Summary
Lityum niyobat üzerindeki plaka elektrotlarının doğru akım püskürtmesi ile piezoelektrik kalınlık modu transdüserlerinin imalatı anlatılmaktadır. Ayrıca transdüser tutucu ve sıvı besleme sistemi ile güvenilir bir çalışma sağlanır ve epitendans analizi, lazer doppler vibrometri, yüksek hızlı görüntüleme ve lazer saçılma kullanılarak damlacık boyutu dağılımı ile karakterizasyon gösterilmiştir.
Abstract
Biz lityum niyobat (LN) kullanarak basit kalınlık modu piezoelektrik cihazlar imal etmek için bir teknik saçın. Bu tür cihazların, güç girişi başına akış hızı açısından, LN'deki Rayleigh dalgalarına ve diğer titreşim modlarına (PZT) dayananlara göre sıvıyı daha verimli bir şekilde atomize ettiği gösterilmiştir. Komple cihaz bir dönüştürücü, bir dönüştürücü tutucu ve bir sıvı besleme sisteminden oluşur. Akustik sıvı atomizasyonunun temelleri iyi bilinmemektedir, bu nedenle cihazları karakterize etme ve fenomenleri inceleme teknikleri de açıklanmıştır. Lazer Doppler vibrometri (LDV) akustik transdüserlerin karşılaştırılmasında gerekli titreşim bilgilerini sağlar ve bu durumda, bir cihazın kalınlıkta titreşimde iyi performans gösterip göstermeyeceğini gösterir. Ayrıca cihazın rezonans frekansını bulmak için de kullanılabilir, ancak bu bilgiler empedans analizi ile daha hızlı elde edilir. Sürekli sıvı atomizasyonu, örnek bir uygulama olarak, dikkatli sıvı akış kontrolü gerektirir ve lazer saçılma yoluyla yüksek hızlı görüntüleme ve damlacık boyutu dağılımı ölçümleri ile böyle bir yöntem salıyoruz.
Introduction
Ultrason atomize neredeyse bir yüzyıl için çalışılmıştır ve birçok uygulama olmasına rağmen, altta yatan fizik anlamada sınırlamalar vardır. Fenomenin ilk açıklaması Wood ve Loomis tarafından 1927 yılında yapıldı1, ve o zamandan beri aerosolize farmasötik sıvılar teslim arasında değişen uygulamalar için alanında gelişmeler olmuştur2 yakıtenjeksiyonu 3. Fenomen bu uygulamalarda iyi çalışsa da, altta yatan fizik iyi anlaşılamamıştır4,5,6.
Ultrasonik atomizasyon alanında önemli bir sınırlama kullanılan malzeme seçimidir, kurşun zirkonate titanat (PZT), ısıtma yatkın bir histeri malzeme7 ve elementel kurşun ile kurşun kontaminasyon inter-tahıl sınırları mevcut8,9. Tane boyutu ve tane sınırlarının mekanik ve elektronik özellikleri dePZT'nin 10'uçalıştırabildiği frekansı sınırlar. Buna karşılık, lityum niyobat hem kurşunsuz ve hiçbir histeri sergiler11, ve sıvılar daha verimli ticari atomizers daha verimli bir sipariş atomize için kullanılabilir12. Kalınlık modunda çalışma için kullanılan lityum niyobat geleneksel kesim 36 derece Y-döndürülmüş kesim, ancak 127.86 derece Y-döndürülen, X-propagating kesim (128YX), genellikle yüzey akustik dalga üretimi için kullanılan, rezonans ve düşük çalıştırıldığında 36 derece lik kesim13 ile karşılaştırıldığında daha yüksek bir yüzey deplasman genliği olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, kalınlık modu çalışmasının, LN kullanırken bile diğer titreşim modları13'egöre atomizer verimliliğinde büyüklük artışı sağladığı gösterilmiştir.
Kalınlık modunda çalışan bir piezoelektrik cihazın rezonans frekansı kalınlığı ttarafından yönetilir : dalga boyu λ = 2t/n nerede n = 1, 2,... anti-düğüm lerin sayısıdır. 500 μm kalınlığında bir substrat için bu, temel mod için 1 mm'lik bir dalga boyuna karşılık gelir ve bu dalga hızı biliniyorsa, f = v/λ temel rezonans frekansını hesaplamak için kullanılabilir. v 128YX LN kalınlığındases hızı yaklaşık 7.000 m/s ve f = 7 MHz'dir. Titreşim diğer formları aksine, özellikle yüzeye bağlı modları, çok daha yüksek frekanslarda yüksek sıralı kalınlık modu harmonik heyecanlandırmak için basit, burada 250 MHz veya daha fazla, ancak sadece tek numaralı modları tek tip elektrik alanları tarafından heyecanlı olabilir14. Sonuç olarak, 14 MHz'e yakın ikinci harmonik(n = 2) heyecanlı olamaz, ancak 21 MHz'deki üçüncü harmonik(n = 3) olabilir. Verimli kalınlık modu cihazlarının imalatı, elektrotların transdüserin karşıt yüzlerine birikmesini gerektirir. Bunu başarmak için doğru akım (DC) püskürtme kullanırız, ancak elektron ışını birikimi ve diğer yöntemler kullanılabilir. Empedans analizi cihazları karakterize etmek için yararlıdır, özellikle bu frekanslarda rezonans frekansları ve elektromekanik bağlantı bulma. Lazer Doppler vibrometri (LDV) temas veya kalibrasyon olmadan çıkış titreşim genliği ve hızını belirlemek için yararlıdır15, ve, tarama yoluyla, LDV yüzey deformasyonmekansal dağılımını sağlar, belirli bir frekans ile ilişkili titreşim modunu ortaya. Son olarak, atomizasyon ve akışkanlar dinamiği çalışma amacıyla, yüksek hızlı görüntüleme bir sessile damla yüzeyinde kılcal dalgaların gelişimini incelemek için bir teknik olarak istihdam edilebilir16,17. Atomizasyonda, diğer birçok akozözakışkan fenomen gibi, küçük damlacıklar da hızlı bir oranda, belirli bir yerde 1 kHz'den fazla, yüksek hızlı kameraların yeterli doğruluk ve görüş alanı yla gözlemleyebilmek için yeterince hızlı bir şekilde üretilir. Lazer saçılma bu amaçla, genişletilmiş bir lazer ışını ile damlacıkları geçirerek (Mie) damlacık boyutu dağılımını istatistiksel olarak tahmin etmek için kullanılabilecek karakteristik bir sinyal üretmek için yansıma ve kırılma Bazı ışık dağılım.
Piezoelektrik kalınlık modu dönüştürücülerinin imalatı kolaydır, ancak cihaz ve atomizasyon karakterizasyonunda gerekli teknikler literatürde bugüne kadar açıkça belirtilmemiş olup, disiplindeki ilerlemeyi engellemektedir. Bir kalınlık modu transdüserinin bir atomizasyon cihazında etkili olabilmesi için, titreşiminin sönümlenmemesi için mekanik olarak izole edilmesi ve atomizasyon hızına eşit akış hızına sahip sürekli bir akışkan beslemesine sahip olması gerekir, böylece ne kurutma ne de su baskını meydana gelir. Bu iki pratik husus literatürde tam olarak ele alınmamıştır, çünkü çözümleri saf bilimsel yenilikten ziyade mühendislik tekniklerinin bir sonucudur, ancak yine de bu fenomenin incelenmesi için kritik öneme sahiptirler. Biz çözüm olarak bir transdüser tutucu montaj ve sıvı wicking sistemi sunuyoruz. Bu protokol, temel fizik ve sayısız uygulamalarda daha fazla araştırma yapılmasını kolaylaştırmak için atomizer üretim ve karakterizasyona sistematik bir yaklaşım sunmaktadır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. DC püskürtme yoluyla kalınlık modu transdüser imalatı
- Gofret hazırlığı
- 100 mm 128YX LN gofretini en az 125 mm çapındaki temiz bir cam tabağa yerleştirin. 5 dakika boyunca en az 200 mL aseton içinde gofret sonicate.
- Izopropil alkol ve 5 dakika her biri için deiyonize su ile tekrar sonication tekrarlayın.
- Kuru azot kullanarak yüzeyden görünür su çıkarın.
- Gofretin 100 °C'de 5 dk.'ya bir ocak tabağına yerleştirerek yüzeydeki suyu tamamen çıkarın.
- Elektrot birikimi
- Sputter biriktirme sisteminin vakum odasına gofret yerleştirin ve 5 x 10-6 mTorr için oda aşağı pompalayın. Argon basıncını 2,3 mTorr'a, dönüş hızını ise 13 rpm'e ayarlayın.
NOT: Kullanılan belirli bir aletin parametreleri yüksek kaliteli filmlerile sonuçlanmışsa, bunun yerine bunları kullanın. - 1.2−1.6 A/s titanyum 5−10 nm mevduat.
NOT: Bu işleme amaçlanan gofret le başlamadan önce, 200 W'a ayarlanan plazma gücü ve 1 dk yatırma ile biriktirme oranını test edin. Daha sonra bir profilometre ile katmanın yüksekliğini ölçün. Bunu her metal için ayrı ayrı yapın. Belirtilen biriktirme oranını elde etmek için gücü bu teste göre ayarlayın. - 7−9 A/s'de 1-1,2 μm altın yatırın.
NOT: Artan plazma gücü veya artan argon kısmi basıncı nedeniyle daha yüksek oranda birikme film kalitesini düşürebilir. - Gofretin ikinci tarafı için gofret ve yineleme adımlarını 1.2.1−1.2.3'ü çıkarın.
- Sputter biriktirme sisteminin vakum odasına gofret yerleştirin ve 5 x 10-6 mTorr için oda aşağı pompalayın. Argon basıncını 2,3 mTorr'a, dönüş hızını ise 13 rpm'e ayarlayın.
- Dicing
- Gerektiği gibi tüm gofret zar için bir doğrama testere kullanın.
NOT: Dikitlemeden önce substrata koruyucu bir direnç uygulanabilir ve burada kullanılan sistem(Malzeme Tablosu)numuneler dikit aşamasına yüklenmeden hemen önce UV kürlenebilir bir film uygular. Numunelerin otomatik bir doğrama testeresiyle doğranması, numunelerin bütünlüğünü tehlikeye atmaz. LN el-scribe doğrama mümkündür, sıkıcı ve tutarsızlıklara eğilimli olsa da.
- Gerektiği gibi tüm gofret zar için bir doğrama testere kullanın.
2. Transdüser ile elektriksel ve mekanik temas
NOT: Aşağıda çeşitli yöntemler açıklanmıştır (adım 2.1−2.4) ve daha sonra protokolde sonraki her adım için en uygun yöntem vurgulanır.
- Manyetik çelik plaka üzerine doğranmış bir transdüser düz yerleştirin. Plakayla temas eden bir pogo-prob ve transdüserin üst yüzeyiyle temas eden başka bir pogo-prob. Bundan sonra bu pogo plaka temas olarak anılacaktır.
- Transdüseri iki pogo-prob arasına yerleştirin. Bundan sonra pogo-pogo temas olarak anılacaktır.
- Transdüserin her yüzüne lehim teli. Bundan sonra lehim teması olarak adlandırılır.
- Özel bir dönüştürücü tutucu monte edin.
- Gerber dosyaları sağlanmış özel baskılı devre kartları (PCB'ler) sipariş edin.
- Lehim iki yüzey montaj yay kontaklar(Tablo Malzemeler)her özel PCB için. Pres, sivri uçları birbirlerinden uzağa işaret eden özel PCB'ler üzerindeki kaplama lı deliklere sığdırın.
- İki özel PCB'yi, kontakların birbiriyle temas halinde olması için tahta boşlukve vidalarla bağlayın. Gerekirse plastik yıkıcılarla aralığı ayarlayın.
- 3 mm x 10 mm'lik bir transdüseri iç kontak çifti arasına kaydırın. Devreyi kısaltmamak için dış kontakları kırpın.
NOT: Şekil 1 tüm derlemeyi gösterir.
3. Empedans analizi ile rezonans frekansı tanımlama
- Kullanılan özel temas yöntemi için üreticinin talimatlarına uygun bir bağlantı noktası kalibrasyonu gerçekleştirildiğinden emin olun.
- 2.1−2.4 adımlarında açıklanan iletişim yöntemlerinden biriyle ağ çözümleyicisinin(Malzeme Tablosu)açık bağlantı noktasına bir dönüştürücü bağlayın.
NOT: Bu analizi birden fazla elektriksel temas yöntemiyle tekrarlamak ve sonuçları karşılaştırmak öğretici olabilir. - Yansıma katsayısı parametresini seçin, s11, ağ çözümleyicisinin kullanıcı arabirimi üzerinden, ilgi frekans aralığını seçin ve frekans süpürme gerçekleştirin.
NOT: s11 giriş yansıma katsayısıdır ve rezonans frekansında minimum değere sahiptir. Tipik bir 500 μm kalınlığında 128YX LN gofret için, birincil rezonans frekansı 7 MHz'e yakın olacak ve ikinci harmonik Şekil 2'degösterildiği gibi 21 MHz'e yakın olacaktır. Cihazda görüntülenen frekans uzayında empedans çizimi rezonans frekanslarında yerel minima sergileyecek. - Kaydet/Geri Çekme | Kesin minima konumlarını belirlemek için veri işleme yazılımını kullanarak daha yakın inceleme için Trace Verilerini kullanıcı arabirimine kaydedin.
4. LDV ile titreşim karakterizasyonu
- LDV aşamasında pogo plakalı kontağa bir dönüştürücü yerleştirin. Pogo-sondasını sinyal jeneratörüne bağlayın. Kullanımdaki amacın satın alma yazılımında(Malzeme Tablosu)seçildiğinden emin olun ve mikroskobu dönüştürücünün yüzeyine odakla.
- Taşma yı tanımla'yı seçerek taşma noktalarını tanımlayın veya sürekli bir tarama yapıyorsanız adım 4.3'e geçin.
- Ayarlar seçeneğini seçin ve Genel sekmesinin altında, taramanın frekans veya zaman etki alanında mı gerçekleştirildiğine bağlı olarak FFT veya Saat seçeneğini seçin. Bu bölümdeki ortalama sayısını seçin.
NOT: Ortalamasayısı tetkik süresini etkiler. Bu protokolde tanımlanan dönüştürücüler için beş ortalamayeterli sinyal/gürültü oranı verebilmiştir. - Kanal sekmesinde, transdüserden gelen referans ve yansıyan sinyale karşılık gelen Etkin kutuların işaretlendiğinden emin olun. Alt tabakadan maksimum sinyal mukavemeti elde etmek için açılan menüden bir voltaj değeri seçerek referans ve olay kanallarını ayarlayın.
- Jeneratör sekmesinde, ölçüm tek frekanslı sinyal altında yapılıyorsa, Waveform çekme listesinden Sine'yi seçin; bir bant sinyali altında ise, MultiCarrierCWseçin.
- Frekans etki alanı tonu için tetkik çözünürlüğünü ayarlamak için Frekans sekmesindeki bant genişliğini ve FFT çizgilerini değiştirin. Benzer şekilde, zaman etki alanı ölçümleri yaparken Zaman sekmesindeki Örnek Sıklığını değiştirin.
NOT: Genellikle kullanılan bant genişliği 40 MHz ve FFT hatlarının sayısı 32.000'dir. Sunum yazılımı(Tablo Malzemeler)tarayıp, tarayıp, tarayıp, analiz etmek için kullanılabilir. Tipik bir yer değiştirme spektrumu Şekil 3'teverilmiştir.
5. Sıvı beslemesi
- 25 mm uzunluğunda, 1 mm çapında fitil, plug-in hava spreyleri için mevcut olanlar gibi sulu sıvıyı uzunluğu boyunca taşımak için tasarlanmış hidrofilik polimer lifdemetlerinden oluşan bir fitil elde edin. Bir ucunu, merkez dışı bir noktanın oluşmasını sağlayacak şekilde kırpın.
- Fitili, rahat bir uyum ve fitin her ucun ötesine 1−2 mm uzatmasını sağlayan bir uzunluğa sahip bir şırınga ucuna yerleştirin. Ucu istenilen kapasiteye (1−10 mL) kilitleyin.
- Fitil/şırınga tertibatını yataydan 10°−90° olacak şekilde monte edin (aynı zamanda uygulanan voltata bağlı olarak istenilen atomizasyon hızına bağlı olarak) ve fitilin ucu Şekil 1C'degösterildiği gibi transdüserin kenarı ile temas halindedir.
- Şırıngayı suyla doldurun ve empedans analizörü kullanılarak belirlenen rezonans frekansına sürekli voltaj sinyali (20 Vpp ile başlayarak) uygulayın. Cihaz su basmadan veya kurumadan sıvı sürekli atomize olana kadar voltaj seviyesini ayarlayın.
6. Yüksek hızlı görüntüleme ile dinamik gözlemi
- Optik bir masaya yatay olarak yüksek hızlı bir kamera yerleştirin, kameranın odak uzaklığı yakınındaki bir x-y-z sahnesine pogo-pogo kontamı veya pogo-plaka temasında bir dönüştürücü yerleştirin ve kameradan transdüserin karşı tarafına en az bir odak uzaklığı yerleştirin.
- Pogo-pogo teması için sıvı kaynağını kamera görünümünü veya ışık kaynağını engellemeyin diye yerleştirin. Pogo-plaka temas için, bir pipet ile doğrudan substrat sıvı uygulayın.
- Sıvı örneğini keskin netliğe getirmek için kamera odağı ve x-y-z konumunu ayarlayın.
- Literatüre dayalı olarak çalışılacak özel fenomenin sıklığını tahmin edin. Diğer adı takma önlemek için Nyquist oranına göre bu frekanstan en az iki kat daha büyük bir kare hızı seçin.
NOT: Örneğin, çeşitli frekanslarda sessile damla üzerinde meydana gelen kılcal dalgaları düşünün. Mekansal çözünürlüğü sınırlı kameralar dalgaları yalnızca minimum genlikte ayırt edebilir. Bu durumda minimum genlik 4 kHz civarında gerçekleşir, böylece saniyede 8.000 kare (fps) kare hızı seçilir. - Sıvı ve arka plan arasındaki kontrastı optimize etmek için ışık yoğunluğunu, kamera deklanşörlerini veya her ikisini de ayarlayın.
NOT: Kontrastı artırmak için sıvıya opak bir boya eklenebilir. - Güçlendirilmiş sinyal jeneratöründen gelen timsah kliplerini pogo-prob larına bağlayın.
- Hem aynı anda hem manuel olarak tetikleyerek hem de sinyal jeneratöründen kameraya bir tetik çıkışını bağlayarak voltaj sinyali üzerinden hareket le aynı anda kamera yazılımında video yakalayın.
NOT: Kullanılan tipik kare hızı 8.000 fps ve CF4 hedefi kullanılır. - Şekil 4'te gösterildiği gibi bir sonuç üretmek için, özellikle büyük kare hızlarında ilgili olan boşa depolamayı önlemek için yalnızca fenomeni içeren çerçeveleri kaydedin.
NOT: Yararlı verilerin ayıklanabilmesi için dosyayı tercih edilen görüntü işleme yazılımıyla uyumlu bir biçimde kaydettiğinden emin olun.
7. Lazer saçılma analizi ile damlacık boyutu ölçümü
- Lazer saçılma sistemi(Tablo Malzemeler)lazer ilerler ve dağınık lazer sinyali alan bir modüle sahiptir. Modülleri, sistemle birlikte sağlanan ray boyunca, aralarında 20−25 cm boşluk bırakarak yerleştirin.
- Bu boşluğa, transdüser ve sıvı besleme meclisleri yerleştirildiğinde, lazer ışını yoluna atomize edilmiş bir sis inecek şekilde katı bir şekilde bir platform monte edin. Araçları seçerek lazer ışınıaçarak bu hizalamayı kolaylaştırın | Lazer Kontrol... | Görsel bir gösterge olarak lazer.
- Transdüser tutucuyu platforma sabitle ve sıvı besleme tertibatını mafsallı bir kola sabitle(Malzeme Tablosu). Sıvı besleme tertibatını, fitilin ucunun transdüserin kenarıile temas edebilecek şekilde yerleştirin.
- Yeni SOP simgesine tıklayarak yazılımda standart bir işletim yordamı (SOP) oluşturun. SOP'u aşağıdaki ayarlarla yapılandırın: template = Varsayılan sürekli, örnekleme dönemi (s) = 0,1, Veri işlemealtında, Düzelt... ve Sprey profilini ayarlayın | Yol uzunluğu (mm) ile 20,0, Varsayılan değerleri kullan ve Min iletimini (%) 5 ve 1 olarak ayarla ve Alarms Min saçılımı 50 ve 10'a ayarla. 10 Diğer tüm ayarları varsayılan olarak bırakın.
NOT: Cihazla birlikte gelen yazılım kılavuzuna başvurun. - Ölçü' yü tıklatarak yazılım içindeki ölçümü başlatın | SOP'u başlatın ve adım 7.4'te oluşturulan SOP'u seçin. Arka plan kalibrasyonları tamamlamak için bekleyin. Sıvı besleme haznesi olan şırıngayı istenilen seviyeye kadar suyla doldurun ve hacmine dikkat edin. Sıvıyı atomize etmeye başlamak için voltaj sinyalini açın. Kronometreyi başlatın ve Başlat'ı tıklatarak ölçümü başlatın.
- Yazılım Mie teorisi ve birden fazla saçılma algoritması nedeniyle alıcı da dağınık lazer sinyali dayalı bir boyut dağılımı oluşturur. İstenilen akışkan hacmi atomize edildikten sonra voltaj sinyalini kapatın, kronometreyi durdurun ve son sesi kaydedin ve Stop'atıklayarak veri kaydetmeyi durdurun.
NOT: Lazer saçılma sistemi 1 μL'lik sıvıyı ölçebilme yeteneğine sahiptir ve sıvı hacmi için bir üst sınırı yoktur. Atomizasyon akış hızı sadece zaman süresine hacmi bölerek hesaplanabilir. - Histogram ölçümünde, atomizasyonun beklendiği gibi meydana gelen kısmının ve alıcıdaki sinyalin istatistiksel olarak anlamlı olacak kadar güçlü olduğu kısmını seçin. Tıklayın Ortalama | Seçili verilere dayalı bir dağıtım oluşturmak için tamam.
NOT: Bu teknikle yapılan tüm ölçümler istatistiksel ortalamalardır ve bu nedenle, çok az damlacık varsa, dağınık sinyal zayıf olur ve ölçüm istatistiksel olarak önemsiz olacaktır. - Pencereyi seçip Düzenleme 'yi tıklatarak ortalama dağıtımı kaydedin | Metni kopyalayın ve sonucu bir metin dosyasına yapıştırın ve uygun bir adla kaydedin.
NOT: Bu dağıtım verileri artık şekil 5'tekiçizimi oluşturmak için diğer yazılımlarla (örneğin, MATLAB) kullanılabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Kalınlık modu piezoelektrik cihazlar 128YX lityum niyobattan imal edilmiştir. Şekil 1 sürekli atomizasyon için geliştirilen pasif sıvı iletim sistemi ile kullanılan özel bir transdüser tutucu ile yerine transdüser tutmak için tam bir montaj gösterir. Bu aygıtlar için karakterizasyon adımları bir empedans çözümleyicisi kullanarak rezonans frekansı ve harmonik belirlenmesi içerir (Şekil 2). Bu protokolde tanımlanan teknik kullanılarak cihazların temel frekansının 7 MHz'e yakın olduğu tespit edilmiştir. Substrat titreşiminin daha fazla karakterizasyonu temassız lazer Doppler vibrometre ölçümleri kullanılarak gerçekleştirildi. Bu ölçümler substrat yer değiştirme büyüklüğünü belirlemek ve genellikle nm aralığında(Şekil 3). Kalınlık modu cihazlarının pratik uygulamalarını sağlamak için sürekli atomizasyon esastır ve bu durum substrata pasif bir sıvı iletim sistemi geliştirilerek kanıtlanmıştır. Son olarak, şekil 4 ve Şekil 5'tegösterildiği gibi, yüksek hızlı görüntüleme yaparak ve damlacık boyutu dağılımını ölçerek damlacık titreşimi ve atomizasyon dinamiklerini gözlemlemek için iki teknik tanımlanmıştır.
Şekil 1: Özel bir dönüştürücü tutucunun tüm montajı. (A) Transdüser tutucunun ve sıvı besleme tertibatının konumları, fitilin ucunun transdüserin kenarı ile temas halinde olduğu şekilde eklemli kollarla kontrol edilir. Inset (B) transdüser elektrotlar ile elektriksel ve mekanik temas doğasını ortaya koymaktadır. Inset (C) transdüser kenarı ve sıvı fitil arasındaki temas doğasını ortaya koymaktadır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: 127,86° YX lityum niyobat cihazı için 1−25 MHz aralığında ölçülen gerçek s11 saçılma parametresi değerleri, yaklaşık 7 MHz'de bir rezonans zirvesinin varlığını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: 5−25 MHz frekans aralığında 0,6 x 0,6 mm'lik bir alanda tanımlanan 9'un üzerinde, her noktada 5 ortalamaya sahip çok taşıyıcılı, FFT tarası yapıldı. Bildirilen yer değiştirme, tüm noktalar üzerinde ortalama en yüksek yer değiştirmedir. 0,5 mm kalınlığındal LN için temel kalınlık modu 7 MHz görülebilir, ve daha zayıf bir ikinci harmonik ~ 21 MHz mevcuttur. Çok taşıyıcılı taramalar voltaj girdisini yayabilir, bu nedenle buradaki yer değiştirme cihazın performansının doğru bir ölçüsü değildir. Böyle bir ölçüm için rezonans frekansında ve uygulama ile ilgili gerilimlerde tek frekanslı bir tarar. Örneğin, bu 10 mm x 5 mm kalınlık modu transdüser 6,93 MHz'de sürüldüğünde 45 Vpp'de 5 nm max genlik üretir.
Şekil 4: 2 μL su damlası üzerindeki kılcal dalgaların başlangıcı sıvı arabiriminin 8.000 fps'lik videosu yla gösterilir; Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Damlacık boyutu dağılımı genellikle damlacık çapı ile bir hacim fraksiyonu olarak ölçülür, burada karşılaştırma (A) ticari bir nebülizör ve (B) bir LN kalınlığı modu cihaz, her ikisi de su kullanılarak. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil 1: Aynı transdüser için empedans analizi spektrumlarının iki farklı elektrik selülit formu (pogo-plaka, pogo-pogo ve transdüser tutucu) ile karşılaştırılması, s11 saçılma parametre değerlerinde önemli farklılıklar göstermektedir. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Film 1: LDV titreşim modu 5 mm x 5 mm kare transdüser. Bu videoyu izlemek için lütfen buraya tıklayın. (İndirmek için sağ tıklatın.)
Film 2: 3 mm x 10 mm transdüser LDV titreşim modları. Bunlar, önemli yanal modların varlığı olmadan kalınlık modlarına yakın yaklaşımlardır. Bu videoyu izlemek için lütfen buraya tıklayın. (İndirmek için sağ tıklatın.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bir transdüserin boyutları ve en boy oranı ürettiği titreşim modlarını etkiler. Yanal boyutlar sonlu olduğundan, istenilen kalınlık modlarına ek olarak her zaman yanal modlar vardır. Yukarıdaki LDV yöntemleri belirli bir transdüser için istenilen frekans aralığında baskın modları belirlemek için kullanılabilir. Boyutları 10 mm'nin altında olan bir kare genellikle kalınlık moduna yakın bir yaklaşım sağlar. Üç on milimetrelik dikdörtgenler de iyi çalışır. Film 1 ve Film 2, kare ve 3 mm x 10 mm transdüserlerin kalınlık moduna yakın olduğunu gösteren LDV alanını gösterir. Bu tür yöntemler ideal yanal boyutları bulmak için kullanılabilir olsa da, simülasyon ve tasarım tarafından seçilen yerine ampirik olarak tespit edilmiştir.
Transdüser ile elektriksel ve mekanik temas yöntemi, piezoelektrik plakanın tabi olduğu sınır koşulları olduğundan ürettiği titreşimleri de etkiler. Biz üç ölçüm teknikleri için bir empedans spektrumu dahil ettik: pogo-plaka, pogo-pogo, ve transdüser tutucu Ek Şekil 1bir karşılaştırma olarak . Açıkçası, rezonans tepe yerleri temas bizim seçenekleri ile bu durumda değişmez. Transdüser ve plaka yüzeyi arasındaki mekanik temasın titreşimleri azaltarak atomizasyonu daha az verimli hale getirdiğini not ediyoruz. Pogo-plaka teması LDV ölçümleri durumunda kullanılır, çünkü lazer odaklanmak için düz, sabit bir yüzey elde etmek için en basit yoludur.
Burada açıklanan sıvı besleme tertibatı, atomize olduğu için transdüseri ince bir su filmi ile pasif olarak ikmal etmek için kılcal eylem ve yerçekimine dayanır. Transdüser titreşim ince bir film oluşturmak ve sel önlemek için yeterli olabilir bir acoustowetting etkisi üretir, ancak bazı durumlarda bir hidrofilik tedavi transdüser yüzeyinde gerekli olacaktır. Sürekli atomizasyon sağlanmazise, bu sorunu çözmek için en olası yoldur.
Ölçümler burada ultra-yüksek frekanslı vibrometre(Malzeme Tablosu)ile yapıldı, ancak diğer LDV'ler kullanılabilir. Elektriksel temas transdüserin her yüzüne bir tel lehimleme tarafından yapılabilir, lehim önemli ölçüde rezonans frekansları ve transdüser modları değiştirebilirsiniz rağmen. Başka bir teknik metal bir taban üzerinde transdüser yerleştirmek ve "pogo" yay temas probları kullanmak piezoelektrik transdüser elemanın üst yüzünde temas içine basıldığında ise sahne üzerinde düz oturur, büyük bir alan taranması gerektiğinde yararlı. Rezonans frekanslarının doğru ölçümü, transdüserin verimli bir şekilde çalışması ve enerji nin bu frekanslarda mekanik hareketle en üst düzeye çıkarıolması açısından önemlidir. LDV kullanarak bir frekans tarası bu bilgileri sağlar, ancak min onlarca sırayla, uzun bir süre gerektirir. Bir empedans analizörü rezonans frekanslarını çok daha hızlı, genellikle bir dakikadan daha az belirleyebilir. Ancak, LDV aksine, empedans tabanlı ölçüm transdüser yüzeyinden sıvı atomizasyon belirlenmesinde önemli olan rezonans frekansları, titreşim genliği hakkında bilgi sağlamaz.
Substrat titreşimi 10−100 MHz rejiminde meydana gelse de, substratla temas eden sıvıların dinamiği çok daha yavaş zaman ölçeklerinde meydana gelir. Örneğin, bir sessile damla yüzeyinde kılcal dalgalar 8.000 fps gözlemlenebilir, kameranın mekansal çözünürlüğü bir dalga arması genliğini ayırt edebilirsiniz ve ilgi dalga frekansı 2.000 Hz altında olduğunu varsayarak. Yukarıda açıklanan kamera düzenlemesi ışık ileten görüntülerdir ve böylece ışığı havadan farklı bir şekilde ileten nesnelerin ana hatlarını gözlemlemek için iyidir. Yetersiz sayılsa da, yansıyan veya floresan ışık düzenlemesi gerekebilir. Kare hızı arttıkça her kare için pozlama süresi azalır, böylece ışık yoğunluğu buna göre artırılmalıdır. Objektif lens, incelenen fenomenin uzunluk ölçeğine göre seçilmelidir, ancak yukarıdaki protokol yaygın olarak bulunan herhangi bir büyütme ile çalışacaktır. Örnek olarak, Şekil 4 yukarıdaki yüksek hızlı video yöntemi ile elde edildi. Açılan arabirimdeki kontrast, bu çerçevelerin yazılım (ImageJ ve MATLAB) olarak bölümlere ayrılabilmesine izin verir, böylece arabirim dinamikleri zaman içinde izlenebilir.
Bu protokolde kullanılan damlacık boyutlandırma ekipmanında(Malzeme Tablosu),lazer optik ve saçılma dedektörleri nispeten standarttır ancak yazılım tescilli ve karmaşıktır. Mie teorisine ek olarak, birden fazla saçılma olayı damlacık boyutu ve numaralandırma hesaplamalarını çok daha zor hale getirmektedir. Mie teorisi en fotonların sadece bir kez dağınık olduğunu varsayar, ama damlacıkları yoğun aralıklı olduğunda, yani, damlacıklar arasındaki boşluk damlacıkları kendilerini çok daha büyük değildir, ve sprey erik bir suefficiently büyük bir alanı kapsar, o zaman bu varsayım başarısız18. Bu araçtan gelen sorun giderme sonuçlarına örnek olarak Şekil 5'igöz önünde bulundurun. Her iki dağılımda da 0,5 mm çapındaki tepe noktasının göründüğüne dikkat edin. Ticari nebülizör 10 μm'ye yakın monodisperse damlacıklar ürettiği bilinmektedir, bu nedenle büyük tepe büyük miktarda çok saçılma olayları veya sprey içinde küçük damlacıkların aglomerasyonu nedeniyle yanlış bir sonuç olabilir. Bu, kalınlık modu dağılımındaki büyük tepe noktasının da yanlış bir sonuç olabileceği anlamına gelir. Bu doğrudan yüksek hızlı video ile doğrulanabilir: bu tür büyük damlacıklar kolayca görülebilir, ancak bu durumda gözlenmez.
Lazer saçılma parçacık boyutu analizi de saçılma sinyali zayıf olduğunda zor olabilir. Bu genellikle düşük atomizasyon oranı nedeniyle veya sprey parçası lazer yolu geçmiyor. Zayıf bir vakum aksi takdirde ölçüm kaçacak durumlarda ekipman genişletilmiş lazer ışını ile tam atomize sis çizmek için kullanılabilir. Püskürtme koşullarının daha fazla kontrol için lazer ışını yolunun etrafına bir nem haznesi kurulabilir, ancak bu gerekli değildir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Yazarlar California Üniversitesi ve UC San Diego nano3 tesisi için fon ve bu çalışmayı destekleyen tesislerin sağlanması için müteşekkir. Bu çalışma kısmen, Ulusal Bilim Vakfı (Grant ECCS−1542148) tarafından desteklenen Ulusal Nanoteknoloji Eşgüdümlü Altyapı üyesi UCSD'nin San Diego Nanoteknoloji Altyapısı'nda (SDNI) gerçekleştirilmiştir. Burada sunulan çalışma, W.M. Keck Vakfı'nın araştırma bursu ile cömertçe desteklenmiştir. Yazarlar da Deniz Araştırma Ofisi (Grant 12368098 ile) tarafından bu çalışmanın desteği için müteşekkir.
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).
