Summary

Herstellung und Charakterisierung von Piezoelektrischen Geräten für Zerstäubung und Akustofluidik

Published: August 05, 2020
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Summary

Die Herstellung von piezoelektrischen Dickenmodus-Wandlern durch Gleichstrom-Sputtern von Plattenelektroden auf Lithiumniobat wird beschrieben. Darüber hinaus wird ein zuverlässiger Betrieb mit einem Messumformerhalter und Flüssigkeitsversorgungssystem erreicht und die Charakterisierung wird durch Impedanzanalyse, Laserdopplervibrometrie, Hochgeschwindigkeits-Bildgebung und Tröpfchengrößenverteilung mittels Laserstreuung demonstriert.

Abstract

Wir präsentieren eine Technik, um einfache Dickenmodus piezoelektrische Geräte mit Lithium-Niobat (LN) herzustellen. Solche Geräte haben gezeigt, dass flüssigkeit effizienter zerstäubt wird, in Bezug auf die Durchflussrate pro Leistungsaufnahme, als solche, die auf Rayleigh-Wellen und andere Schwingungsarten in LN oder Bleizirkonat-Titanat (PZT) angewiesen sind. Das komplette Gerät besteht aus einem Messumformer, einem Messumformerhalter und einem Flüssigkeitsversorgungssystem. Die Grundlagen der akustischen Flüssigkeitszerstäubung sind nicht bekannt, so dass auch Techniken zur Charakterisierung der Geräte und zur Untersuchung der Phänomene beschrieben werden. Die Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV) liefert Schwingungsinformationen, die für den Vergleich von akustischen Messumformern unerlässlich sind, und gibt in diesem Fall an, ob ein Gerät bei Dickenschwingungen gut abschneidet. Es kann auch verwendet werden, um die Resonanzfrequenz des Geräts zu finden, obwohl diese Informationen schneller über impedanzanalyse erhalten werden. Kontinuierliche Flüssigkeitszerstäubung als Beispielanwendung erfordert eine sorgfältige Flüssigkeitsflusskontrolle, und wir präsentieren eine solche Methode mit Hochgeschwindigkeits-Bildgebung und Tröpfchengrößenverteilungsmessungen mittels Laserstreuung.

Introduction

Ultraschall-Zerstäubung wurde seit fast einem Jahrhundert untersucht und obwohl es viele Anwendungen gibt, gibt es Einschränkungen im Verständnis der zugrunde liegenden Physik. Die erste Beschreibung des Phänomens wurde 1927 von Wood und Loomis1gemacht, und seitdem gibt es Entwicklungen auf dem Gebiet für Anwendungen, die von der Lieferung von aerosolisierten pharmazeutischen Flüssigkeiten2 bis zur Kraftstoffinjektion3reichen. Obwohl das Phänomen in diesen Anwendungen gut funktioniert, ist die zugrunde liegende Physik nicht gut verstanden4,5,6.

Eine wesentliche Einschränkung im Bereich der Ultraschallzerstäubung ist die Wahl des verwendeten Materials, Bleizirkonattitanatat (PZT), ein hysterisches Material, das anfällig für Erwärmung7 ist, und Bleikontamination mit Elementarblei, das aus den Interkorngrenzen8,,9zur Verfügung steht. Korngröße und mechanische und elektronische Eigenschaften von Korngrenzen begrenzen auch die Frequenz, mit der PZT10betreiben kann. Im Gegensatz dazu ist Lithiumniobat sowohl bleifrei und weist keine Hysterese11auf und kann verwendet werden, um Flüssigkeiten in einer Größenordnung effizienter zu zerstäuben als kommerzielle Zerstäuber12. Der traditionelle Schnitt von Lithiumniobat, der für den Betrieb im Dickenmodus verwendet wird, ist der 36-Grad-Y-Rotschnitt, aber der 127,86 Grad Y-rotierte, X-propagating Schnitt (128YX), der typischerweise für die Erzeugung von Oberflächenschallwellen verwendet wird, hat nachweislich eine höhere Oberflächenverschiebungsamplitude im Vergleich zu dem 36-Grad-Schnitt13, wenn er in Resonanz und geringem Verlust betrieben wird. Es wurde auch gezeigt, dass dicken Modus Betrieb bietet eine Größenordnung Verbesserung der Zerstäuber Effizienz gegenüber anderen Modi der Vibration13, auch bei der Verwendung von LN.

Die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Geräts, das im Dickenmodus arbeitet, wird durch seine Dicke tbestimmt: die Wellenlänge n = 2t/n, wobei n = 1, 2,… ist die Anzahl der Antiknoten. Für ein 500 m dickes Substrat entspricht dies einer Wellenlänge von 1 mm für den Basismodus, der dann zur Berechnung der Fundamentalresonanzfrequenz verwendet werden kann, f = v/, wenn die Wellengeschwindigkeit, v, bekannt ist. Die Schallgeschwindigkeit durch die Dicke von 128YX LN beträgt ca. 7.000 m/s und damit f = 7 MHz. Im Gegensatz zu anderen Formen von Vibrationen, insbesondere oberflächengebundenen Modi, ist es einfach, Oberschwingungen höherer Dicke zu viel höheren Frequenzen zu anzuregen, hier zu 250 MHz oder mehr, obwohl nur die ungeraden Modi durch gleichmäßige elektrische Felder angeregt werden können14. Folglich kann die zweite Oberschwingung (n = 2) bei 14 MHz nicht angeregt werden, aber die dritte Oberschwingung bei 21 MHz (n = 3) kann. Die Herstellung effizienter Dickenmodusgeräte erfordert das Ablegen von Elektroden auf gegenüberliegende Flächen des Messumformers. Wir verwenden Gleichstrom (DC) Sputtering, um dies zu erreichen, aber Elektronenstrahlabscheidung und andere Methoden könnten verwendet werden. Die Impedanzanalyse ist nützlich, um die Geräte zu charakterisieren, insbesondere bei der Ermittlung der Resonanzfrequenzen und der elektromechanischen Kopplung bei diesen Frequenzen. Die Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV) ist nützlich, um die Amplitude und Geschwindigkeit der Ausgangsschwingung ohne Kontakt oder Kalibrierung15zu bestimmen, und durch Scannen bietet der LDV die räumliche Verteilung der Oberflächenverformung und zeigt die Vibrationsart, die mit einer bestimmten Frequenz verbunden ist. Schließlich kann für die Untersuchung der Zerstäubung und Strömungsdynamik, High-Speed-Bildgebung als eine Technik verwendet werden, um die Entwicklung von Kapillarwellen auf der Oberfläche eines sessilenTropfens 16,17zu studieren. Bei der Zerstäubung werden, wie viele andere akustofluidische Phänomene, kleine Tröpfchen mit einer schnellen Geschwindigkeit über 1 kHz an einem bestimmten Ort produziert, zu schnell für Hochgeschwindigkeitskameras, um sie mit ausreichender Genauigkeit und Sichtfeld zu beobachten, um nützliche Informationen über eine ausreichend große Tröpfchenstichprobengröße zu liefern. Laserstreuung kann zu diesem Zweck verwendet werden, indem die Tröpfchen durch einen erweiterten Laserstrahl übergeben werden, um (Mie) einen Teil des Lichts in Reflexion und Brechung zu streuen, um ein charakteristisches Signal zu erzeugen, das verwendet werden kann, um die Tröpfchengrößenverteilung statistisch zu schätzen.

Es ist einfach, piezoelektrische Dickenmodus-Wandler herzustellen, aber die Techniken, die in der Geräte- und Zerstäubungscharakterisierung erforderlich sind, wurden in der Literatur bisher nicht eindeutig angegeben, was den Fortschritt in der Disziplin behindert. Damit ein Dickenmoduswandler in einer Zerstäubungsvorrichtung wirksam ist, muss er mechanisch isoliert werden, damit seine Schwingung nicht gedämpft wird und er eine kontinuierliche Flüssigkeitszufuhr mit einer Durchflussrate hat, die der Zerstäubungsrate entspricht, so dass weder Austrocknung noch Überflutung auftreten. Diese beiden praktischen Überlegungen wurden in der Literatur nicht gründlich behandelt, da ihre Lösungen eher das Ergebnis von Ingenieurstechniken als reiner wissenschaftlicher Neuheit sind, aber dennoch entscheidend für die Untersuchung des Phänomens sind. Als Lösungen präsentieren wir eine Wandlerhalter-Montage und ein Flüssigkeitsableitendessystem. Dieses Protokoll bietet einen systematischen Ansatz zur Zerstäuberherstellung und Charakterisierung, um die weitere Forschung in der Grundlagenphysik und unzähligen Anwendungen zu erleichtern.

Protocol

1. Dickenmodus-Wandlerfertigung über DC-Sputtern Wafer-Vorbereitung Legen Sie einen 100 mm 128YX LN Wafer in eine saubere Glasschale mit einem Durchmesser von mindestens 125 mm. Den Wafer in mindestens 200 ml Aceton für 5 min beschallen. Beschallung mit Isopropylalkohol und wieder mit entionisiertem Wasser für jeweils 5 min wiederholen. Entfernen Sie sichtbares Wasser mit trockenem Stickstoff von der Oberfläche. Entfernen Sie das Wasser vollständig von der Oberfläc…

Representative Results

Dicke Modus piezoelektrische Geräte wurden aus 128YX Lithium-Niobat hergestellt. Abbildung 1 zeigt eine komplette Baugruppe, um den Messumformer mit einem benutzerdefinierten Messumformerhalter zu halten, der mit dem für die kontinuierliche Zerstäubung entwickelten passiven Flüssigkeitsabgabesystem verwendet wird. Die Charakterisierungsschritte für diese Geräte umfassen die Bestimmung der Resonanzfrequenz und der Oberschwingungen mit hilfe eines Impedanzanalysators (<strong class="xfig…

Discussion

Die Abmessungen und das Seitenverhältnis eines Messumformers wirken sich auf die Schwingungsmodi aus, die er erzeugt. Da die seitlichen Abmessungen endlich sind, gibt es neben den gewünschten Dickenmodi immer seitliche Modi. Die oben genannten LDV-Methoden können verwendet werden, um dominante Modi im gewünschten Frequenzbereich für einen bestimmten Messumformer zu bestimmen. Ein Quadrat mit Abmessungen unter 10 mm ergibt in der Regel eine enge Annäherung an einen Dickenmodus. Drei mal zehn Millimeter Rechtecke fun…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren danken der University of California und der NANO3-Einrichtung an der UC San Diego für die Bereitstellung von Mitteln und Einrichtungen zur Unterstützung dieser Arbeit. Diese Arbeiten wurden zum Teil an der San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) von UCSD durchgeführt, einem Mitglied der National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die von der National Science Foundation (Grant ECCS-1542148) unterstützt wird. Die hier vorgestellte Arbeit wurde großzügig durch ein Forschungsstipendium der W.M. Keck Stiftung unterstützt. Die Autoren sind auch dankbar für die Unterstützung dieser Arbeit durch das Office of Naval Research (über Grant 12368098).

Materials

Amplifier Amplifier Research, Souderton, PA, USA 5U1000
Articulating arm Fisso, Zurich, Switzerland
CF4 Objective Edmund Optics, Barrington, NJ, USA Objective used for high speed imaging
Dicing saw Disco, Tokyo, Japan Disco Automatic Dicing Saw 3220
Fiber Fragrance Diffuser Wick Weihai Industry Co., Ltd., Weihai, Shandong, China https://www.weihaisz.com/Fiber-Fragrance-Diffuser-Wick_p216.html
High Speed Camera Photron, San Diego, USA Fastcam Mini
Laser Doppler Vibrometer Polytec, Waldbronn, Germany UHF120 Non-contact laser doppler vibrometer
Laser Scattering Droplet size measurement system Malvern Panalytical, Malvern, UK STP5315
Lithium niobate substrate PMOptics,Burlington, MA, USA PWLN-431232 4” double-side polished 0.5 mm thick 128°Y-rotated cut lithium niobate
Luer-lock syringes Becton Dickingson, New Jersey, USA
Nano3 cleanroom facility UCSD, La Jolla, CA, USA Fabrication process is performed in it.
Network Analyzer Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA 5061B
Oscilloscope Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA InfiniiVision 2000 X-Series
PSV Acquistion Software Polytec, Waldbronn, Germany Version 9.4 LDV Software
PSV Presentation Software Polytec, Waldbronn, Germany Version 9.4 LDV Software
Signal generator NF Corporation, Yokohama, Japan WF1967 multifunction generator
Single Post Connector DigiKey, Thief River Falls, MN ED1179-ND
Sputter deposition Denton Vacuum, NJ, USA Denton 18 Denton Discovery 18 Sputter System
Surface Mount Spring Contacts DigiKey, Thief River Falls, MN 70AAJ-2-M0GCT-ND
Teflon wafer dipper ShapeMaster, Ogden, IL, USA SM4WD1 Wafer Dipper 4"
XYZ Stage Thor Labs, Newton, New Jersey, USA MT3 Optical table stages

Referenzen

  1. 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).
  2. 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).
  3. Namiyama, K., Nakamura, H., Kokubo, K., Hosogai, D. Development of ultrasonic atomizer and its application to S.I. engines. SAE Transactions. , 701-711 (1989).
  4. Qi, A., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Interfacial destabilization and atomization driven by surface acoustic waves. Physics of Fluids. 20 (7), 074103 (2008).
  5. 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).
  6. James, A., Vukasinovic, B., Smith, M. K., Glezer, A. Vibration-induced drop atomization and bursting. Journal of Fluid Mechanics. 476, 1-28 (2003).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Lupascu, D., Rödel, J. Fatigue in bulk lead zirconate titanate actuator materials. Advanced Engineering Materials. 7 (10), 882-898 (2005).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Lawson, A. The vibration of piezoelectric plates. Physical Review. 62 (1-2), 71 (1942).
  15. 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).
  16. Thoroddsen, S., Etoh, T., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubbles. Annual Reviews in Fluid Mechanics. 40, 257-285 (2008).
  17. 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).
  18. Hirleman, E. D., Gouesbet, G., Gréhan, G. Modeling of multiple scattering effects in Fraunhofer diffraction particle size analysis. Optical Particle Sizing. , 159-175 (1988).

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Diesen Artikel zitieren
Vasan, A., Connacher, W., Friend, J. Fabrication and Characterization of Thickness Mode Piezoelectric Devices for Atomization and Acoustofluidics. J. Vis. Exp. (162), e61015, doi:10.3791/61015 (2020).

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