Fabricación y caracterización de dispositivos piezoeléctricos en modo de espesor para atomización y acoustofluídicos

Estas técnicas se pueden utilizar para responder preguntas sobre la frecuencia de resonancia, la excitación del modo vibratorio, la amplitud de vibración y el rendimiento de los transductores con estas características como atomizadores. Con la información proporcionada por estos análisis, es posible cuantificar rigurosamente los efectos de variables independientes y experimentos que involucran transductores de modo de espesor. Esta técnica permite el desarrollo de dispositivos que se pueden utilizar para atomizar fármacos para el tratamiento de enfermedades respiratorias como la neumonía.

Estos métodos son útiles para caracterizar fenómenos de atomización y se pueden aplicar al estudio de ondas capilares en la superficie de una gota. Debido a que muchos factores de la competencia deben ser equilibrados, puede ser difícil lograr la atomización continua. Ajuste la entrada de potencia, la posición de la mecha y la orientación de la mecha y observe cómo cambia el comportamiento.

Muchas de estas técnicas son fáciles de realizar después de la demostración, pero requiere cierta destreza y conciencia espacial que no se encuentran en el texto. Para montar un soporte de transductor personalizado, solde dos contactos de resorte de montaje en superficie a cada una de las dos placas de circuito impresos personalizadas y sujete los contactos exteriores para que no cortocircuiten el circuito. Presione ajustar los picos en los agujeros chapados en las tablas personalizadas de tal manera que los picos apunten lejos uno del otro.

Utilice espaciadores y tornillos de placa para conectar las dos placas de circuito personalizadas para que los contactos estén justo en contacto entre sí. Ajuste el espaciado con arandelas de plástico según sea necesario. A continuación, deslice un transductor de 3 x 10 milímetros entre el par interno de contactos.

Para identificar la frecuencia de resonancia mediante el análisis de impedancia, conecte un transductor al puerto abierto del analizador de red y seleccione el parámetro de coeficiente de reflexión S11 a través de la interfaz de usuario del analizador de red. Seleccione el rango de frecuencia de interés y realice el barrido de frecuencia. A continuación, seleccione guardar la recuperación y guarde los datos de seguimiento para exportar los datos a un programa de software de procesamiento de datos adecuado para identificar las ubicaciones mínimas precisas.

Para caracterizar la vibración por LDV, coloque un transductor en contacto con la placa pogo en la etapa LDV y conecte los cables de la sonda pogo al generador de señal. Asegúrese de seleccionar el objetivo correcto en el software de adquisición y centre el microscopio en la superficie del transductor. Seleccione definir puntos de análisis y ajustes.

Un escaneo de un solo punto proporciona al usuario amplitud de vibración en un solo punto. Para determinar el modo de vibración y la resonancia, se debe realizar una exploración de área. En la pestaña general, seleccione la opción FFT o tiempo en función de si el análisis se está realizando en el dominio de frecuencia o tiempo y establezca el número de promedios.

En la pestaña de canal, asegúrese de que las casillas activas están marcadas y ajuste los canales de referencia e incidentes para seleccionar la intensidad máxima de la señal del sustrato. En la pestaña generador, si la medición se lleva a cabo bajo señal de frecuencia única, seleccione Seno en la lista desplegable de forma de onda. Si está bajo una sola banda, seleccione MultiCarrierCW.

A continuación, en la pestaña de frecuencia, cambie el ancho de banda y las líneas FFT para ajustar la resolución de escaneado para un análisis de dominio de frecuencia. Si se realizan las mediciones del dominio de tiempo, cambie la frecuencia de la muestra en la pestaña de tiempo. Para crear el sistema de suministro de fluidos, seleccione una mecha de 25 milímetros de largo y 2 milímetros de diámetro compuesta por un haz de fibras de un polímero hidrófilo diseñado para transportar líquido de aquiescencia.

Recorte un extremo de la mecha para que forme una punta asimétrica y luego insértela en una jeringa de bloqueo Luer con la capacidad deseada, permitiendo que la mecha se extienda a 15 milímetros más allá del final. Fije una punta de jeringa en la jeringa proporcionando un ajuste ceñido alrededor de la mecha y monte el conjunto de manera que la mecha esté de 10 a 90 grados desde horizontal y la punta de la mecha esté justo en contacto con el borde del transductor. A continuación, llene la jeringa con agua.

Ajuste la tensión a cero y aplique una señal de voltaje continuo a la frecuencia de resonancia determinada mediante el analizador de impedancia. Aumente la tensión hasta que el líquido se atomice continuamente sin que el dispositivo se inunde o se seque. Si los ajustes sugeridos fallan, rugosa la superficie dorada del transductor cerca del punto de contacto de la mecha con papel de lija fino sin quitar el oro por completo.

Para observar la dinámica del dispositivo a través de imágenes de alta velocidad, monte rígidamente una cámara de alta velocidad horizontalmente en una mesa óptica y coloque un transductor en contacto con la placa pogo en un escenario XYZ cerca de la distancia focal de la cámara. Coloque una fuente de luz difusa al menos una distancia focal en el lado opuesto del transductor desde la cámara y utilice una pipeta para colocar una gota de sesil en la superficie del transductor. Ajuste el enfoque de la cámara y la posición XYZ para poner la muestra de fluido en un enfoque nítido y seleccione una velocidad de fotogramas que sea al menos el doble de grande que esta frecuencia según la velocidad de Nyquist para evitar el alias.

Ajuste la intensidad de la luz, el obturador de la cámara o ambos para optimizar el contraste entre el fluido y el fondo. A continuación, conecte los clips de cocodrilo desde el generador de señal amplificada a los cables de la sonda pogo y capture el fenómeno activando simultáneamente el vídeo en el software de la cámara y aplicando la señal de voltaje. Para el análisis de dispersión láser del tamaño de la gota, ajuste los módulos de transmisión láser y recepción láser a lo largo del riel del sistema de dispersión láser con un espacio de 20 a 25 centímetros entre los dos módulos.

Montar rígidamente una plataforma en este espacio de tal manera que cuando el transductor y los conjuntos de suministro de fluidos se colocan en él, la niebla atomizada será expulsada en la trayectoria del rayo láser. Para facilitar esta alineación, encienda el rayo láser y seleccione herramientas, control láser y láser encendido. Fije el orificio del transductor a la plataforma.

Fije el conjunto de suministro de fluidos a un brazo articulado. Coloque el conjunto de suministro de fluido de modo que la punta de la mecha esté justo en contacto con el borde del transductor y utilice clips de cocodrilo para conectar la fuente de señal a los terminales de pico en el soporte del transductor y haga clic en el nuevo procedimiento de funcionamiento estándar en el software del sistema de dispersión láser. Establezca la plantilla en continuo predeterminado y el período de muestreo en 1.

En El manejo de datos, haga clic en perfil de pulverización para establecer la longitud de la ruta en 20 milímetros. Haga clic en alarmas para desactivar el uso de los valores predeterminados y establezca la transmisión mínima en 5 y 1% y la dispersión mínima en 50 y 10. Una vez establecidos todos los parámetros, haga clic en Iniciar procedimiento operativo estándar y seleccione el procedimiento creado.

Llene el depósito de suministro de líquido con agua hasta el nivel deseado y observe el volumen. Una vez iniciada la medición, encienda la señal de voltaje e inicie el cronómetro tan pronto como comience la atomización. Una vez que el volumen de fluido deseado ha sido atomizado, apague la señal de voltaje mientras detiene el cronómetro y registre el volumen final.

En el histograma de medición resultante, seleccione la parte de los datos durante los cuales la atomización se estaba produciendo según lo esperado y la señal en el receptor fue lo suficientemente fuerte como para ser estadísticamente significativa. Haga clic en promedio y aceptar para generar una distribución basada en los datos seleccionados. A continuación, copie y los datos en un archivo de texto y guárdelos con un nombre de archivo adecuado.

La caracterización de estos dispositivos incluye la determinación de la frecuencia resonante y armónicos utilizando un analizador de impedancia. En este análisis representativo, se encontró que la frecuencia fundamental de los dispositivos era cercana a siete megahercios, como predijo el espesor del sustrato. Se puede utilizar una mayor caracterización utilizando vibrometría Doppler láser sin contacto para determinar la magnitud y el desplazamiento del sustrato, que suele estar en el rango de nanómetros.

Además, la vibración de las gotas se puede evaluar mediante imágenes de alta velocidad y la dinámica de atomización se puede determinar midiendo la distribución del tamaño de las gotas. Recuerde que para lograr la atomización, el transductor debe estar funcionando a una frecuencia de resonancia en modo de espesor. Si el dispositivo tiene un rendimiento bajo, es posible que no esté en la frecuencia correcta.

Usando este protocolo como base, muchos parámetros de modo de espesor pueden ser variados y comparados, como el espesor del electrodo o las dimensiones laterales. Una vez establecido este protocolo con agua, los transductores de modo de espesor ahora se pueden utilizar con otros fluidos para aplicaciones como la administración de fármacos pulmonares, la refrigeración y la codificación.