Summary
La fabrication de transducteurs de mode d’épaisseur piézoélectrique par pulvérisation directe de courant des électrodes de plaque sur le niobate de lithium est décrite. En outre, un fonctionnement fiable est réalisé avec un support de transducteur et un système d’approvisionnement en liquide et la caractérisation est démontrée par l’analyse d’impédance, la vibrométrie doppler laser, l’imagerie à grande vitesse, et la distribution de la taille des gouttelettes à l’aide de la diffusion au laser.
Abstract
Nous présentons une technique pour fabriquer des dispositifs piézoélectriques simples de mode d’épaisseur utilisant le niobate de lithium (LN). Il a été démontré que ces dispositifs atomisent le liquide plus efficacement, en termes de débit par entrée de puissance, que ceux qui reposent sur les ondes de Rayleigh et d’autres modes de vibration en LN ou en titane de zirconate de plomb (PZT). L’appareil complet est composé d’un transducteur, d’un support de transducteur et d’un système d’alimentation en fluides. Les principes fondamentaux de l’atomisation acoustique des liquides ne sont pas bien connus, de sorte que des techniques pour caractériser les dispositifs et étudier les phénomènes sont également décrites. La vibrométrie Doppler laser (LDV) fournit des informations sur les vibrations essentielles à la comparaison des transducteurs acoustiques et, dans ce cas, indique si un dispositif fonctionnera bien dans les vibrations d’épaisseur. Il peut également être utilisé pour trouver la fréquence de résonance de l’appareil, bien que cette information est obtenue plus rapidement par l’analyse d’impédance. L’atomisation continue des fluides, par exemple, nécessite un contrôle minutieux du flux de fluide, et nous présentons une telle méthode avec l’imagerie à grande vitesse et les mesures de distribution de la taille des gouttelettes par diffusion au laser.
Introduction
L’atomisation des ultrasons a été étudiée pendant près d’un siècle et bien qu’il y ait beaucoup d’applications, il y a des limites dans la compréhension de la physique sous-jacente. La première description du phénomène a été faite par Wood et Loomis en 19271, et depuis lors, il ya eu des développements dans le domaine pour des applications allant de la livraison de fluides pharmaceutiques aérosols2 à l’injection de carburant3. Bien que le phénomène fonctionne bien dans ces applications, la physique sous-jacente n’est pas bien comprise4,5,6.
Une limitation clé dans le domaine de l’atomisation ultrasonique est le choix du matériau utilisé, le titane de zircone de plomb (PZT), un matériau hystéréétique sujet au chauffage7 et la contamination au plomb avec le plomb élémentaire disponible à partir des limites inter-grains8,9. La taille des grains et les propriétés mécaniques et électroniques des limites des grains limitent également la fréquence à laquelle PZT peut fonctionner10. En revanche, le niobate de lithium est à la fois sans plomb et ne présente aucune hystérèse11, et peut être utilisé pour atomiser les fluides un ordre de grandeur plus efficacement que les atomiseurs commerciaux12. La coupe traditionnelle de niobate de lithium utilisée pour le fonctionnement en mode épaisseur est la coupe de 36 degrés Y-tourné, mais la coupe de 127,86 degrés Y-rotation, X-propagation (128YX), généralement utilisé pour la génération d’ondes acoustiques de surface, a été montré pour avoir une amplitude de déplacement de surface plus élevée par rapport à la coupe de 36 degrés13 lorsqu’il est exploité en résonance et faible perte. Il a également été démontré que le fonctionnement du mode d’épaisseur offre une amélioration de l’ordre de grandeur dans l’efficacité de l’atomiseur par rapport aux autres modes de vibration13, même lors de l’utilisation de LN.
La fréquence de résonance d’un dispositif piézoélectrique fonctionnant en mode épaisseur est régie par son épaisseur t: la longueur d’onde λ = 2t/n où n = 1, 2,... est le nombre d’anti-nœuds. Pour un substrat de 500 μm d’épaisseur, cela correspond à une longueur d’onde de 1 mm pour le mode fondamental, qui peut ensuite être utilisé pour calculer la fréquence de résonance fondamentale, f = v/λ si la vitesse de l’onde, v, est connue. La vitesse du son à travers l’épaisseur de 128YX LN est d’environ 7.000 m/s, et donc f = 7 MHz. Contrairement à d’autres formes de vibration, en particulier les modes de surface, il est facile d’exciter les harmoniques de mode d’épaisseur de plus haut ordre à des fréquences beaucoup plus élevées, ici à 250 MHz ou plus, bien que seuls les modes impairs peuvent être excités par des champs électriques uniformes14. Par conséquent, la deuxième harmonique(n = 2) près de 14 MHz ne peut pas être excitée, mais la troisième harmonique à 21 MHz(n = 3) peut. La fabrication de dispositifs efficaces en mode épaisseur nécessite le dépôt d’électrodes sur les faces opposées du transducteur. Nous utilisons le courant direct (DC) pulvérisation pour accomplir cela, mais le dépôt de faisceau d’électrons et d’autres méthodes pourraient être utilisés. L’analyse de l’impédance est utile pour caractériser les dispositifs, en particulier dans la recherche des fréquences de résonance et du couplage électromécanique à ces fréquences. La vibrométrie Doppler laser (LDV) est utile pour déterminer l’amplitude et la vitesse des vibrations de sortie sans contact ni étalonnage15,et, par balayage, le LDV fournit la distribution spatiale de la déformation de surface, révélant le mode de vibration associé à une fréquence donnée. Enfin, aux fins de l’étude de l’atomisation et de la dynamique des fluides, l’imagerie à haute vitesse peut être utilisée comme technique pour étudier le développement d’ondes capillaires à la surface d’une chute sessile16,17. Dans l’atomisation, comme beaucoup d’autres phénomènes acoustofluidiques, de petites gouttelettes sont produites à un rythme rapide, plus de 1 kHz dans un endroit donné, trop rapidement pour que les caméras à grande vitesse observent avec suffisamment de fidélité et de champ de vision pour fournir des informations utiles sur une taille d’échantillon de gouttelettes suffisamment grande. La diffusion au laser peut être utilisée à cette fin, en passant les gouttelettes à travers un faisceau laser élargi pour (Mie) disperser une partie de la lumière dans la réflexion et la réfraction pour produire un signal caractéristique qui peut être utilisé pour estimer statistiquement la distribution de la taille des gouttelettes.
Il est facile de fabriquer des transducteurs de mode d’épaisseur piézoélectrique, mais les techniques requises dans la caractérisation des dispositifs et de l’atomisation n’ont pas été clairement énoncées dans la littérature à ce jour, ce qui entrave les progrès de la discipline. Pour qu’un transducteur de mode d’épaisseur soit efficace dans un dispositif d’atomisation, il doit être isolé mécaniquement de sorte que sa vibration n’est pas amortie et qu’il doive avoir un flux continu avec un débit égal au taux d’atomisation de sorte que ni la dessiccation ni l’inondation ne se produisent. Ces deux considérations pratiques n’ont pas été soigneusement abordées dans la littérature parce que leurs solutions sont le résultat de techniques d’ingénierie plutôt que de pure nouveauté scientifique, mais elles sont néanmoins essentielles à l’étude du phénomène. Nous présentons un assemblage de support de transducteur et un système d’osier liquide comme solutions. Ce protocole offre une approche systématique de la fabrication et de la caractérisation des atomiseurs pour faciliter la recherche en physique fondamentale et dans une myriade d’applications.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Fabrication de transducteur de mode d’épaisseur par pulvérisation de DC
- Préparation des gaufrettes
- Placer une gaufrette LN de 100 mm 128YX dans un plat en verre propre d’au moins 125 mm de diamètre. Sonister la plaquette dans au moins 200 mL d’acétone pendant 5 min.
- Répétez la sonication avec de l’alcool isopropyle et encore une fois avec de l’eau déionisée pendant 5 min chacune.
- Retirer l’eau visible de la surface à l’aide d’azote sec.
- Retirez complètement l’eau de la surface en plaçant la plaquette sur une plaque chauffante à 100 °C pendant 5 min. Assurez-vous qu’il y a une feuille de papier d’aluminium sur la plaque chauffante, car cela aide à dissiper l’accumulation de charge sur la plaquette.
- Dépôt d’électrodes
- Placez la plaquette dans la chambre à vide du système de dépôt de pulvérisation et pompez la chambre à 5 x 10-6 mTorr. Réglez la pression de l’argon à 2,3 mTorr et la vitesse de rotation à 13 tr/min.
REMARQUE : Si des paramètres pour l’instrument spécifique utilisé ont été établis qui donnent lieu à des films de haute qualité, utilisez-les à la place. - Déposez 5 à 10 nm de titane à 1,2−1,6 A/s.
REMARQUE : Avant de commencer ce processus avec la plaquette prévue, testez le taux de dépôt avec la puissance plasmatique réglée à 200 W et déposez pendant 1 min. Mesurez ensuite la hauteur de la couche à l’aide d’un profilomètre. Faites-le séparément pour chaque métal. Définissez la puissance selon ce critère afin d’atteindre le taux de dépôt indiqué. - Dépôt 1-1,2 μm d’or à 7−9 A/s.
REMARQUE : Les dépôts à un taux plus élevé en raison de l’augmentation de la puissance plasmatique ou de l’augmentation de la pression partielle de l’argon peuvent réduire la qualité du film. - Retirer la plaquette et répéter les étapes 1.2.1−1.2.3 pour le deuxième côté de la plaquette.
- Placez la plaquette dans la chambre à vide du système de dépôt de pulvérisation et pompez la chambre à 5 x 10-6 mTorr. Réglez la pression de l’argon à 2,3 mTorr et la vitesse de rotation à 13 tr/min.
- Dés
- Utilisez une scie à dés pour couper en dés la plaquette entière au besoin.
REMARQUE : Une résistance protectrice peut être appliquée sur le substrat avant le dés, et le système (Table des Matériaux)utilisé ici applique un film curable UV juste avant que les échantillons soient chargés sur le stade de dés. Il est constaté que le désage des échantillons avec une scie à dés automatisée ne compromet pas l’intégrité des échantillons. Le dicing de LN est possible, bien que fastidieux et sujet à des incohérences.
- Utilisez une scie à dés pour couper en dés la plaquette entière au besoin.
2. Prise de contact électrique et mécanique avec le transducteur
REMARQUE : Plusieurs méthodes sont décrites ci-dessous (étapes 2.1−2.4), et elles sont mises en évidence plus loin dans le protocole, dont la méthode est la plus appropriée pour chaque étape ultérieure.
- Placez un transducteur en dés à plat sur une plaque d’acier magnétique. Montez une sonde pogo en contact avec la plaque et une autre sonde pogo en contact avec la surface supérieure du transducteur. Par la suite, on appellera le contact pogo-plaque.
- Placez le transducteur entre deux sondes pogo. Ci-après appelé contact pogo-pogo.
- Fil de soudure à chaque face du transducteur. Ci-après appelé contact de soudure.
- Assemblez un support de transducteur personnalisé.
- Commandez les circuits imprimés personnalisés (BPC) dont les fichiers Gerber ont été fournis.
- Solder deux contacts de ressort de montage de surface(Table des matériaux) à chaque PCB personnalisé. Appuyez sur adapter les pointes dans les trous plaqués sur les BPC personnalisés de sorte qu’ils pointent les uns des autres.
- Connectez les deux BPC personnalisés avec des espaceurs et des vis de planche afin que les contacts soient juste en contact les uns avec les autres. Ajuster l’espacement avec des rondelles en plastique si nécessaire.
- Faites glisser un transducteur de 3 mm x 10 mm entre la paire intérieure de contacts. Clip les contacts externes afin qu’ils ne raccourcissent pas le circuit.
REMARQUE : La figure 1 affiche l’ensemble de l’assembly.
3. Identification de la fréquence de résonance par l’analyse d’impédance
- Assurez-vous qu’un étalonnage de port a été effectué conformément aux instructions du fabricant pour la méthode de contact spécifique utilisée.
- Connectez un transducteur au port ouvert de l’analyseur réseau (Tableau des matériaux) avec l’une des méthodes de contact décrites aux étapes 2.1−2.4.
REMARQUE : Il peut être instructif de répéter cette analyse avec plusieurs méthodes de contact électrique et de comparer les résultats. - Sélectionnez le paramètre coefficient de réflexion s11, via l’interface utilisateur de l’analyseur réseau, choisissez la plage de fréquence d’intérêt et effectuez le balayage des fréquences.
REMARQUE : s11 est le coefficient de réflexion d’entrée et a une valeur minimale à la fréquence de résonance de l’opération. Pour une plaquette LN de 500 μm d’épaisseur typique, la fréquence de résonance primaire sera proche de 7 MHz et la deuxième harmonique sera proche de 21 MHz, comme l’illustre la figure 2. L’intrigue d’impédance dans l’espace de fréquence affiché sur l’instrument exposera des minima locaux aux fréquences de résonance. - Exporter les données en sélectionnant Enregistrer/Rappel | Enregistrer les données de trace sur l’interface utilisateur pour une inspection plus approfondie à l’aide d’un logiciel de traitement de données pour identifier les emplacements de minima précis.
4. Caractérisation des vibrations via LDV
- Placez un transducteur en contact pogo-plaque sur l’étape LDV. Connectez la sonde pogo mène au générateur de signal. Assurez-vous que l’objectif utilisé est sélectionné dans le logicield’acquisition( Table des matériaux) et concentrez le microscope sur la surface du transducteur.
- Définissez les points d’analyse en sélectionnant Définir les points d’analyse ou passer à l’étape 4.3 si vous effectuez une analyse continue.
- Sélectionnez l’option Paramètres et sous l’onglet Général, sélectionnez l’option FFT ou Heure selon que l’analyse est effectuée dans le domaine de fréquence ou de temps. Sélectionnez le nombre de moyennes dans cette section.
REMARQUE : Le nombre de moyennes affecte le temps d’analyse. Cinq moyennes pour les transducteurs décrites dans ce protocole ont montré qu’elles donnent un rapport signal/bruit suffisant. - Sous l’onglet Canal, vérifiez que les cases Active sont cochées, qui correspondent au signal de référence et réfléchi du transducteur. Réglez les canaux de référence et d’incident en sélectionnant une valeur de tension dans le menu déroulant afin d’obtenir une puissance maximale du signal à partir du substrat.
- Dans l’onglet Générateur, si la mesure est effectuée sous signal à fréquence unique, sélectionnez Sine dans la liste de traction waveform vers le bas ; si elle se trouve sous un signal de bande, sélectionnez MultiCarrierCW.
- Modifiez la bande passante et les lignes FFT de l’onglet Fréquence pour ajuster la résolution d’analyse d’une analyse de domaine de fréquence. De même, modifiez l’onglet Fréquence de l’exemple dans l’onglet Heure lors de l’exécution des mesures de domaine de temps.
REMARQUE : La bande passante généralement utilisée est de 40 MHz et le nombre de lignes FFT est de 32 000. Le logiciel de présentation (Table of Materials) peut être utilisé pour traiter et analyser les données obtenues à partir de l’analyse. Un spectre de déplacement typique est fourni à la figure 3.
5. Alimentation en liquide
- Obtenez une mèche de 25 mm de long et de 1 mm de diamètre composée d’un faisceau de fibres d’un polymère hydrophile conçu pour transporter le liquide aqueux sur toute sa longueur, comme ceux disponibles pour les désodorisations d’air rechargeables. Couper une extrémité de telle sorte qu’un point central hors tension est formé.
- Insérez la mèche dans une pointe de seringue avec un diamètre intérieur qui fournit un ajustement serré et une longueur qui permet à la mèche de s’étendre 1−2 mm au-delà de chaque extrémité. Verrouiller la pointe sur une seringue avec la capacité souhaitée (1−10 mL).
- Monter l’assemblage de mèche/seringue de telle sorte que la mèche soit à 10°−90° de l’horizontale (selon le taux d’atomisation souhaité, qui dépend également de la tension appliquée) et que la pointe de la mèche soit juste en contact avec le bord du transducteur comme le montre la figure 1C.
- Remplissez la seringue d’eau et appliquez un signal de tension continue (à partir de 20 Vpp) à la fréquence de résonance déterminée à l’aide de l’analyseur d’impédance. Réglez le niveau de tension jusqu’à ce que le liquide soit atomisé en continu sans que l’appareil ne s’inonde ou ne se dessèche.
6. Observation dynamique via l’imagerie à grande vitesse
- Montez rigidement une caméra à grande vitesse horizontalement sur une table optique, placez un transducteur dans le contact pogo-pogo ou le contact pogo-plaque sur une scène x-y-z près de la longueur focale de la caméra, et placez une source de lumière diffuse au moins une longueur focale sur le côté opposé du transducteur de la caméra.
- Pour le contact pogo-pogo, positionnez l’alimentation en liquide de manière à ne pas bloquer la vue de la caméra ou la source lumineuse. Pour le contact pogo-plaque, appliquer le liquide directement sur le substrat avec une pipette.
- Réglez la mise au point de la caméra et la position x-y-z pour mettre l’échantillon en évidence.
- Estimer la fréquence du phénomène spécifique à étudier en fonction de la littérature. Choisissez une fréquence d’image au moins deux fois plus grande que cette fréquence selon le taux nyquiste afin d’éviter l’aliasing.
REMARQUE : Par exemple, considérez les ondes capillaires qui se produisent sur une chute de sessile à une gamme de fréquences. Les caméras limitées dans la résolution spatiale ne peuvent distinguer les ondes qu’avec une amplitude minimale. Dans ce cas, l’amplitude minimale se produit autour de 4 kHz de sorte qu’une fréquence d’image de 8.000 images par seconde (fps) est choisie. - Réglez l’intensité lumineuse, l’obturateur de la caméra, ou les deux afin d’optimiser le contraste entre le fluide et l’arrière-plan.
REMARQUE : Un colorant opaque peut être ajouté au fluide afin d’augmenter le contraste. - Connectez les clips d’alligator du générateur de signal amplifié aux fils de pogo-sondes.
- Capturez la vidéo dans le logiciel de la caméra simultanément avec l’actionnement via le signal de tension soit en déclenchant manuellement à la fois en même temps ou en connectant une sortie de déclenchement du générateur de signal à la caméra.
REMARQUE : La fréquence d’images typique utilisée est de 8 000 fps et un objectif CF4 est utilisé. - N’enregistrez que les cadres contenant le phénomène pour éviter le stockage gaspillé, qui est particulièrement pertinent aux grandes fréquences d’images, pour produire un résultat comme indiqué à la figure 4.
REMARQUE : Assurez-vous d’enregistrer le fichier dans un format compatible avec le logiciel de traitement d’image de choix afin que des données utiles puissent être extraites.
7. Mesure de la taille des gouttelettes par analyse de diffusion au laser
- Le système de diffusion laser(Table des Matériaux)a un module qui transmet le laser et celui qui reçoit le signal laser dispersé. Placez les modules le long du rail fourni avec le système, avec un écart de 20 à 25 cm entre eux.
- Montez rigidement une plate-forme dans cet espace de telle sorte que, lorsque les assemblages de transducteur et d’alimentation en liquide sont placés sur elle, la brume atomisée sera éjectée dans la trajectoire du faisceau laser. Faciliter cet alignement en allumant le faisceau laser via la sélection des outils | Contrôle laser... | Laser sur comme un indicateur visuel.
- Fixer le support du transducteur à la plate-forme et fixer l’assemblage d’alimentation en liquide à un bras articulé (Table des matériaux). Placez l’ensemble d’alimentation en liquide de façon à ce que la pointe de la mèche soit juste en contact avec le bord du transducteur.
- Créez une procédure d’exploitation standard (SOP) dans le logiciel en cliquant sur l’icône Nouveau SOP. Configurer le SOP avec les paramètres suivants : modèle = Continu par défaut, période d’échantillonnage (s) = 0,1, sous Traitement des données,cliquez sur Modifier... et définissez le profil de pulvérisation | Longueur du chemin d’accès (mm) à 20,0, cliquez sur Alarmes pour décocher Utiliser les valeurs par défaut et définir la transmission Min (%) à 5 et 1 et définir min diffusion à 50 et 10. Laissez tous les autres paramètres par défaut.
REMARQUE : Consultez le manuel logiciel qui est venu avec l’instrument. - Démarrez la mesure dans le logiciel en cliquant sur Mesure | Démarrez SOP et sélectionnez le SOP créé à l’étape 7.4. Attendez que les étalonnages de fond soient terminés. Remplissez le réservoir d’alimentation en liquide, la seringue, avec de l’eau jusqu’au niveau souhaité et notez le volume. Allumez le signal de tension pour commencer à atomiser le fluide. Démarrez le chronomètre et démarrez la mesure en cliquant sur Démarrer.
- Le logiciel génère une distribution de taille basée sur le signal laser dispersé au récepteur en raison de la théorie mie et un algorithme de diffusion multiple. Une fois que le volume de fluide souhaité a été atomisé, éteignez le signal de tension, arrêtez le chronomètre et enregistrez le volume final, et arrêtez d’enregistrer les données en cliquant sur Stop.
REMARQUE : Le système de diffusion laser est capable de mesurer aussi peu que 1 μL de liquide et n’a pas de limite supérieure pour le volume de fluide. Le débit d’atomisation peut simplement être calculé en divisant le volume par la durée. - Dans l’histogramme de mesure, sélectionnez la partie des données au cours desquelles l’atomisation s’est produite comme prévu et le signal au récepteur était assez fort pour être statistiquement significatif. Cliquez sur Moyenne | Ok pour générer une distribution basée sur les données sélectionnées.
REMARQUE : Toutes les mesures effectuées avec cette technique sont des moyennes statistiques et, par conséquent, s’il y a trop peu de gouttelettes, le signal dispersé sera faible, et la mesure sera statistiquement insignifiante. - Enregistrer la distribution moyenne en sélectionnant la fenêtre et en cliquant sur Modifier | Copier du texte puis coller le résultat dans un fichier texte et enregistrer avec un nom approprié.
REMARQUE : Ces données de distribution peuvent maintenant être utilisées avec d’autres logiciels (p. ex., MATLAB) pour créer l’intrigue de la figure 5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Les dispositifs piézoélectriques de mode d’épaisseur ont été fabriqués à partir du niobate de lithium 128YX. La figure 1 montre un assemblage complet pour maintenir le transducteur en place avec un support de transducteur personnalisé utilisé avec le système passif de livraison de fluides développé pour l’atomisation continue. Les étapes de caractérisation de ces dispositifs comprennent la détermination de la fréquence de résonance et des harmoniques à l’aide d’un analyseur d’impédance (figure 2). La fréquence fondamentale des appareils s’est avérée proche de 7 MHz en utilisant la technique décrite dans ce protocole, comme prédit par l’épaisseur du substrat. D’autres caractérisations des vibrations du substrat ont été effectuées à l’aide de mesures de vibromètre Doppler laser sans contact. Ces mesures déterminent l’ampleur du déplacement du substrat et se situent généralement dans la plage nm (figure 3). L’atomisation continue est essentielle pour permettre des applications pratiques des dispositifs de mode d’épaisseur, et cela a été démontré par le développement d’un système passif de livraison de fluide au substrat. Enfin, deux techniques ont été décrites pour observer la dynamique des vibrations et de l’atomisation des gouttelettes en effectuant l’imagerie à grande vitesse et en mesurant la distribution de la taille des gouttelettes, comme le montrent la figure 4 et la figure 5.
Figure 1 : L’ensemble de l’ensemble d’un support de transducteur personnalisé. (A) Les positions du support du transducteur et de l’assemblage d’alimentation en liquide sont chacune contrôlées avec des bras articulés de telle sorte que la pointe de la mèche soit juste en contact avec le bord du transducteur. L’encart (B) révèle la nature du contact électrique et mécanique avec les électrodes transducteurs. L’encart (C) révèle la nature du contact entre le bord du transducteur et la mèche fluide. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : Les valeurs réelles desparamètres de diffusion s11 mesurées sur une plage de 1−25 MHz pour un dispositif de niobate de lithium YX de 127,86°, indiquant la présence d’un pic de résonance à environ 7 MHz. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3 : Un balayage multi-porteur et FFT avec 5 moyennes à chaque point a été effectué sur 9 par 9 points d’analyse définis dans une zone de 0,6 par 0,6 mm dans la plage de fréquences 5−25 MHz. Le déplacement signalé est le déplacement maximal moyen sur tous les points. Le mode d’épaisseur fondamentale pour 0,5 mm d’épaisseur LN peut être vu à 7 MHz, et une seconde harmonique plus faible est présente à ~21 MHz. Remarquez qu’il ya plusieurs pics étroits à chaque résonance en raison de l’interférence avec les modes latéraux. Les scans multi-porteurs propagent l’entrée de tension, de sorte que le déplacement ici n’est pas une mesure précise des performances de l’appareil. Pour une telle mesure, il est recommandé d’effectuer un balayage à une fréquence à la fréquence de résonance et avec des tensions pertinentes pour l’application. Par exemple, ce transducteur de mode d’épaisseur de 10 mm x 5 mm produit une amplitude max de 5 nm à 45 Vpp lorsqu’il est conduit à 6,93 MHz. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4 : L’apparition d’ondes capillaires sur une goutte d’eau de 2 μL est indiquée par une vidéo de 8 000 fps de l’interface fluide; la baisse est entraînée par un transducteur en mode épaisseur entraîné à 6,9 MHz, montrant le décalage horaire significatif entre la réponse hydrodynamique et l’excitation acoustique. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 5 : La distribution de la taille des gouttelettes est généralement mesurée en fraction de volume par rapport au diamètre de la gouttelette, comparant ici (A) un nébuliseur commercial et (B) un dispositif de mode d’épaisseur LN, tous deux utilisant de l’eau. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 1 : Une comparaison des spectres d’analyse de l’impédance pour le même transducteur avec deux formes différentes de contact électrique (pogo-plate, pogo-pogo et support de transducteur) montre des différences significatives dans les valeurs des paramètres de diffusion s11. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Film 1 : Mode vibration LDV de 5 mm x 5 mm transducteur carré. Veuillez cliquer ici pour voir cette vidéo. (Cliquez avec le bouton droit pour télécharger.)
Film 2 : Modes de vibration LDV de 3 mm x 10 mm transducteur. Il s’agit d’approximations proches des modes d’épaisseur sans présence de modes latéraux significatifs. Veuillez cliquer ici pour voir cette vidéo. (Cliquez avec le bouton droit pour télécharger.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Les dimensions et le rapport d’aspect d’un transducteur affectent les modes de vibration qu’il produit. Parce que les dimensions latérales sont finies, il existe toujours des modes latéraux en plus des modes d’épaisseur souhaités. Les méthodes LDV ci-dessus peuvent être utilisées pour déterminer les modes dominants dans la plage de fréquence souhaitée pour un transducteur donné. Un carré de dimensions inférieures à 10 mm donne généralement une approximation proche d’un mode d’épaisseur. Les rectangles de trois par dix millimètres fonctionnent également bien. Le film 1 et le film 2 montrent des balayages de la zone LDV du carré et des transducteurs de 3 mm x 10 mm indiquant qu’ils sont proches du mode épaisseur. Ceux-ci ont été déterminés empiriquement plutôt que choisis par simulation et conception, bien que de telles méthodes pourraient être utilisées pour trouver des dimensions latérales idéales.
La méthode de contact électrique et mécanique avec le transducteur affecte également les vibrations qu’il produit car ce sont les conditions limites auxquelles la plaque piézoélectrique est soumise. Nous avons inclus un spectre d’impédance pour trois techniques de mesure : pogo-plaque, pogo-pogo, et support de transducteur comme comparaison dans la figure supplémentaire 1. De toute évidence, les emplacements de pointe de résonance ne sont pas changés dans ce cas par nos choix de contact. Nous notons que le contact mécanique entre le transducteur et une surface de plaque atténue les vibrations rendant l’atomisation moins efficace. Le contact pogo-plaque est utilisé dans le cas des mesures LDV, parce que c’est le moyen le plus simple d’obtenir une surface plane et stationnaire sur laquelle se concentrer le laser.
L’assemblage d’alimentation en liquide décrit ici repose sur l’action capillaire et la gravité pour réapprovisionner passivement le transducteur avec un mince film d’eau comme il est atomisé loin. La vibration du transducteur produit un effet acoustowetting qui peut être suffisant pour créer un film mince et éviter les inondations, mais dans certains cas, un traitement hydrophile sera nécessaire sur la surface du transducteur. Si l’atomisation continue n’est pas réalisée, c’est la voie la plus probable pour résoudre le problème.
Les mesures ont été effectuées avec un vibromètre à très haute fréquence (Tableau des matériaux)ici, mais d’autres LDV peuvent être utilisés. Le contact électrique peut être fait en souder un fil à chaque face du transducteur, bien que la soudure puisse modifier de manière significative les fréquences de résonance et les modes du transducteur. Une autre technique consiste à placer le transducteur sur une base métallique et à utiliser des sondes de contact à ressort « pogo » pressées en contact sur la face supérieure de l’élément transducteur piézoélectrique pendant qu’il se trouve à plat sur la scène, utile lorsqu’une grande surface doit être numérisée. Une mesure précise des fréquences de résonance est importante pour actionner efficacement le transducteur et maximiser le débit d’énergie pour le mouvement mécanique à ces fréquences. Une analyse de fréquence utilisant le LDV fournit ces informations, mais nécessite un long temps, de l’ordre de dizaines de min. Un analyseur d’impédance peut déterminer les fréquences de résonance beaucoup plus rapidement, souvent moins d’une minute. Cependant, contrairement au LDV, la mesure basée sur l’impédance ne fournit pas d’informations sur l’amplitude des vibrations aux fréquences de résonance, ce qui est important pour déterminer l’atomisation des fluides à partir de la surface du transducteur.
Bien que la vibration du substrat se produise dans le régime de 10 à 100 MHz, la dynamique des fluides en contact avec le substrat se produit à des échelles de temps beaucoup plus lentes. Par exemple, les ondes capillaires à la surface d’une chute de sessile sont observables à 8 000 fps, en supposant que la résolution spatiale de la caméra peut distinguer l’amplitude d’une crête d’onde et que la fréquence d’intérêt des ondes est inférieure à 2 000 Hz. L’agencement de la caméra décrit ci-dessus les images transmettait la lumière et est donc bon pour observer le contour des objets qui transmettent la lumière différemment que l’air. Si elle est insuffisante, un dispositif de lumière réfléchie ou fluorescente peut être nécessaire. Le temps d’exposition pour chaque image diminue à mesure que la fréquence d’images est augmentée, de sorte que l’intensité lumineuse doit être augmentée en conséquence. La lentille objective doit être choisie en fonction de l’échelle de longueur du phénomène à l’étude, mais le protocole ci-dessus fonctionnera avec n’importe quel grossissement couramment disponible. À titre d’exemple, la figure 4 a été obtenue avec la méthode vidéo haute vitesse ci-dessus. Le contraste à l’interface de chute permettrait à ces images d’être segmentées dans les logiciels (ImageJ et MATLAB) de sorte que la dynamique de l’interface peut être suivie au fil du temps.
Dans l’équipement de dimensionnement des gouttelettes utilisé dans ce protocole(Table des matériaux), l’optiquelaser et les détecteurs de diffusion sont relativement standard, mais le logiciel est propriétaire et complexe. En plus de la théorie de Mie, les événements de dispersion multiples rendent la taille des gouttelettes et les calculs d’énumération beaucoup plus difficiles. La théorie de Mie suppose que la plupart des photons ne sont dispersés qu’une seule fois, mais lorsque les gouttelettes sont densément espacées, c’est-à-dire que l’espacement entre les gouttelettes n’est pas beaucoup plus grand que les gouttelettes elles-mêmes, et que la prune de pulvérisation couvre une zone d’une grande taille, alors cette hypothèse échoue18. À titre d’exemple de dépannage des résultats de cet instrument, considérons la figure 5. Notez que le pic de 0,5 mm de diamètre apparaît dans les deux distributions. Le nébuliseur commercial est connu pour produire des gouttelettes de monodisperse près de 10 μm, de sorte que le pic plus grand est probablement soit un faux résultat en raison de la grande quantité d’événements multi-dispersion ou l’agglomération de petites gouttelettes dans le spray. Cela implique que le grand pic dans la distribution du mode d’épaisseur peut également être un faux résultat. Cela peut être directement vérifié par la vidéo à grande vitesse: ces grosses gouttelettes seraient facilement visibles, mais elles ne sont pas observées dans ce cas.
L’analyse de la taille des particules de diffusion au laser peut également être difficile lorsque le signal de diffusion devient faible. Cela est généralement dû à un faible taux d’atomisation ou quand une partie de la pulvérisation ne passe pas par la trajectoire laser. Un vide faible peut être utilisé pour dessiner la brume atomisée complète à travers le faisceau laser élargi de l’équipement dans les cas où il serait autrement échapper à la mesure. Pour un contrôle encore plus grand des conditions de pulvérisation, une chambre d’humidité peut être installée autour de la trajectoire du faisceau laser, mais cela n’est pas nécessaire.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs sont reconnaissants à l’Université de Californie et à l’installation NANO3 de l’UC San Diego pour la fourniture de fonds et d’installations à l’appui de ce travail. Ces travaux ont été réalisés en partie à la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) de l’UCSD, membre de la National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, qui est soutenue par la National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). Les travaux présentés ici ont été généreusement soutenus par une subvention de recherche de la Fondation W.M. Keck. Les auteurs sont également reconnaissants pour le soutien de ce travail par le Bureau de la recherche navale (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).
