Herstellung und Charakterisierung von Piezoelektrischen Geräten für Zerstäubung und Akustofluidik

Diese Techniken können verwendet werden, um Fragen über Resonanzfrequenz, Schwingungsmodus-Erregung, Schwingungsamplitude und wie Wandler mit diesen Eigenschaften als Zerstäuber funktionieren, zu beantworten. Mit Den informationen aus diesen Analysen ist es möglich, die Auswirkungen unabhängiger Variablen und Experimente mit Dickenmodus-Wandlern rigoros zu quantifizieren. Diese Technik ermöglicht die Entwicklung von Geräten, die verwendet werden können, um Medikamente zur Behandlung von Atemwegserkrankungen wie Lungenentzündung zu zerstäuben.

Diese Methoden sind nützlich für die Charakterisierung von Zerstäubungsphänomenen und können auf die Untersuchung von Kapillarwellen auf der Oberfläche eines Tröpfchens angewendet werden. Da viele konkurrierende Faktoren ausgeglichen werden müssen, kann es schwierig sein, eine kontinuierliche Zerstäubung zu erreichen. Passen Sie die Leistungsaufnahme, die Dochtposition und die Dochtausrichtung an und beobachten Sie, wie sich das Verhalten ändert.

Viele dieser Techniken sind einfach nach der Demonstration durchzuführen, erfordern aber eine gewisse Geschicklichkeit und räumliches Bewusstsein, die im Text nicht rüberkommen. Um einen benutzerdefinierten Messumformerhalter zu montieren, löten Sie zwei Oberflächenfederkontakte an zwei benutzerdefinierte Leiterplatten und klemmen Sie die äußeren Kontakte, damit sie den Zufall nicht kurzlegen. Drücken Sie die Spikes in die vergoldeten Löcher auf den kundenspezifischen Brettern so, dass die Spikes voneinander weg zeigen.

Verwenden Sie Platinenabstandshalter und Schrauben, um die beiden benutzerdefinierten Leiterplatten zu verbinden, so dass die Kontakte nur miteinander in Kontakt sind. Stellen Sie den Abstand mit Kunststoffscheiben nach Bedarf ein. Schieben Sie dann einen 3 x 10 Millimeter-Wandler zwischen das innere Kontaktpaar.

Um die Resonanzfrequenz durch Impedanzanalyse zu identifizieren, schließen Sie einen Wandler an den offenen Port des Netzwerkanalysators an und wählen Sie den Reflexionskoeffizientenparameter S11 über die Benutzeroberfläche des Netzwerkanalysators aus. Wählen Sie den gewünschten Frequenzbereich aus, und führen Sie den Frequenz-Sweep durch. Wählen Sie dann Rückruf speichern und Ablaufverfolgungsdaten speichern, um die Daten in ein geeignetes Datenverarbeitungssoftwareprogramm zu exportieren, um die genauen Mindeststandorte zu identifizieren.

Um die Schwingung durch LDV zu charakterisieren, stellen Sie einen Messumformer in Pogoplattenkontakt auf die LDV-Stufe und schließen Sie die Pogo-Sonde an den Signalgenerator an. Stellen Sie sicher, dass das richtige Ziel in der Erfassungssoftware ausgewählt wird, und fokussieren Sie das Mikroskop auf die Oberfläche des Messumformers. Wählen Sie Scanpunkte und -einstellungen definieren aus.

Ein Einzelpunkt-Scan gibt dem Benutzer eine Vibrationsamplitude an einem einzigen Punkt. Zur Bestimmung des Vibrationsmodus und der Resonanz muss ein Flächenscan durchgeführt werden. Wählen Sie unter der Registerkarte Allgemein die Option FFT oder Zeit aus, je nachdem, ob der Scan in der Frequenz- oder Zeitdomäne durchgeführt wird, und legen Sie die Anzahl der Durchschnittswerte fest.

Stellen Sie auf der Registerkarte Kanal sicher, dass die aktiven Felder aktiviert sind, und passen Sie die Referenz- und Ereigniskanäle an, um die maximale Signalstärke aus dem Substrat auszuwählen. Wenn die Messung unter einem Einfrequenzsignal durchgeführt wird, wählen Sie in der Registerkarte "Wellenform"-Pulldown-Liste Sinus aus. Wenn es sich unter einem einzigen Band befindet, wählen Sie MultiCarrierCW aus.

Ändern Sie dann auf der Registerkarte Frequenz die Bandbreite und die FFT-Leitungen, um die Scanauflösung für einen Frequenzbereichsscan anzupassen. Wenn die Zeitbereichsmessungen durchgeführt werden, ändern Sie die Abtasthäufigkeit in der Zeitregisterkarte. Um das Flüssigkeitsversorgungssystem zu erstellen, wählen Sie einen 25 Millimeter langen Docht mit 2 Millimeterdurchmesser aus einem Bündel von Fasern eines hydrophilen Polymers, das zum Transport von Flüssigkeit enden soll.

Schneiden Sie ein Ende des Dochts so, dass er eine asymmetrische Spitze bildet, und legen Sie es dann in eine Luer-Sperrspritze mit der gewünschten Kapazität ein, so dass sich der Docht bei 15 Millimetern über das Ende hinaus ausdehnen kann. Verriegeln Sie eine Spritzenspitze auf die Spritze, die eine enge Passform um den Docht bietet, und montieren Sie die Baugruppe so, dass der Docht 10 bis 90 Grad von der Horizontalen entfernt ist und die Spitze des Dochts nur mit der Kante des Messumformers in Kontakt kommt. Dann die Spritze mit Wasser füllen.

Stellen Sie die Spannung auf Null ein und wenden Sie ein kontinuierliches Spannungssignal bei der Resonanzfrequenz an, die mit dem Impedanzanalysator bestimmt wird. Erhöhen Sie die Spannung, bis die Flüssigkeit kontinuierlich zerstäubt wird, ohne dass das Gerät überflutet oder austrocknet. Wenn die vorgeschlagenen Anpassungen fehlschlagen, autheten Sie die Goldoberfläche des Messumformers in der Nähe des Dochtkontaktpunkts mit feinem Schleifpapier, ohne das Gold vollständig zu entfernen.

Um die Gerätedynamik mittels Hochgeschwindigkeits-Bildgebung zu beobachten, montieren Sie eine Hochgeschwindigkeitskamera horizontal auf einem optischen Tisch und platzieren Sie einen Messumformer in Pogoplattenkontakt auf einer XYZ-Bühne in der Nähe der Brennweite der Kamera. Positionieren Sie eine diffuse Lichtquelle mindestens eine Brennweite auf der gegenüberliegenden Seite des Messumformers von der Kamera und verwenden Sie eine Pipette, um einen sessilen Tropfen auf die Oberfläche des Messumformers zu legen. Passen Sie den Kamerafokus und die XYZ-Position an, um die Flüssigkeitsprobe in den scharfen Fokus zu bringen, und wählen Sie eine Bildrate aus, die mindestens doppelt so groß ist wie diese Frequenz entsprechend der Nyquist-Rate, um Aliasing zu vermeiden.

Passen Sie die Lichtintensität, den Kameraauslöser oder beides an, um den Kontrast zwischen Flüssigkeit und Hintergrund zu optimieren. Dann verbinden Sie Alligator-Clips vom verstärkten Signalgenerator an die Pogo-Sonde und erfassen Sie das Phänomen, indem Sie gleichzeitig das Video in der Kamerasoftware auslösen und das Spannungssignal anwenden. Passen Sie für die Laserstreuungsanalyse der Tröpfchengröße die Laserübertragungs- und Laserempfangsmodule entlang der Schiene des Laserstreusystems mit einem Abstand von 20 bis 25 Zentimetern zwischen den beiden Modulen an.

Montieren Sie eine Plattform in diesem Spalt so, dass, wenn die Messumformer- und Flüssigkeitsversorgungsbaugruppen darauf platziert werden, zerstäubter Nebel in den Laserstrahlpfad ausgestoßen wird. Um diese Ausrichtung zu erleichtern, schalten Sie den Laserstrahl ein und wählen Sie Werkzeuge, Lasersteuerung und Laser ein. Fixieren Sie das Wandlerloch an der Plattform.

Befestigen Sie die Flüssigkeitsversorgungsbaugruppe an einem Gelenkarm. Positionieren Sie die Flüssigkeitsversorgungsbaugruppe so, dass die Spitze des Dochts nur mit der Kante des Messumformers in Kontakt ist, und verwenden Sie Alligatorclips, um die Signalquelle mit den Spikeklemmen am Wandlerhalter zu verbinden und auf ein neues Standard-Betriebsverfahren in der Laserstreusystemsoftware zu klicken. Legen Sie die Vorlage auf die Standardkontinuierlichen und den Samplingzeitraum auf 1 fest.

Klicken Sie unter Datenverarbeitung auf das Sprühprofil, um die Pfadlänge auf 20 Millimeter festzulegen. Klicken Sie auf Alarme, um die Standardwerte zu deaktivieren, und legen Sie die minimale Übertragung auf 5 und 1 % und die minimale Streuung auf 50 und 10 fest. Wenn alle Parameter festgelegt wurden, klicken Sie auf Standardbetriebsverfahren starten und wählen Sie die erstellte Prozedur aus.

Füllen Sie das Flüssigkeitsversorgungsreservoir mit Wasser bis zum gewünschten Niveau und notieren Sie das Volumen. Sobald die Messung begonnen hat, schalten Sie das Spannungssignal ein und starten Sie die Stoppuhr, sobald die Zerstäubung beginnt. Sobald das gewünschte Flüssigkeitsvolumen zerstäubt wurde, schalten Sie das Spannungssignal aus, während Sie die Stoppuhr anhalten, und zeichnen Sie das endgültige Volumen auf.

Wählen Sie im resultierenden Messhistogramm den Teil der Daten aus, in dem die Zerstäubung wie erwartet stattfand und das Signal am Empfänger stark genug war, um statistisch signifikant zu sein. Klicken Sie auf Durchschnitt und okay, um eine Verteilung basierend auf den ausgewählten Daten zu generieren. Kopieren Sie dann und die Daten in eine Textdatei und speichern Sie sie mit einem entsprechenden Dateinamen.

Die Charakterisierung dieser Geräte umfasst die Bestimmung der Resonanzfrequenz und der Oberschwingungen mit einem Impedanzanalysator. In dieser repräsentativen Analyse wurde festgestellt, dass die Grundfrequenz der Geräte nahe sieben Megahertz beträgt, wie durch die Dicke des Substrats vorhergesagt. Eine weitere Charakterisierung mit berührungslosem Laser Doppler Vibrometrie kann verwendet werden, um die Größe und Verschiebung des Substrats zu bestimmen, die in der Regel im Nanometerbereich liegt.

Darüber hinaus kann die Tröpfchenschwingung durch Hochgeschwindigkeits-Bildgebung ausgewertet und die Zerstäubungsdynamik durch Messung der Tröpfchengrößenverteilung bestimmt werden. Denken Sie daran, dass der Messumformer mit einer Dickenmodus-Resonanzfrequenz arbeiten muss, um eine Zerstäubung zu erreichen. Wenn das Gerät leistungsschwach ist, sind Sie möglicherweise nicht bei der richtigen Frequenz.

Mit diesem Protokoll als Fundament können viele Dickenmodusparameter variiert und verglichen werden, wie elektrodendicke oder seitliche Abmessungen. Nachdem dieses Protokoll mit Wasser etabliert wurde, können Dickenmodus-Wandler nun mit anderen Flüssigkeiten für Anwendungen wie Dietierung, Kühlung und Codierung von Lungenarzneimitteln verwendet werden.