Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie i charakterystyka urządzeń piezoelektrycznych w trybie grubości do atomizacji i akustofluidyki

DOI:

10.3791/61015

⸱

5 sierpnia 2020

 ,  , 
1Medically Advanced Devices Laboratory, Center for Medical Devices, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Jacobs School of Engineering and Department of Surgery, School of Medicine, University of California San Diego, 2Department of Surgery, School of Medicine, University of California San Diego

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Opisano wytwarzanie piezoelektrycznych przetworników grubości poprzez rozpylanie elektrod płytkowych prądem stałym na niobianie litu. Dodatkowo, niezawodna praca jest osiągana dzięki uchwytowi przetwornika i systemowi zasilania płynem, a charakteryzacja jest demonstrowana za pomocą analizy impedancji, laserowej wibrometrii dopplerowskiej, szybkiego obrazowania i rozkładu wielkości kropel za pomocą rozpraszania laserowego.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Prezentujemy technikę wytwarzania prostych urządzeń piezoelektrycznych w trybie grubości przy użyciu niobianu litu (LN). Wykazano, że takie urządzenia rozpylają ciecz bardziej efektywnie, pod względem natężenia przepływu na moc wejściową, niż te, które opierają się na falach Rayleigha i innych trybach wibracji w LN lub tytanianie cyrkonianu ołowiu (PZT). Kompletne urządzenie składa się z przetwornika, uchwytu przetwornika i układu zasilania płynem. Podstawy akustycznej atomizacji cieczy nie są dobrze znane, dlatego opisano również techniki charakterystyki urządzeń i badania zjawisk. Laserowa wibrometria dopplerowska (LDV) dostarcza informacji o drganiach niezbędnych do porównania przetworników akustycznych i w tym przypadku wskazuje, czy urządzenie będzie dobrze działać pod względem drgań o dużej grubości. Może być również używany do znajdowania częstotliwości rezonansowej urządzenia, chociaż informacje te uzyskuje się szybciej poprzez analizę impedancji. Ciągła atomizacja płynów, jako przykładowe zastosowanie, wymaga starannej kontroli przepływu płynu, a my przedstawiamy taką metodę z szybkim obrazowaniem i pomiarami rozkładu wielkości kropel za pomocą rozpraszania laserowego.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Atomizacja ultradźwiękowa jest badana od prawie stu lat i chociaż istnieje wiele zastosowań, istnieją ograniczenia w zrozumieniu leżącej u podstaw fizyki. Pierwszy opis tego zjawiska został opracowany przez Wooda i Loomisa w 1927 roku1, i od tego czasu nastąpił rozwój w tej dziedzinie dla zastosowań od dostarczania płynów farmaceutycznych w aerozolu2 do wtrysku paliwa3. Chociaż zjawisko to działa dobrze w tych aplikacjach, leżąca u jego podstaw fizyka nie jest dobrze poznana4,5,6.

Kluczowym ograniczeniem w dziedzinie atomizacji ultradźwiękowej jest wybór użytego materiału, tytanianu cyrkonianu ołowiu (PZT), materiału histeretycznego podatnego na nagrzewanie7 oraz zanieczyszczenia ołowiem pierwiastkowym dostępnym z granic międzyziarnistych8,9. Wielkość ziaren oraz właściwości mechaniczne i elektroniczne granic ziaren również ograniczają częstotliwość, z jaką PZT może działać10. Natomiast niobian litu jest zarówno bezołowiowy, jak i nie wykazuje histerezy11 i może być używany do rozpylania płynów o rząd wielkości wydajniej niż komercyjne atomizery12. Tradycyjne cięcie niobianu litu używane do pracy w trybie grubości to cięcie obrócone o 36 stopni w kształcie litery Y, ale wykazano, że cięcie obrócone w Y o 127,86 stopnia, propagujące się w kształcie litery X (128YX), zwykle używane do generowania powierzchniowej fali akustycznej, ma wyższą amplitudę przemieszczenia powierzchni w porównaniu z cięciem pod kątem 36 stopni13 podczas pracy w rezonansie i niskich stratach. Wykazano również, że praca w trybie grubości oferuje o rząd wielkości poprawę wydajności rozpylacza w porównaniu z innymi trybami wibracji13, nawet przy użyciu LN.

Częstotliwość rezonansowa urządzenia piezoelektrycznego działającego w trybie grubości zależy od jego grubości t: długość fali λ = 2t/n, gdzie n = 1, 2,... to liczba antywęzłów. W przypadku podłoża o grubości 500 μm odpowiada to długości fali 1 mm dla modu podstawowego, którą można następnie wykorzystać do obliczenia podstawowej częstotliwości rezonansowej, f = v/λ, jeśli znana jest prędkość fali, v. Prędkość dźwięku przez grubość 128YX LN wynosi około 7 000 m/s, a więc f = 7 MHz. W przeciwieństwie do innych form wibracji, szczególnie modów powierzchniowych, łatwo jest wzbudzić harmoniczne trybu o wyższej grubości do znacznie wyższych częstotliwości, tutaj do 250 MHz lub więcej, chociaż tylko mody o numerach nieparzystych mogą być wzbudzane przez jednorodne pola elektryczne14. W związku z tym druga harmoniczna (n = 2) w pobliżu 14 MHz nie może być wzbudzona, ale trzecia harmoniczna przy 21 MHz (n = 3) może. Wytwarzanie wydajnych urządzeń w trybie grubości wymaga osadzania elektrod na przeciwległych powierzchniach przetwornika. Aby to osiągnąć, używamy rozpylania prądem stałym (DC), ale można zastosować osadzanie wiązką elektronów i inne metody. Analiza impedancji jest przydatna do scharakteryzowania urządzeń, szczególnie w znalezieniu częstotliwości rezonansowych i sprzężenia elektromechanicznego przy tych częstotliwościach. Laserowa wibrometria dopplerowska (LDV) jest przydatna do określania wyjściowej amplitudy i prędkości drgań bez kontaktu lub kalibracji15, a poprzez skanowanie LDV zapewnia przestrzenny rozkład deformacji powierzchni, ujawniając tryb drgań związany z daną częstotliwością. Wreszcie, w celu badania atomizacji i dynamiki płynów, obrazowanie z dużą prędkością może być wykorzystane jako technika badania rozwoju fal kapilarnych na powierzchni siedzącego drop16,17. Podczas atomizacji, podobnie jak w przypadku wielu innych zjawisk akustofluidycznych, małe kropelki są wytwarzane w szybkim tempie, ponad 1 kHz w danym miejscu, zbyt szybko, aby szybkie kamery mogły obserwować z wystarczającą dokładnością i polem widzenia, aby dostarczyć użytecznych informacji na wystarczająco dużej próbce kropel. W tym celu można zastosować rozpraszanie laserowe, przepuszczając kropelki przez rozszerzoną wiązkę laserową w celu (Mie) rozproszenia części światła w odbiciu i załamaniu w celu wytworzenia charakterystycznego sygnału, który można wykorzystać do statystycznego oszacowania rozkładu wielkości kropli.

Łatwo jest wyprodukować piezoelektryczne przetworniki o dużym natężeniu grubości, ale techniki wymagane w charakterystyce urządzeń i atomizacji nie zostały jasno opisane w literaturze do tej pory, co hamuje postęp w tej dyscyplinie. Aby przetwornik grubości był skuteczny w urządzeniu do atomizacji, musi być mechanicznie odizolowany, aby jego wibracje nie były tłumione i musi mieć ciągły dopływ płynu o natężeniu przepływu równym szybkości rozpylania, aby nie doszło do wysuszenia ani zalania. Te dwa praktyczne rozważania nie zostały dokładnie omówione w literaturze, ponieważ ich rozwiązania są wynikiem technik inżynieryjnych, a nie czystej nowinki naukowej, niemniej jednak mają one kluczowe znaczenie dla badania tego zjawiska. Jako rozwiązania przedstawiamy zespół uchwytu przetwornika i system odprowadzania płynów. Protokół ten oferuje systematyczne podejście do wytwarzania i charakteryzowania atomizerów w celu ułatwienia dalszych badań w zakresie fizyki podstawowej i niezliczonych zastosowań.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Wytwarzanie przetworników w trybie grubości za pomocą rozpylania DC

  1. Przygotowanie wafli
    1. Umieść wafel 128YX LN o średnicy 100 mm w czystym szklanym naczyniu o średnicy co najmniej 125 mm. Sonikować wafel w co najmniej 200 ml acetonu przez 5 minut.
    2. Powtórz sonikację alkoholem izopropylowym i ponownie wodą dejonizowaną przez 5 minut każde
      3. .
    3. Usuń widoczną wodę z powierzchni za pomocą suchego azotu.
    4. Całkowicie usuń wodę z powierzchni, umieszczając wafel na płycie grzejnej w temperaturze 100 °C na 5 minut. Upewnij się, że na płycie grzejnej znajduje się arkusz folii aluminiowej, ponieważ pomaga to w rozpraszaniu nagromadzonego ładunku na płytce.
  2. Osadzanie elektrod
    1. Umieść wafel w komorze próżniowej systemu napylania i przepompuj w dół komory do 5 x 10-6 mTorr. Ustaw ciśnienie argonu na 2,3 mTorr, a prędkość obrotową na 13 obr./min.
      UWAGA: Jeśli ustalono parametry dla konkretnego używanego instrumentu, które skutkują wysoką jakością filmów, należy ich użyć zamiast tego.
    2. Osadzanie 5−10 nm tytanu przy 1,2−1,6 A/s.
      UWAGA: Przed rozpoczęciem tego procesu z przeznaczoną do tego płytką należy przetestować szybkość stapiania przy mocy plazmy ustawionej na 200 W i osadzaniu przez 1 min. Następnie zmierz wysokość warstwy za pomocą profilometru. Zrób to osobno dla każdego metalu. Ustaw moc zgodnie z tym testem, aby osiągnąć podaną szybkość stapiania.
    3. Zdeponuj 1-1,2 μm złota na poziomie 7−9 A/s.
      UWAGA: Osadzanie z większą szybkością ze względu na zwiększoną moc plazmy lub zwiększone ciśnienie parcjalne argonu może obniżyć jakość filmu.
    4. Wyjmij wafel i powtórz kroki 1.2.1−1.2.3 dla drugiej strony płytki.
  3. Krojenie w kostkę
    1. Użyj piły do krojenia w kostkę, aby pokroić w kostkę całą płytkę w razie potrzeby.
      UWAGA: Rezystor ochronny można nałożyć na podłoże przed krojeniem w kostkę, a zastosowany tutaj system (Tabela materiałów) nakłada folię utwardzaną promieniami UV tuż przed załadowaniem próbek na etap krojenia w kostkę. Stwierdzono, że krojenie próbek w kostkę za pomocą automatycznej piły do krojenia w kostkę nie narusza integralności próbek. Ręczne rysowanie LN w kostkę jest możliwe, choć żmudne i podatne na niespójności.

2. Nawiązywanie kontaktu elektrycznego i mechanicznego z przetwornikiem

UWAGA: Kilka metod jest opisanych poniżej (kroki 2.1−2.4), a w dalszej części protokołu jest zaznaczone, która metoda jest najbardziej odpowiednia dla każdego kolejnego kroku.

  1. Umieść pokrojony w kostkę przetwornik płasko na magnetycznej stalowej płycie. Zamontuj jedną sondę pogo w kontakcie z płytką, a drugą sondę pogo w kontakcie z górną powierzchnią przetwornika. W dalszej części dokumentu będzie to określane mianem kontaktu z płytką pogo.
  2. Umieść przetwornik między dwiema sondami pogo. Zwany dalej kontaktem pogo-pogo.
  3. przewód do każdej powierzchni przetwornika. Zwany dalej stykiem lutowanym.
  4. Zamontuj niestandardowy uchwyt przetwornika.
    1. Zamów niestandardowe płytki drukowane (PCB), których pliki Gerber zostały dostarczone.
    2. dwa styki sprężynowe do montażu powierzchniowego (tabela materiałów) do każdej niestandardowej płytki drukowanej. Wciśnij kolce w platerowane otwory na niestandardowych płytkach drukowanych tak, aby były skierowane od siebie.
    3. Połącz dwie niestandardowe płytki PCB za pomocą przekładek i do płyty, tak aby styki stykały się ze sobą. W razie potrzeby wyreguluj odstępy za pomocą plastikowych podkładek.
    4. Wsuń przetwornik 3 mm x 10 mm pomiędzy wewnętrzną parę styków. Przytnij styki zewnętrzne, aby nie zwierały obwodu.
      UWAGA: Rysunek 1 pokazuje cały zestaw.

3. Identyfikacja częstotliwości rezonansowej za pomocą analizy impedancji

  1. Upewnij się, że kalibracja portu została przeprowadzona zgodnie z instrukcjami producenta dla konkretnej używanej metody kontaktu.
  2. Podłącz przetwornik do otwartego portu analizatora sieci (tabela materiałów) za pomocą jednej z metod kontaktu opisanych w krokach 2.1−2.4.
    UWAGA: Pouczające może być powtórzenie tej analizy z wieloma metodami kontaktu elektrycznego i porównanie wyników.
  3. Wybierz parametr współczynnika odbicia, s11, za pomocą interfejsu użytkownika analizatora sieci, wybierz interesujący Cię zakres częstotliwości i wykonaj przemiatanie częstotliwości.
    UWAGA: s11 jest wejściowym współczynnikiem odbicia i ma minimalną wartość przy częstotliwości rezonansowej pracy. Dla typowej płytki 128YX LN o grubości 500 μm, pierwotna częstotliwość rezonansowa będzie bliska 7 MHz, a druga harmoniczna będzie bliska 21 MHz, jak pokazano na Rysunek 2. Wykres impedancji w przestrzeni częstotliwości wyświetlany na instrumencie będzie wykazywał lokalne minima przy częstotliwościach rezonansowych.
  4. Wyeksportuj dane, wybierając pozycję Zapisz/Przywołaj | Zapisz dane śledzenia w interfejsie użytkownika w celu dokładniejszej kontroli za pomocą oprogramowania do przetwarzania danych w celu identyfikacji dokładnych lokalizacji minimów.

4. Charakterystyka drgań za pomocą LDV

  1. Umieść przetwornik w styku pogo-plate na stoliku LDV. Podłącz przewody sondy pogo do generatora sygnału. Upewnij się, że używany obiektyw jest wybrany w oprogramowaniu akwizycyjnym (tabela materiałów) i ustaw ostrość mikroskop na powierzchni przetwornika.
  2. Zdefiniuj punkty skanowania, wybierając opcję Definiuj punkty skanowania lub przejdź do kroku 4.3 w przypadku skanowania ciągłego.
  3. Wybierz opcję Ustawienia i na karcie Ogólne wybierz opcję FFT lub Czas, w zależności od tego, czy skanowanie jest wykonywane w dziedzinie częstotliwości, czy czasu. Wybierz liczbę średnich w tej sekcji.
    UWAGA: Liczba średnich wpływa na czas skanowania. Wykazano, że pięć średnich dla przetworników opisanych w tym protokole daje wystarczający stosunek sygnału do szumu.
  4. W zakładce Kanał upewnij się, że zaznaczone są pola Aktywne, które odpowiadają sygnałowi referencyjnemu i odbitemu od przetwornika. Dostosuj kanały odniesienia i padające, wybierając wartość napięcia z menu rozwijanego, aby uzyskać maksymalną siłę sygnału z podłoża.
  5. W zakładce Generator, jeśli pomiar jest wykonywany przy sygnale jednoczęstotliwościowym, wybierz Sinus z listy rozwijanej Waveform; jeśli jest pod sygnałem pasmowym, wybierz MultiCarrierCW.
  6. Zmień pasmo i linie FFT na karcie Częstotliwość, aby dostosować rozdzielczość skanowania dla skanowania w dziedzinie częstotliwości. Podobnie, zmień częstotliwość próbkowania w zakładce Czas podczas wykonywania pomiarów w dziedzinie czasu.
    UWAGA: Zazwyczaj używana przepustowość wynosi 40 MHz, a liczba linii FFT wynosi 32 000. Oprogramowanie do prezentacji (Table of Materials) może być wykorzystywane do przetwarzania i analizy danych uzyskanych ze skanu. Typowe widmo przemieszczenia znajduje się w Rysunek 3.

5. Zaopatrzenie w płyny

  1. Zaopatrzyć się w o długości 25 mm i średnicy 1 mm składający się z wiązki włókien hydrofilowego polimeru przeznaczonego do transportu cieczy wodnej na całej długości, takiego jak te dostępne dla odświeżaczy powietrza typu plug-in. Przytnij jeden koniec tak, aby powstał punkt poza środkiem.
  2. Włóż do końcówki strzykawki o średnicy wewnętrznej, która zapewnia dokładne dopasowanie i długości, która pozwala na wysunięcie 1-2 mm poza każdy koniec. Zablokuj końcówkę na strzykawce o żądanej pojemności (1-10 ml).
  3. Zamontuj zespół/strzykawki tak, aby znajdował się 10°−90° od poziomu (w zależności od pożądanej szybkości atomizacji, która zależy również od przyłożonego napięcia), a końcówka stykała się z krawędzią przetwornika, jak pokazano na Rysunek 1C.
  4. Napełnić strzykawkę wodą i zastosować ciągły sygnał napięciowy (zaczynając od 20 Vpp) o częstotliwości rezonansowej wyznaczonej za pomocą analizatora impedancji. Dostosuj poziom napięcia, aż ciecz będzie rozpylana w sposób ciągły bez zalania lub wysychania urządzenia.

6. Obserwacja dynamiki za pomocą szybkiego obrazowania

  1. Sztywno zamontuj szybką kamerę poziomo na stole optycznym, umieść przetwornik w styku pogo-pogo lub styku pogo-plate na stoliku x-y-z w pobliżu ogniskowej kamery i umieść rozproszone źródło światła o co najmniej jednej ogniskowej po przeciwnej stronie przetwornika niż kamera.
  2. W przypadku kontaktu pogo-pogo należy ustawić dopływ płynu tak, aby nie zasłaniał kamery view lub źródło światła. W przypadku kontaktu z płytką pogo należy nanieść płyn bezpośrednio na podłoże za pomocą pipety.
  3. Dostosuj ostrość kamery i pozycję x-y-z, aby uzyskać ostrość próbki płynu.
  4. Oszacuj częstość występowania konkretnego zjawiska, które ma być badane na podstawie literatury. Wybierz liczbę klatek na sekundę co najmniej dwa razy większą niż ta częstotliwość zgodnie z częstotliwością Nyquista, aby uniknąć aliasingu.
    UWAGA: Na przykład rozważ fale kapilarne, które występują przy opadaniu bezszypułkowym w zakresie częstotliwości. Kamery o ograniczonej rozdzielczości przestrzennej mogą rozróżniać fale tylko o minimalnej amplitudzie. W tym przypadku minimalna amplituda występuje około 4 kHz, więc wybiera się częstotliwość odświeżania 8 000 klatek na sekundę (fps).
  5. Dostosuj natężenie światła, migawkę aparatu lub oba te elementy, aby zoptymalizować kontrast między płynem a tłem.
    UWAGA: Do płynu można dodać nieprzezroczysty barwnik w celu zwiększenia kontrastu.
  6. Podłącz zaciski krokodylkowe ze wzmocnionego generatora sygnału do przewodów sond pogo.
  7. Przechwytywanie wideo w oprogramowaniu kamery jednocześnie z aktywacją za pomocą sygnału napięciowego poprzez ręczne wyzwolenie obu przycisków w tym samym czasie lub podłączenie wyjścia wyzwalającego z generatora sygnału do kamery.
    UWAGA: Typowa liczba klatek na sekundę wynosi 8 000 kl./s i używany jest obiektyw CF4.
  8. Zapisz tylko klatki zawierające to zjawisko, aby uniknąć marnowania pamięci, co jest szczególnie istotne przy dużych szybkościach klatek, aby uzyskać wynik, jak pokazano w Rysunek 4.
    UWAGA: Upewnij się, że plik został zapisany w formacie zgodnym z wybranym oprogramowaniem do przetwarzania obrazu, aby można było wyodrębnić przydatne dane.

7. Pomiar wielkości kropel za pomocą analizy rozpraszania laserowego

  1. System rozpraszania laserowego (Tabela Materiałów) składa się z modułu, który przesyła laser i modułu, który odbiera rozproszony sygnał laserowy. Moduły należy ustawić wzdłuż szyny dostarczonej z systemem, zachowując między nimi odstęp 20−25 cm.
  2. Sztywno zamontuj platformę w tej szczelinie tak, aby po umieszczeniu na niej przetwornika i zespołów doprowadzających płyn rozpylona mgła została wyrzucona na ścieżkę wiązki laserowej. Ułatw to wyrównanie, włączając wiązkę laserową, wybierając Narzędzia | Sterowanie laserem... | Laser włączony jako wskaźnik wizualny.
  3. Przymocuj uchwyt przetwornika do platformy i przymocuj zespół zasilania płynem do ramienia przegubowego (tabela materiałów). Ustaw zespół doprowadzający płyn tak, aby końcówka stykała się z krawędzią przetwornika.
  4. Utwórz standardową procedurę operacyjną (SOP) w oprogramowaniu, klikając ikonę Nowa procedura SOP. Skonfiguruj SOP z następującymi ustawieniami: szablon = Domyślny ciągły, okres próbkowania (s) = 0,1, w obszarze Obsługa danych kliknij Edytuj... i ustaw Profil natrysku | Długość ścieżki (mm) do 20,0, kliknij Alarmy, aby odznaczyć Użyj wartości domyślnych i ustaw Min transmission (%) na 5 i 1 oraz ustaw Min scattering na 50 i 10. Pozostaw wszystkie inne ustawienia jako domyślne.
    UWAGA: Zapoznaj się z instrukcją oprogramowania dołączoną do przyrządu.
  5. Rozpocznij pomiar w oprogramowaniu, klikając Zmierz | Uruchom SOP i wybierz SOP utworzony w kroku 7.4. Poczekaj na zakończenie kalibracji w tle. Napełnij zbiornik płynu, strzykawkę, wodą do żądanego poziomu i zanotuj objętość. Włącz sygnał napięcia, aby rozpocząć rozpylanie płynu. Uruchom stoper i rozpocznij pomiar, klikając przycisk Start.
  6. Oprogramowanie generuje rozkład wielkości na podstawie rozproszonego sygnału laserowego w odbiorniku dzięki teorii Mie i algorytmowi rozpraszania wielokrotnego. Po rozpyleniu żądanej objętości płynu wyłącz sygnał napięcia, zatrzymaj stoper i nagraj końcową objętość, a następnie zatrzymaj rejestrowanie danych, klikając Stop.
    UWAGA: System rozpraszania laserowego jest w stanie zmierzyć zaledwie 1 μl płynu i nie ma górnego limitu objętości płynu. Natężenie przepływu atomizacji można po prostu obliczyć, dzieląc objętość przez czas trwania.
  7. Na histogramie pomiaru wybierz część danych, podczas której atomizacja zachodziła zgodnie z oczekiwaniami, a sygnał na odbiorniku był wystarczająco silny, aby był statystycznie istotny. Kliknij opcję Średnia | Ok, aby wygenerować rozkład na podstawie wybranych danych.
    UWAGA: Wszystkie pomiary tą techniką są średnimi statystycznymi, a co za tym idzie, jeśli kropel będzie za mało, to rozproszony sygnał będzie słaby, a pomiar będzie statystycznie nieistotny.
  8. Zapisz rozkład średni, wybierając okno i klikając Edytuj | Skopiuj tekst, a następnie wklej wynik do pliku tekstowego i zapisz pod odpowiednią nazwą.
    UWAGA: Te dane rozkładu mogą być teraz używane z innym oprogramowaniem (np. MATLAB) do tworzenia wykresu w Rysunek 5.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Urządzenia piezoelektryczne w trybie grubości zostały wykonane z niobianu litu 128YX. Rysunek 1 pokazuje kompletny zestaw do utrzymywania przetwornika w miejscu z niestandardowym uchwytem przetwornika używanym z pasywnym systemem dostarczania płynów opracowanym do ciągłej atomizacji. Etapy charakterystyki tych urządzeń obejmują określenie częstotliwości rezonansowej i harmonicznych za pomocą analizatora impedancji (Rysunek 2). Stwierdzono, że częstotliwość podstawowa urzą...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wymiary i proporcje przetwornika wpływają na wytwarzane przez niego tryby drgań. Ponieważ wymiary boczne są skończone, oprócz pożądanych postaci grubości zawsze istnieją mody boczne. Powyższe metody LDV mogą być wykorzystane do wyznaczenia modów dominujących w pożądanym zakresie częstotliwości dla danego przetwornika. Kwadrat o wymiarach poniżej 10 mm zazwyczaj daje bliskie przybliżenie do trybu grubości. Dobrze sprawdzają się również prostokąty o wymiarach trzy na dziesięć milimetrów. Film 1 i F...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy są wdzięczni Uniwersytetowi Kalifornijskiemu i ośrodkowi NANO3 na UC San Diego za udostępnienie funduszy i udogodnień na wsparcie tej pracy. Prace te zostały częściowo wykonane w San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) UCSD, członka National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, która jest wspierana przez National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). Prezentowana tu praca została hojnie wsparta grantem badawczym Fundacji W.M. Keck. Autorzy są również wdzięczni za wsparcie tej pracy przez Biuro Badań Marynarki Wojennej (za pośrednictwem Granta 12368098).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
WzmacniaczAmplifier Research, Souderton, PA, USA5U1000
Ramię przeguboweFisso, Zurych, Szwajcaria
Obiektyw CF4Edmund Optics, Barrington, NJ, USAObiektyw używany do szybkiego obrazowania
Piła do krojenia w kostkęDisco, Tokio, JaponiaDyskoteka Automatyczna piła do krojenia w kostkę 3220
dyfuzora zapachowego z włóknaWeihai Industry Co., Ltd., Weihai, Shandong, Chinyhttps://www.weihaisz.com/Fiber-Fragrance-Diffuser-Wick_p216.html
Szybka kameraPhotron, San Diego, Stany ZjednoczoneFastcam Mini
laserowy wibrometr dopplerowskiPolytec, Waldbronn, NiemcyUHF120Bezkontaktowy laserowy wibrometr dopplerowski
Rozpraszanie laserowe System pomiaru wielkości kropelMalvern Panalytical, Malvern, Wielka Brytania
Podłoże z niobianu lituPMOptics, Burlington, MA, USAPWLN-4312324" dwustronnie polerowane o grubości 0,5 mm 128° Strzykawki z niobianem litu
Luer-lockBecton Dickingson, New Jersey, USA
Zakład pomieszczeń czystych Nano3UCSD, La Jolla, CA, USAW nim odbywa się proces produkcji.
Analizator sieciKeysight Technologies, Santa Rosa, CA, Stany Zjednoczone5061B
OscyloskopKeysight Technologies, Santa Rosa, CA, Stany ZjednoczoneInfiniiVision 2000 X-Series
Polytec, Waldbronn, NiemcyWersja 9.4Oprogramowanie LDV
Oprogramowanie do prezentacji PSVPolytec, Waldbronn, NiemcyWersja 9.4Oprogramowanie LDV
Generator sygnałuNF Corporation, Jokohama, JaponiaGenerator
Łącznik jednosłupkowyDigiKey, Thief River Falls, MNED1179-ND
Napylanie napylaniaDenton Vacuum, NJ, USADenton 18System napylania Denton Discovery 18
Styki sprężynowe do montażu powierzchniowegoDigiKey, Thief River Falls, MN70AAJ-2-M0GCT-ND
Łyżka do wafli teflonowychShapeMaster, Ogden, IL, Stany ZjednoczoneSM4WD1Łyżka waflowa 4"
XYZ StageThor Labs, Newton, New Jersey, USAMT3Stoliki do stołu optycznego
STP5315 z obróconym tyłem Oprogramowanie do nabywania PSV wielofunkcyjny WF1967

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wood, R. W., Loomis, A. L. XXXVIII.physical and biological effects of high-frequency sound-waves of great intensity. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 4 (22), 417-436 (1927).
  2. Dalmoro, A., Barba, A. A., Lambert, G., d'Amore, M. Intensifying the microencapsulation process: Ultrasonic atomization as an innovative approach. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 80 (3), 471-477 (2012).
  3. Namiyama, K., Nakamura, H., Kokubo, K., Hosogai, D. Development of ultrasonic atomizer and its application to S.I. engines. SAE Transactions. , 701-711 (1989).
  4. Qi, A., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Interfacial destabilization and atomization driven by surface acoustic waves. Physics of Fluids. 20 (7), 074103(2008).
  5. Wang, J., Hu, H., Ye, A., Chen, J., Zhang, P. Experimental investigation of surface acoustic wave atomization. Sensors and Actuators A: Physical. 238, 1-7 (2016).
  6. James, A., Vukasinovic, B., Smith, M. K., Glezer, A. Vibration-induced drop atomization and bursting. Journal of Fluid Mechanics. 476, 1-28 (2003).
  7. Randall, C. A., Kim, N., Kucera, J. P., Cao, W., Shrout, T. R. Intrinsic and extrinsic size effects in fine-grained morphotropic-phase-boundary lead zirconate titanate ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 81 (3), 677-688 (1998).
  8. Tsai, S. C., Lin, S. K., Mao, R. W., Tsai, C. S. Ejection of uniform micrometer-sized droplets from Faraday waves on a millimeter-sized water drop. Physical Review Letters. 108 (15), 154501(2012).
  9. Jeng, Y. R., Su, C. C., Feng, G. H., Peng, Y. Y., Chien, G. P. A PZT-driven atomizer based on a vibrating flexible membrane and a micro-machined trumpet-shaped nozzle array. Microsystem Technologies. 15 (6), 865-873 (2009).
  10. Lupascu, D., Rödel, J. Fatigue in bulk lead zirconate titanate actuator materials. Advanced Engineering Materials. 7 (10), 882-898 (2005).
  11. Kawamata, A., Hosaka, H., Morita, T. Non-hysteresis and perfect linear piezoelectric performance of a multilayered lithium niobate actuator. Sensors and Actuators A: Physical. 135 (2), 782-786 (2007).
  12. Qi, A., Yeo, L., Friend, J., Ho, J. The Extraction of Liquid, Protein Molecules and Yeast Cells from Paper Through Surface Acoustic Wave Atomization. Lab on a Chip. 10 (4), 470-476 (2010).
  13. Collignon, S., Manor, O., Friend, J. Improving and Predicting Fluid Atomization via Hysteresis-Free Thickness Vibration of Lithium Niobate. Advanced Functional Materials. 28 (8), 1704359(2018).
  14. Lawson, A. The vibration of piezoelectric plates. Physical Review. 62 (1-2), 71(1942).
  15. Fukushima, Y., Nishizawa, O., Sato, H. A performance study of a laser doppler vibrometer for measuring waveforms from piezoelectric transducers. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 56 (7), 1442-1450 (2009).
  16. Thoroddsen, S., Etoh, T., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubbles. Annual Reviews in Fluid Mechanics. 40, 257-285 (2008).
  17. Yule, A., Al-Suleimani, Y. On droplet formation from capillary waves on a vibrating surface. Proceedings of the Royal Society of London Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 456 (1997), 1069-1085 (2000).
  18. Hirleman, E. D. Modeling of multiple scattering effects in Fraunhofer diffraction particle size analysis. Optical Particle Sizing. Gouesbet, G., Gréhan, G. , Springer. Boston, MA. 159-175 (1988).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Przetwornik niobianu lituanaliza impedancjilaserowa wibrometria dopplerowskaatomizacja cieczyrozk ad wielko ci kropelobrazowanie wysokiej rozdzielczo ci czasowejcz stotliwo rezonansowacharakterystyka przetwornika akustycznegoniestandardowy uchwyt przetwornika

Powiązane artykuły