter, der giver en tæt pasform og en længde, der gør det muligt for vægen at strække sig 1−2 mm ud over hver ende. Lås spidsen på en sprøjte med den ønskede kapacitet (1−10 ml).
- Monter væge/sprøjtesamlingen således, at vægen er 10°−90° fra vandret (afhængigt af den ønskede forstøvningshastighed, som også afhænger af den anvendte spænding), og spidsen af vægen er lige i kontakt med transducerens kant som vist i figur 1C.
- Fyld sprøjten med vand og påfør et kontinuerligt spændingssignal (startende med 20 Vpp) ved den resonansfrekvens, der bestemmes ved hjælp af impedansanalysatoren. Juster spændingsniveauet, indtil væsken forstøves kontinuerligt, uden at enheden oversvømmer eller udtørrer.
6. Dynamics observation via højhastigheds-imaging
- Fastlænt et højhastighedskamera vandret på et optisk bord, placer en transducer i enten pogo-pogo kontakt eller pogo-plade kontakt på en x-y-z fase nær brændvidden af kameraet, og placere en diffus lyskilde mindst én brændvidde på den modsatte side af transduceren fra kameraet.
- For pogo-pogo kontakt, placere væskeforsyningen, så det ikke blokerer kameraet visning eller lyskilden. For pogo-plade kontakt, anvende væske direkte til underlaget med en pipette.
- Juster kameraets fokus og x-y-z position for at bringe væskeprøven i skarpt fokus.
- Anslå hyppigheden af det specifikke fænomen, der skal undersøges, baseret på litteratur. Vælg en billedhastighed, der er mindst dobbelt så stor som denne frekvens i henhold til Nyquist-hastigheden, for at undgå aliasing.
BEMÆRK: For eksempel overveje kapillær bølger, der opstår på en sessile drop ved en række frekvenser. Kameraer begrænset i rumlig opløsning kan kun skelne bølger med et minimum amplitude. I dette tilfælde forekommer minimum amplituden omkring 4 kHz, så der vælges en billedhastighed på 8.000 billeder pr. sekund (fps). - Juster lysintensiteten, kameralukkeren eller begge dele for at optimere kontrasten mellem væsken og baggrunden.
BEMÆRK: Der kan tilsættes et uigennemsigtigt farvestof til væsken for at øge kontrasten. - Tilslut alligatorclips fra den forstærkede signalgenerator til pogo-sonderne.
- Optag video i kameraets software samtidig med aktivering via spændingssignalet enten ved manuelt at udløse både på samme tid eller ved at tilslutte en udløserudgang fra signalgeneratoren til kameraet.
BEMÆRK: Den typiske rammehastighed, der anvendes, er 8.000 fps, og der anvendes et CF4-mål. - Gem kun de rammer, der indeholder fænomenet, for at undgå spildt oplagring, som er særlig relevant ved store billedhastigheder, for at frembringe et resultat som vist i figur 4.
BEMÆRK: Sørg for at gemme filen i et format, der er kompatibelt med den foretrukne billedbehandlingssoftware, så nyttige data kan udtrækkes.
7. Droplet størrelsesmåling via laserspredningsanalyse
- Laserspredningssystemet(Materialetabel)har et modul, der sender laseren, og et modul, der modtager det spredte lasersignal. Placer modulerne langs skinnen, der er forsynet med systemet, med en afstand på 20−25 cm mellem dem.
- Stift montere en platform i dette hul sådan, at når transduceren og væskeforsyningen forsamlinger er placeret på det, forstøvet tåge vil blive skubbet ud i laserstrålen sti. Lette denne justering ved at tænde for laserstrålen via valg værktøjer | Laserkontrol... | Laser på som en visuel indikator.
- Fastgør transducerholderen på platformen, og fastgør væskeforsyningsenheden til en leddelt arm (Materialetabel). Anfør væskeforsyningsenheden, så spidsen af vægen kun er i kontakt med transducerens kant.
- Opret en standardoperingsprocedure i softwaren ved at klikke på ikonet Ny SOP. Konfigurer SOP'en med følgende indstillinger: skabelon = Standardtløbende, samplingperiode (er) = 0,1, klik på Rediger... under Datahåndtering, klik på Rediger... og angiv Spray-profil | Stilængde (mm) til 20,0, klik på Alarmer for at fjerne markeringen i Brug standardværdier, og indstil Min-transmission (%) til 5 og 1, og indstil Min- og Min-spredning til 50 og 10. Use default values Lad alle andre indstillinger være som standardindstillinger.
BEMÆRK: Se den softwaremanual, der fulgte med instrumentet. - Start målingen i softwaren ved at klikke på Mål | Start SOP, og vælg den SOP, der blev oprettet i trin 7.4. Vent på, at baggrundskalibreringerne fuldføres. Fyld væskeforsyningsbeholderen, sprøjten, med vand op til det ønskede niveau og noter volumen. Tænd for spændingssignalet for at begynde at forstøve væsken. Start stopuret, og start målingen ved at klikke på Start.
- Softwaren genererer en størrelse distribution baseret på den spredte laser signal på modtageren på grund af Mie teori og en flere spredning algoritme. Når den ønskede væskemængde er blevet forstøvet, skal du slukke for spændingssignalet, stoppe stopuret og optage den endelige lydstyrke og stoppe optagelsen af data ved at klikke på Stop.
BEMÆRK: Laserspredningssystemet er i stand til at måle så lidt som 1 μL væske og har ikke en øvre grænse for væskevolumen. Forstøvningsflowet kan simpelthen beregnes ved at dividere volumen med tidsvarigheden. - I måling histogrammet, skal du vælge den del af data, hvor forstøvningen fandt sted som forventet, og signalet på modtageren var stærk nok til at være statistisk signifikant. Klik på Gennemsnit | Ok at generere en distribution baseret på de valgte data.
BEMÆRK: Alle målinger med denne teknik er statistiske gennemsnit, og hvis der derfor er for få dråber, vil det spredte signal være svagt, og målingen vil være statistisk ubetydelig. - Gem den gennemsnitlige fordeling ved at vælge vinduet og klikke på Rediger | Kopier teksten, og indsæt derefter resultatet i en tekstfil og lagring med et passende navn.
BEMÆRK: Disse distributionsdata kan nu bruges sammen med anden software (f.eks. Figure 5
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tykkelse tilstand piezoelektriske enheder blev fremstillet af 128YX lithium nitosat. Figur 1 viser en komplet samling til at holde transduceren på plads med en brugerdefineret transducerholder, der anvendes sammen med det passive væskefremføringssystem, der er udviklet til kontinuerlig forstøvning. Karakteriseringstrinnene for disse enheder omfatter bestemmelse af resonansfrekvensen og harmoniske ved hjælp af en impedansanalysator (Figur 2). Den grundlæggende frekvens af enhederne blev anset for at være tæt på 7 MHz ved hjælp af den teknik, der er beskrevet i denne protokol, som forudsagt af tykkelsen af substratet. Yderligere karakterisering af substratvibrationer blev udført ved hjælp af noncontact laser Doppler vibrometer målinger. Disse målinger bestemmer omfanget af forskydningen af substratet og er normalt i nm-området (Figur 3). Kontinuerlig forstøvning er afgørende for at muliggøre praktiske anvendelser af tykkelse tilstand enheder, og dette er blevet påvist ved at udvikle en passiv væske leveringssystem til substratet. Endelig blev der beskrevet to teknikker til at observere dråbevibrationer og forstøvningsdynamik ved at udføre højhastighedsbilleddannelse og ved at måle dråbesstørrelsesfordelingen som vist i figur 4 og figur 5.
Figur 1: Hele samlingen af en brugerdefineret transducerholder. (A)Transducerholderens og væskeforsyningsenhedens positioner styres hver især med artikulerende arme, således at vægens spids kun er i kontakt med transducerens kant. Inset (B) afslører arten af den elektriske og mekaniske kontakt med transduceren elektroder. Inset (C) afslører karakteren af kontakten mellem transduceren kant og væske væge. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: De reelle s11 spredningsparameterværdier målt over et område på 1−25 MHz for en 127,86° YX lithium-niobatenhed, der angiver tilstedeværelsen af en resonanstop ved ca. 7 MHz. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: En FFT-scanning med flere bærere med 5 gennemsnit på hvert punkt blev udført over 9 med 9 scanningspunkter defineret i et 0,6 gange 0,6 mm område i frekvensområdet 5−25 MHz. Den rapporterede forskydning er den maksimale forskydning, der beregnes over alle punkter. Den grundlæggende tykkelse tilstand for 0,5 mm tyk LN kan ses på 7 MHz, og en svagere anden harmonisk er til stede på ~ 21 MHz. Bemærk der er flere smalle toppe ved hver resonans på grund af interferens med laterale tilstande. Multi-carrier scanninger sprede spændingsindgang, så forskydningen her er ikke en nøjagtig måling af enhedens ydeevne. For en sådan måling anbefales det at udføre en enkeltfrekvensscanning ved resonansfrekvensen og med anvendelsesrelevante spændinger. For eksempel producerer denne transducer på 10 mm x 5 mm tykkelsestilstand en 5 nm max amplitude ved 45 Vpp, når den køres på 6,93 MHz. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Debut af kapillær bølger på en 2 μL vanddråbe er angivet med en 8.000 fps video af væskeinterfacet; dråben er drevet af en tykkelse tilstand transducer drevet på 6,9 MHz, viser den betydelige tidsforskel mellem den hydrodynamiske respons og den akustiske excitation. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Fordeling af dråbestørrelse måles typisk som en volumenfraktion i forhold til dråbediameteren, her sammenligner (A) en kommerciel forstøver og (B) en LN-tykkelsestilstandsenhed, begge ved hjælp af vand. Klik her for at se en større version af dette tal.
Supplerende figur 1: En sammenligning af impedansanalysespektrene for samme transducer med to forskellige former for elektrisk kontakt (pogo-plade, pogo-pogo og transducerholder) viser betydelige forskelle i s11 spredningsparameterværdier. Klik her for at downloade denne fil.
Film 1: LDV vibrationstilstand på 5 mm x 5 mm kvadratisk transducer. Klik her for at se denne video. Højreklik for at hente.
Film 2: LDV-vibrationstilstande på 3 mm x 10 mm transducer. Disse er tæt tilnærmelser til tykkelse tilstande uden tilstedeværelsen af betydelige laterale tilstande. Klik her for at se denne video. Højreklik for at hente.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En transducers dimensioner og højde-bredde-forhold påvirker de vibrationstilstande, den producerer. Da de laterale dimensioner er begrænsede, er der altid laterale tilstande ud over de ønskede tykkelsestilstande. Ovenstående LDV metoder kan bruges til at bestemme dominerende tilstande i det ønskede frekvensområde for en given transducer. En firkant med dimensioner under 10 mm giver typisk en tæt tilnærmelse til en tykkelsestilstand. Tre af ti millimeter rektangler fungerer også godt. Film 1 og Film 2 viser LDV-område scanninger af pladsen og 3 mm x 10 mm transducere angiver, at de er tæt på tykkelse tilstand. Disse er empirisk bestemt snarere end udvalgt af simulering og design, selv om sådanne metoder kunne bruges til at finde ideelle laterale dimensioner.
Metoden til elektrisk og mekanisk kontakt med transduceren påvirker også de vibrationer, den frembringer, da det er de grænsebetingelser, som piezoelektriske pladen er underlagt. Vi har medtaget et impedansspektrum for tre måleteknikker: pogo-plade, pogo-pogo og transducerholder som en sammenligning i supplerende figur 1. Det er klart, resonans peak steder er ikke ændret i dette tilfælde ved vores valg af kontakt. Vi bemærker, at mekanisk kontakt mellem transduceren og en pladeoverflade dæmper vibrationer, hvilket gør forstøvningen mindre effektiv. Pogo-plade kontakt bruges i tilfælde af LDV målinger, fordi det er den enkleste måde at få en flad, stationær overflade til at fokusere laseren.
Væskeforsyningen samling beskrevet her er afhængig af kapillær handling og tyngdekraft til passivt genforsyne transduceren med en tynd film af vand, som det er forstøvet væk. Transducerens vibrationer giver en aweingeffekt, der kan være nok til at skabe en tynd film og undgå oversvømmelse, men i nogle tilfælde vil det være nødvendigt med en hydrofil behandling på transduceroverfladen. Hvis der ikke opnås kontinuerlig forstøvning, er dette den mest sandsynlige vej til at løse problemet.
Målingerne blev udført med et ultrahøjfrekvent vibrometer (materialetabel) her, men andre LDV'er kan anvendes. Elektrisk kontakt kan foretages ved lodning en ledning til hver side af transducer, selvom loddet kan væsentligt ændre resonans frekvenser og tilstande af transduceren. En anden teknik er at placere transduceren på en metalbase og bruge "pogo" fjederkontaktsonder, der er presset i kontakt på oversiden af piezoelektrisk transducerelement, mens den sidder fladt på scenen, hvilket er nyttigt, når et stort område skal scannes. Nøjagtig måling af resonansfrekvenserne er vigtig for effektivt at betjene transduceren og maksimere energioverførselshastigheden til mekanisk bevægelse ved disse frekvenser. En frekvens scanning ved hjælp af LDV giver disse oplysninger, men kræver lang tid, i størrelsesordenen snesevis af min. En impedansanalysator kan bestemme resonansfrekvenserne meget hurtigere, ofte mindre end et minut. I modsætning til LDV giver den impedansbaserede måling imidlertid ikke oplysninger om vibrationsforstærkeren ved resonansfrekvenserne, hvilket er vigtigt for at bestemme væskeforstøvningen fra transducerens overflade.
Selvom substratets vibrationer forekommer i 10-100 MHz-regimet, forekommer dynamikken i væsker i kontakt med substratet i langt langsommere tidsskalaer. For eksempel kan kapillær bølger på overfladen af en sessile dråbe observeres ved 8.000 fps, forudsat at den rumlige opløsning af kameraet kan skelne amplitude af en bølge crest, og at bølgefrekvensen af interesse er under 2.000 Hz. Kameraet arrangement beskrevet ovenfor billeder transmitteret lys og dermed er godt for at observere omridset af objekter, der sender lys anderledes end luft. Hvis det er utilstrækkeligt, kan det være nødvendigt med et reflekteret eller fluorescerende lysarrangement. Eksponeringstiden for hver ramme reduceres, efterhånden som billedhastigheden øges, så lysintensiteten skal øges tilsvarende. Målet linse bør vælges baseret på længden omfanget af det fænomen, der undersøges, men ovenstående protokol vil arbejde med enhver almindeligt tilgængelige forstørrelse. Som et eksempel, figur 4 blev opnået med ovenstående højhastigheds-video metode. Kontrasten ved drop interface ville gøre det muligt for disse rammer, der skal segmenteres i software (ImageJ og MATLAB), således at grænsefladen dynamik kan spores over tid.
I dråbe dimensionering udstyr, der anvendes i denne protokol(Tabelover Materialer ), laseroptik og spredning detektorer er relativt standard, men softwaren er proprietær og kompleks. Ud over Mie teori, flere spredning begivenheder gør dråbe størrelse og optælling beregninger meget vanskeligere. Mie teori antager, at de fleste fotoner er spredt kun én gang, men når dråber er tæt fordelt, dvs afstanden mellem dråber er ikke meget større end dråberne selv, og spray blomme dækker en suefficiently stort område, så denne antagelse mislykkes18. Som et eksempel på fejlfindingsresultater fra dette instrument skal du overveje figur 5. Bemærk, at toppen med en diameter på 0,5 mm vises i begge fordelinger. Den kommercielle forstøver er kendt for at producere monodisperse dråber nær 10 μm, så den større top er sandsynligvis enten et falsk resultat på grund af den store mængde af multi-spredning begivenheder eller agglomeration af mindre dråber i spray. Dette indebærer, at den store top i tykkelsesmådefordelingen også kan være et falsk resultat. Dette kan direkte verificeres af højhastigheds-video: sådanne store dråber ville være let synlige, men de er ikke observeret i dette tilfælde.
Laserspredning partikelstørrelse analyse kan også være svært, når spredning signalet bliver svag. Dette skyldes typisk en lav forstøvningshastighed, eller når en del af sprayen ikke passerer gennem laservejen. Et svagt vakuum kan anvendes til at trække den komplette forstøvede tåge gennem udstyrets udvidede laserstråle i tilfælde, hvor det ellers ville undslippe måling. For endnu større kontrol af spray betingelser en fugtighed kammer kan installeres omkring laserstrålen sti, men dette er ikke påkrævet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne er taknemmelige for University of California og NANO3 facilitet på UC San Diego for levering af midler og faciliteter til støtte for dette arbejde. Dette arbejde blev delvist udført på San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) af UCSD, et medlem af National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som støttes af National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). Det arbejde, der præsenteres her, blev generøst støttet af et forskningstilskud fra W.M. Keck Foundation. Forfatterne er også taknemmelige for støtten til dette arbejde af 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).
