Summary
يتم وصف تصنيع محولات وضع سماكة الكهرزوئية عبر التخبط الحالي المباشر من أقطاب اللوحة على niobate الليثيوم. بالإضافة إلى ذلك، يتم تحقيق عملية موثوقة مع حامل محول ونظام إمدادات السوائل ويتم إثبات التوصيف عن طريق تحليل المعاوقة، الليزر دوبلر vibrometry، والتصوير عالي السرعة، وتوزيع حجم القطرات باستخدام تشتت الليزر.
Abstract
نحن نقدم تقنية لتصنيع وضع بسيط سماكة الأجهزة الكهرزوئية باستخدام نيوبتات الليثيوم (LN). وقد تبين أن هذه الأجهزة تتفتت السائل بكفاءة أكبر، من حيث معدل التدفق لكل مدخل طاقة، من تلك التي تعتمد على موجات رايلي وغيرها من وسائط الاهتزاز في LN أو تيتانات الزركونيت الرصاص (PZT). ويتكون الجهاز الكامل من محول، حامل محول، ونظام إمدادات السوائل. إن أساسيات انحلال السائل الصوتي ليست معروفة جيداً، لذلك يتم وصف تقنيات توصيف الأجهزة ودراسة الظواهر. يوفر قياس الزب الليفي الليزر (LDV) معلومات الاهتزاز الضرورية في مقارنة محولات الصوت ، وفي هذه الحالة ، يشير إلى ما إذا كان الجهاز سيؤدي بشكل جيد في الاهتزازات السماكة. ويمكن أيضا أن تستخدم للعثور على تردد الرنين من الجهاز، على الرغم من الحصول على هذه المعلومات بسرعة أكبر عن طريق تحليل المعاوقة. إن انحلال السوائل المستمر، كمثال على التطبيق، يتطلب تحكماً حذراً في تدفق السوائل، ونحن نقدم مثل هذه الطريقة مع التصوير عالي السرعة وقياسات توزيع الحجم القطرات عبر تشتت الليزر.
Introduction
وقد درست الانحلال الموجات فوق الصوتية لمدة قرن تقريبا وعلى الرغم من أن هناك العديد من التطبيقات، وهناك قيود في فهم الفيزياء الأساسية. وقد أدلى الوصف الأول لهذه الظاهرة من قبل وود ولوميس في عام 19271، ومنذ ذلك الحين كانت هناك تطورات في هذا المجال لتطبيقات تتراوح بين تسليم السوائل الصيدلانية الهباء الجوي2 إلى حقن الوقود3. على الرغم من أن هذه الظاهرة تعمل بشكل جيد في هذه التطبيقات ، فإن الفيزياء الأساسية ليست مفهومة بشكل جيد4و5و6.
وهناك قيد رئيسي في مجال الانحلال بالموجات فوق الصوتية هو اختيار المواد المستخدمة، الرصاص زيركونات تيتانات (PZT)، مادة الارهاق عرضة للتدفئة7 والتلوث الرصاص مع الرصاص عنصري المتاحة من الحدود بين الحبوب8،9. حجم الحبوب والخصائص الميكانيكية والإلكترونية لحدود الحبوب أيضا الحد من وتيرة التي PZT يمكن أن تعمل10. وعلى النقيض من ذلك، فإن niobate الليثيوم هو على حد سواء خالية من الرصاص والمعارض لا11الهستيرسيس ، ويمكن استخدامها لتفتيت السوائل ترتيب من حيث الحجم أكثر كفاءة من المرذاذات التجارية12. القطع التقليدي من niobate الليثيوم المستخدمة للتشغيل في وضع سمك هو 36 درجة Y استدارة قطع، ولكن 127.86 درجة Y الدورية، X نشر قطع (128YX)، وعادة ما تستخدم لتوليد موجة الصوتية السطحية، وقد ثبت أن لديها ارتفاع سعة النزوح السطحي بالمقارنة مع 36 درجة قطع13 عندما تعمل في الرنين وانخفاض الخسارة. وقد ثبت أيضا أن عملية وضع سمك يوفر ترتيبا لتحسين حجم في كفاءة رذاذ أكثر من وسائط أخرى من الاهتزاز13، حتى عند استخدام LN.
وتحكم التردد الرنين من جهاز كهرضغطي تعمل في وضع سمك من قبلث سمك : الطول الموجي λ = 2ر/ن حيث ن = 1، 2,... هو عدد العقد المضادة. بالنسبة لركيزة سميكة 500 ميكرومتر، وهذا يتوافق مع الطول الموجي من 1 ملم للأسلوب الأساسي، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لحساب تردد الرنين الأساسي، f = v/λ إذا كانت سرعة الموجة، v، معروفة. سرعة الصوت من خلال سمك 128YX LN هو حوالي 7000 م / ث ، وذلك و = 7 ميغاهيرتز. خلافا لغيرها من أشكال الاهتزاز، وخاصة وضع سطح ملزمة، فمن مباشرة لإثارة أعلى ترتيب سماكة النمط التوافقيات إلى ترددات أعلى من ذلك بكثير، هنا إلى 250 ميغاهيرتز أو أكثر، على الرغم من أن وسائط الأرقام الفردية فقط قد تكون متحمسة من قبل الحقول الكهربائيةموحدة 14. وبالتالي، لا يمكن أن يكون التوافقي الثاني(ن = 2) بالقرب من MHz 14 متحمس، ولكن التوافقي الثالث في 21 ميغاهيرتز(ن = 3) يمكن. تصنيع أجهزة وضع سمك كفاءة يتطلب إيداع الأقطاب الكهربائية على وجوه معارضة من محول. نحن نستخدم التيار المباشر (DC) التخبط لإنجاز ذلك، ولكن يمكن استخدام ترسب شعاع الإلكترون وغيرها من الأساليب. تحليل المعاوقة مفيد لتوصيف الأجهزة، خاصة في العثور على ترددات الرنين والاقتران الكهروميكانيكية عند هذه الترددات. الليزر دوبلر vibrometry (LDV) مفيد لتحديد سعة الاهتزاز الناتج والسرعة دون الاتصال أو المعايرة15، وعن طريق المسح الضوئي ، وLDV يوفر التوزيع المكاني للتشوه السطحي ، والكشف عن وضع الاهتزاز المرتبطة تردد معين. وأخيرا ، لأغراض دراسة الانحلال وديناميات السوائل ، والتصوير عالي السرعة يمكن استخدامها كتقنية لدراسة تطور موجات شعرية على سطح قطرة sessile16،17. في الانحلال، مثل العديد من الظواهر acoustofluidic أخرى، يتم إنتاج قطرات صغيرة بمعدل سريع، أكثر من 1 كيلو هرتز في موقع معين، بسرعة كبيرة جدا للكاميرات عالية السرعة لمراقبة مع الإخلاص كافية ومجال الرؤية لتوفير معلومات مفيدة على حجم عينة قطرة كبيرة بما فيه الكفاية. يمكن استخدام تشتت الليزر لهذا الغرض، وتمرير القطرات من خلال شعاع ليزر موسع إلى (مي) مبعثر بعض الضوء في الانعكاس والانكسار لإنتاج إشارة مميزة التي يمكن استخدامها لتقدير إحصائيا توزيع حجم القطرات.
فمن مباشرة لاختلاق محولات سماكة وضع الكهرزوئية، ولكن التقنيات المطلوبة في الجهاز وتوصيف الانحلال لم يتم ذكرها بوضوح في الأدب حتى الآن، مما يعوق التقدم في الانضباط. لكي يكون محول وضع السمك فعالاً في جهاز الانحلال، يجب أن يكون معزولاً ميكانيكياً بحيث لا يتم تخميد الاهتزاز ويجب أن يكون لديه إمدادات السوائل المستمرة مع معدل تدفق يساوي معدل الانحلال بحيث لا يحدث جفاف ولا فيضان. هذان الاعتباران العمليان لم يتم تغطيتهما بشكل شامل في الأدبيات لأن حلولهما هي نتيجة تقنيات هندسية وليست حداثة علمية بحتة، لكنهما مع ذلك حاسمان لدراسة الظاهرة. نقدم تجميع حامل محول ونظام فتل سائل كحلول. يقدم هذا البروتوكول نهجاً منهجياً لتصنيع الرذاذ وتوصيف لتسهيل إجراء المزيد من البحوث في الفيزياء الأساسية والتطبيقات التي لا تعد ولا تحصى.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. سماكة وضع transducer تلفيق عبر العاصمة sputtering
- إعداد رقاقة
- ضع رقاقة 128YX LN 100 مم في طبق زجاجي نظيف لا يقل قطره عن 125 ملم. سونيكات رقاقة في ما لا يقل عن 200 مل من الأسيتون لمدة 5 دقائق.
- تكرار سونيكيشن مع الكحول isopropyl ومرة أخرى مع المياه ديونيد لمدة 5 دقائق لكل من.
- إزالة المياه المرئية من السطح باستخدام النيتروجين الجاف.
- إزالة المياه تماما من السطح عن طريق وضع رقاقة على الساخن في 100 درجة مئوية لمدة 5 دقائق. تأكد من أن هناك ورقة من رقائق الألومنيوم على الساخنة لأن هذا يساعد في تبديد تراكم تهمة على رقاقة.
- ترسب الإلكترود
- ضع الرقاقة في غرفة الفراغ في نظام الترسبات الزهد وضخ لأسفل الغرفة إلى 5 × 10-6 mTor. تعيين ضغط الأرجون إلى 2.3 mTorr وسرعة الدوران إلى 13 دورة في الدقيقة.
ملاحظة: إذا تم إنشاء معلمات للأداة المحددة المستخدمة التي تؤدي إلى أفلام عالية الجودة، ثم استخدم تلك بدلاً من ذلك. - قم بإيداع 5−10 نانومتر من التيتانيوم عند 1.2−1.6 A/s.
ملاحظة: قبل البدء في هذه العملية مع رقاقة المقصود، اختبار معدل ترسب مع قوة البلازما تعيين إلى 200 واط وإيداع لمدة 1 دقيقة. ثم قياس ارتفاع الطبقة مع مقياس الملامح. القيام بذلك بشكل منفصل لكل معدن. تعيين السلطة وفقا لهذا الاختبار من أجل تحقيق معدل ترسب المعلنة. - إيداع 1-1.2 ميكرومتر من الذهب في 7-9 A /s.
ملاحظة: قد يؤدي الترسيب بمعدل أعلى بسبب زيادة طاقة البلازما أو زيادة الضغط الأرجوني الجزئي إلى تقليل جودة الفيلم. - قم بإزالة رقاقة و تكرار الخطوات 1.2.1−1.2.3 الجانب الثاني من الرقاقة.
- ضع الرقاقة في غرفة الفراغ في نظام الترسبات الزهد وضخ لأسفل الغرفة إلى 5 × 10-6 mTor. تعيين ضغط الأرجون إلى 2.3 mTorr وسرعة الدوران إلى 13 دورة في الدقيقة.
- Dicing
- استخدام منشار dicing لنرد رقاقة كامل حسب الحاجة.
ملاحظة: يمكن تطبيق مقاومة واقية على الركيزة قبل dicing، ونظام (جدول المواد)المستخدمة هنا ينطبق على فيلم للأشعة فوق البنفسجية للشفاء قبل تحميل العينات على مرحلة dicing. وتبين أن dicing العينات مع منشار dicing الآلي لا يمس سلامة العينات. من الممكن تدوين scribeing يدويًا لـ LN ، على الرغم من أنها مملة وعرضة للتناقضات.
- استخدام منشار dicing لنرد رقاقة كامل حسب الحاجة.
2. إجراء اتصال الكهربائية والميكانيكية مع محول
ملاحظة: يتم وصف عدة طرق أدناه (الخطوات 2.1−2.4)، ويتم تمييزها لاحقًا في البروتوكول الذي يكون الأسلوب الأنسب لكل خطوة لاحقة.
- ضع مسطحة محول مكعبات على لوحة الصلب المغناطيسي. جبل واحد بوغو التحقيق في اتصال مع لوحة وآخر بوغو التحقيق في اتصال مع السطح العلوي من محول. فيما بعد سيشار إلى هذا بما أنّ بوجو-لوحة اتّصال.
- وضع محول بين اثنين من pogo-probes. فيما بعد يشار إليه باسم الاتصال بوغو بوغو.
- سلك لحام إلى كل وجه من محول. فيما بعد يشار إليه بجهة اتصال لحام.
- تجميع حامل محول مخصص.
- طلب لوحات الدوائر المطبوعة المخصصة (PCBs) التي تم توفير ملفات Gerber الخاصة بها.
- لحام اثنين من سطح جبل الربيع الاتصالات(جدول المواد)لكل PCB مخصص. اضغط على احتواء المسامير في الثقوب مطلي على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المخصصة بحيث أنها تشير بعيدا عن بعضها البعض.
- قم بتوصيل ثنائي الفينيل متعدد الكلور المخصصين مع تباعدات البورد والمسامير بحيث تكون جهات الاتصال على اتصال مع بعضها البعض. ضبط التباعد مع غسالات بلاستيكية إذا لزم الأمر.
- حرك محول 3 مم × 10 مم بين زوج من جهات الاتصال الداخلية. قص الاتصالات الخارجية حتى لا تقصر الدائرة.
ملاحظة: يظهر الشكل 1 التجميع بأكمله.
3. تحديد تردد الرنين عن طريق تحليل المعاوقة
- تأكد من أن معايرة المنفذ قد تم إجراؤها وفقًا لتعليمات الشركة المصنعة لطريقة الاتصال المحددة المستخدمة.
- قم بتوصيل محول إلى المنفذ المفتوح لمحلل الشبكة(جدول المواد)باستخدام إحدى طرق الاتصال الموضحة في الخطوات 2.1−2.4.
ملاحظة: يمكن أن يكون من المفيد تكرار هذا التحليل مع طرق الاتصال الكهربائية متعددة ومقارنة النتائج. - حدد معامل الانعكاس المعلمة ، s11 ، عن طريق واجهة المستخدم من محلل الشبكة ، واختيار نطاق التردد من الفائدة ، وتنفيذ اكتساح التردد.
ملاحظة: s11 هو معامل انعكاس الإدخال وله قيمة دنيا في تردد الرنين للتشغيل. ل النموذجي 500 μm سميكة 128YX LN رقاقة، وتواتر الرنين الابتدائي سيكون بالقرب من 7 ميغاهيرتز والثانية التوافقية ستكون بالقرب من 21 ميغاهيرتز، كما هو موضح في الشكل 2. مؤامرة المعاوقة في الفضاء التردد المعروضة على الصك سوف يعرض minima المحلية في ترددات الرنين. - تصدير البيانات عن طريق تحديد حفظ/ استدعاء | حفظ بيانات التتبع على واجهة المستخدم لفحص أوثق باستخدام برنامج معالجة البيانات لتحديد المواقع الصغيرة الدقيقة.
4. التوصيف الاهتزاز عن طريق LDV
- وضع محول في اتصال بوغو لوحة على المرحلة LDV. توصيل pogo-المسبار يؤدي إلى مولد إشارة. التأكد من أن الهدف قيد الاستخدام هو المحدد في اقتناء البرمجيات (جدول المواد) والتركيز على المجهر على سطح محول.
- حدد نقاط المسح الضوئي عن طريق تحديد تحديد نقاط المسح الضوئي أو انتقل إلى الخطوة 4.3 إذا كان إجراء مسح مستمر.
- حدد الخيار إعدادات و ضمن علامة التبويب عام، حدد الخيار FFT أو الوقت استناداً إلى ما إذا كان يتم إجراء الفحص في مجال التردد أو الوقت. حدد عدد المعدلات في هذا القسم.
ملاحظة: يؤثر عدد المتوسطات على وقت المسح الضوئي. وقد أظهرت خمسة متوسطات للمحولات الموصوفة في هذا البروتوكول أن تعطي نسبة إشارة/ضوضاء كافية. - في علامة التبويب قناة، تأكد من أن يتم تحديد المربعات النشطة، والتي تتوافق مع الإشارة المرجعية وعكس من محول. ضبط القنوات المرجعية والقنوات الحادث عن طريق اختيار قيمة الجهد من القائمة المنسدلة من أجل الحصول على أقصى قوة إشارة من الركيزة.
- في علامة التبويب مولد، إذا تم إجراء القياس من تحت إشارة تردد واحد، حدد جيب من الموجي سحب القائمة إلى أسفل؛ إذا كان تحت إشارة نطاق، حدد MultiCarrierCW.
- تغيير النطاق الترددي وخطوط FFT في علامة التبويب تكرار لضبط دقة المسح الضوئي لمسح مجال التردد. وبالمثل، تغيير تكرار العينة في علامة التبويب الوقت عند تنفيذ قياسات المجال الزمني.
ملاحظة: عرض النطاق الترددي المستخدمة عادةً MHz 40 وعدد خطوط FFT 32,000. يمكن استخدام برنامج العرض(جدول المواد)لمعالجة وتحليل البيانات التي تم الحصول عليها من الفحص. يتم توفير طيف النزوح النموذجي في الشكل 3.
5. إمدادات السوائل
- الحصول على 25 مم طويلة، 1 مم قطر الفتيل تتألف من حزمة من الألياف من البوليمر المائي مصممة لنقل السائل المائي عبر طوله مثل تلك المتاحة لمعطرات الهواء المكونات في. تقليم نهاية واحدة بحيث يتم تشكيل نقطة إيقاف مركز.
- أدخل الفتيل في طرف حقنة بقطر داخلي يوفر نوبة دافئة وطولًا يسمح للفتول بالتمدد 1−2 مم إلى ما بعد كل طرف. قفل طرف على حقنة مع القدرة المطلوبة (1−10 مل).
- جبل الجمعية الفتيل / حقنة بحيث الفتيل هو 10°-90 درجة من الأفقي (اعتمادا على معدل الانحلال المطلوب، والذي يعتمد أيضا على الجهد تطبيق) وطرف الفتيل هو مجرد اتصال مع حافة محول كما هو مبين في الشكل 1C.
- املأ الحقنة بالماء، واطبق إشارة الجهد المستمر (بدءاً من 20 Vpp) عند تردد الرنين المحدد باستخدام محلل المعاوقة. ضبط مستوى الجهد حتى يتم انحلال السائل بشكل مستمر دون الفيضانات الجهاز أو الجفاف.
6. ديناميات الرصد عن طريق التصوير عالية السرعة
- تركيب صارم كاميرا عالية السرعة أفقيا على طاولة بصرية، ووضع محول في الاتصال إما بوغو بوغو أو بوجو لوحة الاتصال على مرحلة x-y-z بالقرب من البعد البؤري للكاميرا، ووضع مصدر ضوء منتشر واحد على الأقل البعد البؤري على الجانب الآخر من محول من الكاميرا.
- بالنسبة لجهة الاتصال بوجو-بوجو، ضع مصدر السوائل بحيث لا يمنع عرض الكاميرا أو مصدر الضوء. بالنسبة لجهة الاتصال بلوحة بوجو، ضعي السائل مباشرة على الركيزة مع ماصة.
- اضبط تركيز الكاميرا ووضع x-y-z لجعل عينة السوائل في بؤرة حادة.
- تقدير تواتر الظاهرة المحددة التي سيتم دراستها على أساس الأدب. اختر معدل الإطار على الأقل ضعف هذا التردد وفقا لمعدل Nyquist من أجل تجنب التعرج.
ملاحظة: على سبيل المثال، خذ بعين الاعتبار موجات شعرية تحدث على إسقاط sessile في نطاق من الترددات. الكاميرات محدودة في القرار المكاني يمكن أن تميز فقط موجات مع الحد الأدنى من السعة. في هذه الحالة الحد الأدنى من السعة يحدث حول 4 كيلوهرتز لذلك يتم اختيار معدل الإطارات من 8000 في الثانية (fps). - ضبط شدة الضوء، أو مصراع الكاميرا، أو كليهما من أجل تحسين التباين بين السائل والخلفية.
ملاحظة: يمكن إضافة صبغة معتمة إلى السائل من أجل زيادة التباين. - توصيل مقاطع التمساح من مولد إشارة مكبرة يؤدي pogo تحقيقات.
- التقاط الفيديو في برنامج الكاميرا في وقت واحد مع التشغيل عبر إشارة الجهد إما عن طريق تشغيل كل من يدويا في نفس الوقت أو عن طريق ربط الناتج الزناد من مولد إشارة إلى الكاميرا.
ملاحظة: معدل الإطار النموذجي المستخدم هو 8000 إطار في الثانية ويتم استخدام هدف CF4. - حفظ فقط الإطارات التي تحتوي على هذه الظاهرة لتجنب التخزين المهدر، والتي هي ذات الصلة بشكل خاص في معدلات الإطار الكبير، لإنتاج نتيجة كما هو مبين في الشكل 4.
ملاحظة: تأكد من حفظ الملف بتنسيق متوافق مع برنامج معالجة الصور الذي يتم اختياره بحيث يمكن استخراج بيانات مفيدة.
7. قياس حجم القطرة عن طريق تحليل نثر الليزر
- نظام تشتيت الليزر (جدول المواد) لديه وحدة التي تنقل الليزر واحدة التي تتلقى إشارة الليزر المتناثرة. ضع الوحدات على طول السكك الحديدية مع النظام، مع وجود فجوة 20-25 سم بينهما.
- 16- وثب بصرامة منصة في هذه الفجوة بحيث عندما توضع على ذلك تجميعات الإمدادات من محولات الطاقة والمائعات، سيتم إخراج ضباب مجزأ إلى مسار شعاع الليزر. تسهيل هذا المحاذاة من خلال تشغيل شعاع الليزر عن طريق اختيار أدوات | الليزر التحكم... | الليزر على كمؤشر بصري.
- إصلاح حامل محول إلى منصة وإصلاح تجميع امدادات السوائل إلى ذراع مفصلية (جدول المواد). ضع تجميع إمدادات السوائل بحيث يكون طرف الفتيل على اتصال مع حافة محول الطاقة.
- إنشاء إجراء تشغيل قياسي (SOP) في البرنامج بالنقر فوق رمز SOP جديد. تكوين SOP مع الإعدادات التالية: قالب = الافتراضي مستمر، فترة أخذ العينات (ق) = 0.1، تحت معالجة البيانات، انقر فوق تحرير... وتعيين ملف تعريف Spray | طول المسار (مم) إلى 20.0، انقر فوق الإنذارات لإلغاء تحديد استخدام القيم الافتراضية وتعيين الإرسال Min (%) إلى 5 و1 وتعيين التشتت Min إلى 50 و 10. اترك كافة الإعدادات الأخرى كإعدادات افتراضية.
ملاحظة: راجع دليل البرامج المرفقة مع الأداة. - بدء القياس داخل البرنامج بالنقر على قياس | بدء تشغيل SOP وتحديد SOP التي تم إنشاؤها في الخطوة 7.4. انتظر حتى تكتمل معايرات الخلفية. ملء خزان امدادات السوائل، والمحاقن، مع الماء تصل إلى المستوى المطلوب وملاحظة حجم. بدوره على إشارة الجهد لبدء انحلال السائل. ابدأ ساعة الإيقاف وابدأ القياس بالنقر فوق ابدأ.
- البرنامج يولد توزيع حجم على أساس إشارة الليزر المتناثرة في المتلقي بسبب نظرية مي و خوارزمية مبعثر متعددة. بمجرد أن يتم تفتيت حجم السائل المطلوب ، قم بإيقاف إشارة الجهد ، وإيقاف ساعة الإيقاف ، وتسجيل الصوت النهائي ، وإيقاف تسجيل البيانات بالنقر فوق Stop.
ملاحظة: نظام التشتت بالليزر قادر على قياس ما لا يتجاوز 1 ميكرولتر من السوائل وليس لديه حد أعلى لحجم السوائل. يمكن ببساطة حساب معدل تدفق الانحلال بقسمة الحجم على المدة الزمنية. - في الرسم البياني للقياس، حدد جزء البيانات التي كان يحدث فيها الانحلال كما هو متوقع وكانت الإشارة في جهاز الاستقبال قوية بما يكفي لتكون ذات أهمية إحصائية. انقر على متوسط | موافق لإنشاء توزيع استناداً إلى البيانات المحددة.
ملاحظة: جميع القياسات باستخدام هذه التقنية هي متوسطات إحصائية، وبالتالي، إذا كان هناك عدد قليل جدا من القطرات، فإن الإشارة المبعثرة ستكون ضعيفة، وسيكون القياس غير ذي أهمية إحصائية. - حفظ متوسط التوزيع عن طريق تحديد النافذة والنقر على تحرير | نسخ النص ثم لصق النتيجة في ملف نصي وحفظ مع اسم مناسب.
ملاحظة: يمكن الآن استخدام بيانات التوزيع هذه مع برامج أخرى (مثل MATLAB) لإنشاء المخطط في الشكل 5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تم تصنيع أجهزة وضع الطاقة الكهروضوئية سماكة من 128YX niobate الليثيوم. ويبين الشكل 1 تجميعا كاملا لعقد محول في مكان مع حامل محول مخصص المستخدمة مع نظام تسليم السوائل السلبية وضعت لالانحلال المستمر. تتضمن خطوات التوصيف لهذه الأجهزة تحديد التردد الرنان والتناغم باستخدام محلل المعاوقة (الشكل 2). وقد وجد أن التردد الأساسي للأجهزة يقترب من MHz 7 باستخدام التقنية الموصوفة في هذا البروتوكول، كما هو متوقع من خلال سمك الركيزة. تم إجراء مزيد من توصيف الاهتزاز الركيزة باستخدام قياسات دوبلر دوبلر الليزر غير مسجّل. تحدد هذه القياسات حجم إزاحة الركيزة وعادة ما تكون في نطاق نانومتر(الشكل 3). الانحلال المستمر أمر ضروري لتمكين التطبيقات العملية لأجهزة وضع سمك، وقد ثبت هذا من خلال تطوير نظام تسليم السوائل السلبية إلى الركيزة. وأخيراً، تم وصف تقنيتين لمراقبة اهتزاز القطرات وديناميات الانحلال من خلال إجراء تصوير عالي السرعة وقياس توزيع حجم القطرات كما هو موضح في الشكل 4 والشكل 5.
الشكل 1: التجميع الكامل لحامل محولات مخصصة. (أ)يتم التحكم في مواقف حامل محول الطاقة وتجميع إمدادات السوائل مع أذرع التعبير بحيث يكون طرف الفتيل على اتصال مع حافة المحول. Inset (B) يكشف عن طبيعة الاتصال الكهربائي والميكانيكي مع أقطاب محولات الطاقة. Inset (C) يكشف عن طبيعة الاتصال بين حافة محولات و فتيل السائل. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: sقيم المعلمات الـ11 الحقيقية المُقاسة على مدى 1-25 ميغاهيرتز لجهاز YX lithium niobate 127.86° مما يشير إلى وجود ذروة الرنين عند 7 ميغاهيرتز تقريباً. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: تم إجراء مسح متعدد الحاملات، FFT مع 5 متوسطات في كل نقطة على 9 نقاط مسح من 9 نقاط محددة في منطقة 0.6 في 0.6 ملم في نطاق التردد 5-25 ميغاهيرتز. والتشريد المبلغ عنه هو الحد الأقصى للنزوح الذي بلغ متوسطه على جميع النقاط. ويمكن رؤية وضع سمك الأساسية ل0.5 ملم كثافة LN في 7 ميغاهيرتز، وهارمون ثاني أضعف هو موجود في ~ 21 ميغاهيرتز. متعددة الناقل بمسح انتشار مدخلات الجهد، وبالتالي فإن النزوح هنا ليست مقياسا دقيقا لأداء الجهاز. لهذا القياس، فمن المستحسن لإجراء مسح التردد الواحد في تردد الرنين ومع الفولتية ذات الصلة التطبيق. على سبيل المثال، هذا 10 مم × 5 مم سماكة وضع محول ينتج السعة القصوى 5 نانومتر في 45 Vpp عندما مدفوعة في 6.93 ميغاهيرتز. Please click here to view a larger version of this figure.
الشكل 4: يشار إلى ظهور موجات الشعيرات الدموية على قطرة ماء 2 ميكرولتر بواسطة فيديو 8000 إطاراً في الثانية للواجهة السائلة؛ ويُدفع القطرة بواسطة محول وضع سمك يحركه بسرعة 6.9 ميغاهيرتز، مما يظهر الفرق الزمني الكبير بين الاستجابة الهيدروديناميكية والإثارة الصوتية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: يتم عادة قياس توزيع حجم القطرات ككسر حجم مقابل قطرة قطرة، هنا مقارنة (A) البخاخات التجارية و (ب) جهاز وضع سمك LN، وكلاهما باستخدام الماء. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل التكميلي 1: تظهر مقارنة أطياف تحليل المعاوقة لنفس محولات الطاقة مع شكلين مختلفين من الاتصال الكهربائي (pogo-plate، pogo-pogo، وحامل محولات) اختلافات كبيرة في قيم المعلمة s11 المنتشرة s. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
فيلم 1: LDV وضع الاهتزاز من 5 مم × 5 مم محول مربع. الرجاء الضغط هنا لمشاهدة هذا الفيديو. (انقر بزر الماوس الأيمن للتحميل.)
فيلم 2: وسائط الاهتزاز LDV من 3 مم × 10 ملم محول. هذه هي تقريبية قريبة لسمك وسائط دون وجود وسائط الجانبي كبيرة. الرجاء الضغط هنا لمشاهدة هذا الفيديو. (انقر بزر الماوس الأيمن للتحميل.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
تؤثر أبعاد المحول ونسبة الارتفاع في وسائط الاهتزاز التي ينتجها. لأن الأبعاد الجانبي محدودة، هناك دائماً وسائط جانبية بالإضافة إلى وسائط سمك المطلوب. ويمكن استخدام أساليب LDV أعلاه لتحديد الأوضاع السائدة في نطاق التردد المطلوب لمحول معين. مربع مع أبعاد أقل من 10 مم عادة يعطي تقريب قريبة إلى وضع سمك. ثلاثة في عشرة ملليمتر المستطيلات أيضا تعمل بشكل جيد. فيلم 1 والفيلم 2 تظهر مسح المنطقة LDV من مربع و 3 مم × 10 ملم محولات تشير إلى أنها قريبة من وضع سمك. وقد تم تحديد هذه تجريبية بدلا من اختيارها عن طريق المحاكاة والتصميم، على الرغم من أن هذه الأساليب يمكن استخدامها لإيجاد الأبعاد الجانبي المثالي.
طريقة الاتصال الكهربائي والميكانيكية مع محول يؤثر أيضا على الاهتزازات التي تنتجها لأن هذه هي الشروط الحدودية التي تخضع لها لوحة كهروضوكهربية. لقد أدرجنا طيف المعاوقة لثلاث تقنيات قياس: بوغو لوحة، بوغو بوغو، وحامل محولات كمقارنة في الشكل التكميلي 1. من الواضح أن مواقع ذروة الرنين لا تتغير في هذه الحالة من خلال خياراتنا للاتصال. نلاحظ أن الاتصال الميكانيكي بين محول وسطح لوحة يقلل الاهتزازات مما يجعل الانحلال أقل كفاءة. يتم استخدام اتصال بوغو لوحة في حالة القياسات LDV، لأنه هو أبسط طريقة للحصول على سطح ثابت مسطح على التركيز الليزر.
تعتمد مجموعة إمدادات السوائل الموصوفة هنا على العمل الشعري والجاذبية لإعادة الإمداد السلبي للمحول مع طبقة رقيقة من الماء كما يتم تفتيتها بعيدًا. الاهتزاز من محول ينتج تأثير الوثنية التي يمكن أن تكون كافية لخلق طبقة رقيقة وتجنب الفيضانات، ولكن في بعض الحالات سوف يكون من الضروري علاج هيدروفيلي على سطح محول. إذا لم يتحقق الانحلال المستمر، فهذا هو الطريق الأكثر احتمالاً لحل المشكلة.
تم إجراء القياسات باستخدام مقياس تردد عالي جداً(جدول المواد)هنا، ولكن يمكن استخدام LDVs الأخرى. ويمكن إجراء الاتصال الكهربائي عن طريق لحام سلك لكل وجه من وجوه محول، على الرغم من أن لحام يمكن أن تغير بشكل كبير ترددات الرنين وسائط و محول. تقنية أخرى هي وضع محول على قاعدة معدنية واستخدام "بوغو" الربيع التحقيق الاتصال الضغط على اتصال على الوجه العلوي من عنصر محولات الكهرزو الكهربائي في حين أنه يجلس شقة على خشبة المسرح، مفيدة عندما مساحة كبيرة يجب أن يتم مسحها ضوئيا. ومن المهم قياس ترددات الرنين بدقة لتشغيل محول الطاقة بكفاءة وتعظيم إنتاجية الطاقة إلى الحركة الميكانيكية عند هذه الترددات. يوفر مسح التردد باستخدام LDV هذه المعلومات ، ولكنه يتطلب وقتًا طويلاً ، حسب ترتيب عشرات الـ min. يمكن لمحلل المعاوقة تحديد ترددات الرنين بسرعة أكبر بكثير ، وغالبًا أقل من دقيقة. ومع ذلك، على عكس LDV، لا يوفر القياس القائم على المعاوقة معلومات عن سعة الاهتزاز عند ترددات الرنين، وهو أمر مهم في تحديد انحلال السوائل من سطح المحول.
وعلى الرغم من أن اهتزاز الركيزة يحدث في نظام MHz 10-100، فإن ديناميات السوائل المتلامسة مع الركيزة تحدث في موازين زمنية أبطأ بكثير. على سبيل المثال، يمكن ملاحظة الموجات الشعرية على سطح قطرة sessile عند 8000 إطاراً في الثانية، على افتراض أن الدقة المكانية للكاميرا يمكن أن تميز سعة قمة الموجة وأن تردد الموجة من الاهتمام أقل من 2000 هرتز. ترتيب الكاميرا المذكورة أعلاه الصور المرسلة ضوء وبالتالي هو جيد لمراقبة الخطوط العريضة للأجسام التي تنقل الضوء بشكل مختلف عن الهواء. إذا كانت غير كافية، قد يكون هناك حاجة إلى ترتيب الضوء المنعك أو الفلورسنت. ويتناقص وقت التعرض لكل إطار كلما زاد معدل الإطار، لذا يجب زيادة شدة الضوء تبعاً لذلك. وينبغي اختيار العدسة الموضوعية على أساس طول نطاق الظاهرة قيد الدراسة، ولكن البروتوكول أعلاه سيعمل مع أي تضخم متاح عادة. على سبيل المثال، تم الحصول على الشكل 4 باستخدام طريقة الفيديو عالية السرعة أعلاه. من شأن التباين في واجهة الإسقاط أن يسمح هذه الإطارات أن تكون مجزأة في البرامج (ImageJ MATLAB) بحيث يمكن تتبع ديناميات الواجهة مع مرور الوقت.
في معدات التحجيم قطرات المستخدمة في هذا البروتوكول (جدول المواد)، والبصريات الليزر وأجهزة الكشف عن التشتت هي قياسية نسبيا ولكن البرنامج هو الملكية ومعقدة. بالإضافة إلى نظرية مي، أحداث التشتت المتعددة تجعل حجم القطرات وحسابات التعداد أكثر صعوبة. تفترض نظرية Mie أن معظم الفوتونات مبعثرة مرة واحدة فقط ، ولكن عندما تكون قطرات متباعدة بشكل كثيف ، أي أن التباعد بين قطرات ليس أكبر بكثير من القطرات نفسها ، ويغطي البرقوق الرذاذ مساحة كبيرة من suefficiently ، ثم يفشل هذا الافتراض18. كمثال على نتائج استكشاف الأخطاء وإصلاحها من هذا الجهاز، خذ في الاعتبار الشكل 5. لاحظ أن ذروة قطر 0.5 مم تظهر في كلا التوزيعات. ومن المعروف أن البخاخات التجارية لإنتاج قطرات أحادية الdisperse بالقرب من 10 ميكرومتر، وبالتالي فإن الذروة الأكبر من المرجح إما نتيجة خاطئة بسبب الكم الكبير من الأحداث متعددة التشتت أو التكتل من قطرات أصغر داخل رذاذ. وهذا يعني ضمناً أن الذروة الكبيرة في توزيع وضع السمك قد تكون أيضاً نتيجة خاطئة. ويمكن التحقق من ذلك مباشرة عن طريق الفيديو عالية السرعة: مثل هذه القطرات الكبيرة ستكون مرئية بسهولة، ولكن لا يتم مراعاتها في هذه الحالة.
يمكن أن يكون تحليل حجم الجسيمات المتناثرة بالليزر صعبًا أيضًا عندما تصبح إشارة التشتت ضعيفة. هذا عادة بسبب انخفاض معدل الانحلال أو عندما جزء من رذاذ لا يمر عبر مسار الليزر. ويمكن استخدام فراغ ضعيف لرسم الضباب الكامل المفتت من خلال شعاع الليزر الموسع للمعدات في الحالات التي كان من شأنها أن تفلت من القياس. لمزيد من السيطرة على ظروف الرش يمكن تركيب غرفة الرطوبة حول مسار شعاع الليزر ، ولكن هذا غير مطلوب.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
ويعرب المؤلفون عن امتنانهم لجامعة كاليفورنيا ومرفق NANO3 في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو لتوفير الأموال والتسهيلات لدعم هذا العمل. وقد تم تنفيذ هذا العمل جزئيا في البنية التحتية لتكنولوجيا النانو في سان دييغو (SDNI) UCSD، وهو عضو في البنية التحتية الوطنية لتنسيق تكنولوجيا النانو، والتي تدعمها المؤسسة الوطنية للعلوم (Grant ECCS-1542148). وقد تم دعم العمل المقدم هنا بسخاء من خلال منحة بحثية من مؤسسة W.M. Keck. كما يعرب المؤلفان عن امتنانهما لدعم هذا العمل من قبل مكتب البحوث البحرية (عبر المنحة 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).
