Summary
Fabricage van piëzo-elektrische dikte modus transducers via gelijkstroom sputteren van plaatelektroden op lithium niobate wordt beschreven. Bovendien wordt een betrouwbare werking bereikt met een transducerhouder en vloeistoftoevoersysteem en wordt karakterisering aangetoond via impedantieanalyse, laserdrolbaarheid, snelle beeldvorming en druppelgrootteverdeling met behulp van laserverstrooiing.
Abstract
We presenteren een techniek om eenvoudige dikte modus piëzo-elektrische apparaten te fabriceren met behulp van lithium niobate (LN). Dergelijke apparaten hebben aangetoond dat vloeistof efficiënter te vernevelen, in termen van stroomsnelheid per stroominvoer, dan die die vertrouwen op Rayleigh golven en andere vormen van trillingen in LN of lood zirconate titanaat (PZT). Het volledige apparaat bestaat uit een transducer, een transducerhouder en een vloeistoftoevoersysteem. De fundamenten van akoestische vloeibare verneveling zijn niet bekend, dus technieken om de apparaten te karakteriseren en de verschijnselen te bestuderen worden ook beschreven. Laser Doppler vibrometrie (LDV) biedt trillingsinformatie die essentieel is voor het vergelijken van akoestische transducers en geeft in dit geval aan of een apparaat goed zal presteren in diktetrillingen. Het kan ook worden gebruikt om de resonantiefrequentie van het apparaat te vinden, hoewel deze informatie sneller wordt verkregen via impedantieanalyse. Continue vloeistofverneveling, als voorbeeldtoepassing, vereist een zorgvuldige vloeistofstroomcontrole, en we presenteren een dergelijke methode met snelle beeldvorming en druppelgrootteverdelingsmetingen via laserverstrooiing.
Introduction
Echografie is bestudeerd voor bijna een eeuw en hoewel er vele toepassingen, zijn er beperkingen in het begrijpen van de onderliggende fysica. De eerste beschrijving van het fenomeen werd gemaakt door Wood en Loomis in 19271, en sindsdien zijn er ontwikkelingen op het gebied van toepassingen variërend van het leveren van aerosolized farmaceutische vloeistoffen2 tot brandstofinjectie3. Hoewel het fenomeen goed werkt in deze toepassingen, is de onderliggende fysica niet goed begrepen4,5,6.
Een belangrijke beperking op het gebied van ultrasone verneveling is de keuze van het gebruikte materiaal, loodzirconaat titanaat (PZT), een hysteretisch materiaal gevoelig voor verwarming7 en loodverontreiniging met elementair lood beschikbaar vanaf de internerfelijke grenzen8,9. Korrelgrootte en mechanische en elektronische eigenschappen van graangrenzen beperken ook de frequentie waarmee PZT10kan bedienen. Lithium niobate daarentegen is zowel loodvrij als vertoont geen hysterese11, en kan worden gebruikt om vloeistoffen een orde van grootte efficiënter te vernevelen dan commerciële verstuivers12. De traditionele snede van lithium niobate gebruikt voor de werking in de dikte modus is de 36-graden Y-geroteerde snede, maar de 127,86-graden Y-gedraaide, X-properende snede (128YX), meestal gebruikt voor oppervlakte akoestische golf generatie, is aangetoond dat een hogere oppervlakte verplaatsing amplitude in vergelijking met de 36-graden gesneden13 bij gebruik in resonantie en laag verlies. Het is ook aangetoond dat de werking van de diktemodus een orde van grootteverbetering in verstuiverefficiëntie ten opzichte van andere trillingsmodi13biedt, zelfs bij het gebruik van LN.
De resonantiefrequentie van een piëzo-elektrisch apparaat dat in de diktemodus werkt, wordt bepaald door de dikte t:de golflengte λ = 2t/nwaar n = 1, 2,...n is het aantal anti-knooppunten. Voor een 500 μm dik substraat komt dit overeen met een golflengte van 1 mm voor de fundamentele modus, die vervolgens kan worden gebruikt om de fundamentele resonantiefrequentie te berekenen, f = v/λ als de golfsnelheid, v, bekend is. De snelheid van het geluid door de dikte van 128YX LN is ongeveer 7.000 m/s, en dus f = 7 MHz. In tegenstelling tot andere vormen van trillingen, met name oppervlaktegebonden modi, is het eenvoudig om hogere-orde dikte modus harmonischen prikkelen om veel hogere frequenties, hier tot 250 MHz of meer, hoewel alleen de oneven-genummerde modi kunnen worden opgewekt door uniforme elektrische velden14. Bijgevolg kan de tweede harmonische(n = 2) in de buurt van 14 MHz niet worden opgewekt, maar de derde harmonische op 21 MHz(n = 3) wel. Fabricage van efficiënte dikte modus apparaten vereist het deponeren van elektroden op tegengestelde gezichten van de transducer. We gebruiken gelijkstroom (DC) sputteren om dit te bereiken, maar elektronen-beam depositie en andere methoden kunnen worden gebruikt. Impedantieanalyse is nuttig om de apparaten te karakteriseren, met name bij het vinden van de resonantiefrequenties en elektromechanische koppeling op deze frequenties. Laser Doppler vibrometrie (LDV) is nuttig om de output trillingsamplitude en snelheid te bepalen zonder contact of kalibratie15, en via scannen, de LDV biedt de ruimtelijke verdeling van de oppervlakte vervorming, het onthullen van de wijze van trillingen in verband met een bepaalde frequentie. Ten slotte kan voor het bestuderen van verneveling en vloeistofdynamica high-speed imaging worden gebruikt als een techniek om de ontwikkeling van capillaire golven op het oppervlak van een sessile druppel16,17te bestuderen . Bij verneveling worden, net als veel andere acoustofluidische verschijnselen, kleine druppeltjes geproduceerd in een snel tempo, meer dan 1 kHz op een bepaalde locatie, te snel voor hogesnelheidscamera's om met voldoende getrouwheid en gezichtsveld te observeren om nuttige informatie te verstrekken over een voldoende grote druppelmonstergrootte. Laserverstrooiing kan worden gebruikt voor dit doel, het passeren van de druppels door middel van een uitgebreide laserstraal (Mie) verstrooien een deel van het licht in reflectie en breking om een karakteristiek signaal dat kan worden gebruikt om statistisch te schatten van de druppelgrootte verdeling te produceren.
Het is eenvoudig om piëzo-elektrische dikte modus transducers te fabriceren, maar de technieken die nodig zijn in apparaat en verneveling karakterisering zijn niet duidelijk vermeld in de literatuur tot nu toe, belemmeren de vooruitgang in de discipline. Om een reductie-in-diktemodus effectief te laten zijn in een vernevelingsapparaat, moet deze mechanisch worden geïsoleerd, zodat de trilling niet wordt gedempt en moet het een continue vloeistoftoevoer hebben met een stroomsnelheid die gelijk is aan de vernevelingssnelheid, zodat er geen uitdroging of overstromingen optreden. Deze twee praktische overwegingen zijn niet grondig behandeld in de literatuur, omdat hun oplossingen zijn het resultaat van technische technieken in plaats van pure wetenschappelijke nieuwigheid, maar ze zijn niettemin van cruciaal belang voor het bestuderen van het fenomeen. We presenteren een transducer houder assemblage en een vloeibaar wicking systeem als oplossingen. Dit protocol biedt een systematische benadering van verstuiverfabricage en karakterisering voor het vergemakkelijken van verder onderzoek in fundamentele fysica en talloze toepassingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Thickness mode transducer fabricage via DC sputteren
- Wafer voorbereiding
- Plaats een 100 mm 128YX LN wafer in een schone glazen schaal met een diameter van ten minste 125 mm. Soniceer de wafer in minstens 200 mL aceton gedurende 5 minuten.
- Herhaal sonicatie met isopropylalcohol en opnieuw met gedeïioniseerd water gedurende 5 minuten per stuk.
- Verwijder zichtbaar water van het oppervlak met behulp van droge stikstof.
- Verwijder het water volledig van het oppervlak door de wafer gedurende 5 minuten op een kookplaat op 100 °C te plaatsen. Zorg ervoor dat er een vel aluminiumfolie op de kookplaat zit, omdat dit helpt bij het afvoeren van ladingsopbouw op de wafer.
- Elektrodedepositie
- Plaats de wafer in de vacuümkamer van het sputterdepositiesysteem en pomp de kamer naar 5 x 10-6 mTorr. Stel de argondruk in op 2,3 mTorr en de rotatiesnelheid op 13 rpm.
OPMERKING: Als parameters voor het specifieke instrument dat wordt gebruikt zijn vastgesteld die resulteren in films van hoge kwaliteit, gebruik deze dan in plaats daarvan. - Deponeren 5−10 nm titanium bij 1,2−1,6 A/s.
OPMERKING: Test voordat u dit proces met de beoogde wafer begint, de depositiesnelheid met het plasmavermogen dat is ingesteld op 200 W en deponeert gedurende 1 min. Meet vervolgens de hoogte van de laag met een profilometer. Doe dit apart voor elk metaal. Stel het vermogen in volgens deze test om de aangegeven depositiesnelheid te bereiken. - Stort 1-1,2 μm goud bij 7−9 A/s.
OPMERKING: Depositie met een hoger tempo als gevolg van een verhoogd plasmavermogen of verhoogde argon gedeeltelijke druk kan de filmkwaliteit verminderen. - Verwijder de wafer en herhaal stappen 1.2.1−1.2.3 voor de tweede zijde van de wafer.
- Plaats de wafer in de vacuümkamer van het sputterdepositiesysteem en pomp de kamer naar 5 x 10-6 mTorr. Stel de argondruk in op 2,3 mTorr en de rotatiesnelheid op 13 rpm.
- Dicing
- Gebruik een dicing zaag om de hele wafer dobbelstenen als dat nodig is.
OPMERKING: Een beschermende weerstand kan worden toegepast op het substraat voorafgaand aan dicing, en het systeem (Tabel van materialen) hier gebruikt past een UV-geneesbare film net voordat de monsters worden geladen op het dicing stadium. Het blijkt dat het indiceren van de monsters met een geautomatiseerde zaag de integriteit van de monsters niet in gevaar brengt. Hand-scribe dicing van LN is mogelijk, hoewel vervelend en gevoelig voor inconsistenties.
- Gebruik een dicing zaag om de hele wafer dobbelstenen als dat nodig is.
2. Elektrisch en mechanisch contact maken met de transducer
OPMERKING: Verschillende methoden worden hieronder beschreven (stap 2.1−2.4) en wordt later in het protocol gemarkeerd welke methode het meest geschikt is voor elke volgende stap.
- Plaats een in blokjes gesneden transducer plat op een magnetische stalen plaat. Monteer een pogo-sonde in contact met de plaat en een andere pogo-sonde in contact met het bovenste oppervlak van de transducer. Hierna wordt dit pogo-plaatcontact genoemd.
- Plaats de transducer tussen twee pogo-sondes. Hierna aangeduid als pogo-pogo contact.
- Soldeerdraad aan elk gezicht van de transducer. Hierna wordt dit zogenaamde soldeercontact genoemd.
- Monteer een aangepaste transducer houder.
- Bestel de aangepaste printplaten (PCB's) waarvan de Gerber-bestanden zijn geleverd.
- Soldeer twee oppervlakte mount veer contacten(Tabel van materialen) aan elke aangepaste PCB. Druk past de spikes in de vergulde gaten op de aangepaste PCB's, zodat ze wijzen uit de buurt van elkaar.
- Sluit de twee aangepaste PCB's met board spacers en schroeven, zodat de contacten zijn gewoon in contact met elkaar. Pas indien nodig de afstand aan met kunststof ringen.
- Schuif een 3 mm x 10 mm transducer tussen het binnenste paar contacten. Knip de buitenste contacten vast zodat ze het circuit niet kortsluiten.
LET OP: Figuur 1 toont de hele assemblage.
3. Resonantiefrequentie-identificatie via impedantieanalyse
- Zorg ervoor dat een poortkalibratie is uitgevoerd volgens de instructies van de fabrikant voor de specifieke contactmethode die wordt gebruikt.
- Sluit een transducer aan op de open poort van de netwerkanalyzer(Tabel van materialen)met een van de contactmethoden beschreven in stap 2.1−2.4.
OPMERKING: Het kan leerzaam zijn om deze analyse te herhalen met meerdere elektrische contactmethoden en de resultaten te vergelijken. - Selecteer de parameter reflectiecoëfficiënt, s11, via de gebruikersinterface van de netwerkanalyzer, kies het frequentiebereik van belang en voer de frequentieveger.
LET OP: s11 is de inputreflectiecoëfficiënt en heeft een minimumwaarde bij de resonantiefrequentie van de werking. Voor een typische 500 μm dikke 128YX LN wafer zal de primaire resonantiefrequentie in de buurt van 7 MHz liggen en de tweede harmonische in de buurt van 21 MHz, zoals geïllustreerd in figuur 2. De impedantie plot in frequentie ruimte weergegeven op het instrument zal vertonen lokale minima op de resonantie frequenties. - De gegevens exporteren door Opslaan/terugroepen te selecteren | Sla Trace-gegevens op de gebruikersinterface op voor nadere inspectie met behulp van gegevensverwerkingssoftware om de exacte minimalocaties te identificeren.
4. Trillingskarakterisering via LDV
- Plaats een transducer in pogo-plaat contact op de LDV stage. Sluit de pogo-sonde leidt naar het signaal generator. Zorg ervoor dat het gebruiksdoel wordt geselecteerd in de acquisitiesoftware(Tabel van materialen)en richt de microscoop op het oppervlak van de transducer.
- Definieer de scanpunten door Scanpunten definiëren te selecteren of ga naar stap 4.3 als u een continue scan uitvoert.
- Selecteer de optie Instellingen en selecteer onder het tabblad Algemeen de optie FFT of Tijd, afhankelijk van of de scan wordt uitgevoerd in het frequentie- of tijddomein. Selecteer het aantal gemiddelden in deze sectie.
OPMERKING: Het aantal gemiddelden is van invloed op de scantijd. Vijf gemiddelden voor de in dit protocol beschreven transducers hebben aangetoond voldoende signaal/ruisverhouding te geven. - Controleer op het tabblad Kanaal of de actieve selectievakjes zijn ingeschakeld, die overeenkomen met de verwijzing en het gereflecteerde signaal van de transducer. Pas de referentie- en incidentkanalen aan door een spanningswaarde te selecteren in het vervolgkeuzemenu om de maximale signaalsterkte van het substraat te verkrijgen.
- Als de meting onder één frequentiesignaal wordt uitgevoerd, selecteert u Sinus in de lijst met pull down-waveform-pull down als de meting onder één frequentiesignaal wordt uitgevoerd. Waveform als het zich onder een bandsignaal bevindt, selecteert u MultiCarrierCW.
- Wijzig de bandbreedte en FFT-regels op het tabblad Frequentie om de scanresolutie voor een frequentiedomeinscan aan te passen. Wijzig ook de voorbeeldfrequentie op het tabblad Tijd bij het uitvoeren van tijddomeinmetingen.
OPMERKING: De gebruikte bandbreedte is meestal 40 MHz en het aantal FFT-lijnen is 32.000. De presentatiesoftware (Tabel van materialen) kan worden gebruikt voor het verwerken en analyseren van de gegevens verkregen uit de scan. Een typisch verplaatsingsspectrum is opgenomen in figuur 3.
5. Vloeistoftoevoer
- Verkrijg een 25 mm lange wick met een diameter van 1 mm, bestaande uit een bundel vezels van een hydrofiel polymeer die is ontworpen om waterige vloeistof over de lengte te vervoeren, zoals die beschikbaar zijn voor plug-in luchtverfrissers. Trim een uiteinde zodanig dat een off center point wordt gevormd.
- Steek de lont in een spuittip met een binnendiameter die zorgt voor een knusse pasvorm en een lengte waarmee de lont 1−2 mm buiten elk uiteinde kan uitstrekken. Vergrendel de punt op een spuit met de gewenste capaciteit (1−10 mL).
- Monteer de wick/spuitassemblage zodanig dat de lont 10°−90° van horizontaal is (afhankelijk van de gewenste vernevelingssnelheid, die ook afhankelijk is van de toegepaste spanning) en de punt van de lont is gewoon in contact met de rand van de transducer zoals afgebeeld in figuur 1C.
- Vul de spuit met water en breng een continu spanningssignaal (te beginnen met 20 Vpp) aan op de resonantiefrequentie die wordt bepaald met behulp van de impedantieanalyzer. Pas het spanningsniveau aan totdat de vloeistof continu wordt geatomiseerd zonder dat het apparaat overstroomt of uitdroogt.
6. Dynamica-observatie via high-speed imaging
- Monteer een high-speed camera horizontaal op een optische tafel, plaats een transducer in pogo-pogo contact of pogo-plate contact op een x-y-z stadium in de buurt van de brandpuntsafstand van de camera, en plaats een diffuse lichtbron ten minste een brandpuntsafstand aan de andere kant van de transducer van de camera.
- Voor pogo-pogo contact, plaats de vloeistoftoevoer, zodat het niet blokkeren van de camera te bekijken of de lichtbron. Voor pogo-plaat contact, breng vloeistof direct aan op het substraat met een pipet.
- Pas de camerafocus en de x-y-z-positie aan om het vloeistofmonster scherp te stellen.
- Schat de frequentie van het specifieke fenomeen dat op basis van literatuur moet worden bestudeerd. Kies een framesnelheid die ten minste twee keer zo groot is als deze frequentie volgens de Nyquist-snelheid om aliasing te voorkomen.
OPMERKING: Denk bijvoorbeeld aan capillaire golven die optreden op een sessile drop op een bereik van frequenties. Camera's met een beperkte ruimtelijke resolutie kunnen alleen golven onderscheiden met een minimale amplitude. In dit geval komt de minimale amplitude voor rond de 4 kHz, dus er wordt gekozen voor een framerate van 8.000 frames per seconde (fps). - Pas de lichtintensiteit, de camera sluiter of beide aan om het contrast tussen de vloeistof en de achtergrond te optimaliseren.
OPMERKING: Een ondoorzichtige kleurstof kan aan de vloeistof worden toegevoegd om het contrast te verhogen. - Sluit alligatorclips van de versterkte signaalgenerator aan op de pogo-sondes.
- Leg video in de camerasoftware gelijktijdig vast met bediening via het spanningssignaal door zowel tegelijkertijd handmatig te activeren als door een triggerouttie van de signaalgenerator op de camera aan te sluiten.
OPMERKING: De gebruikte standaard framesnelheid is 8.000 fps en er wordt een CF4-doelstelling gebruikt. - Bewaar alleen de frames die het fenomeen bevatten om verspilde opslag, die bijzonder relevant is bij grote framesnelheden, te voorkomen om een resultaat te produceren, zoals aangegeven in figuur 4.
OPMERKING: Zorg ervoor dat u het bestand opslaat in een indeling die compatibel is met de software voor beeldverwerking naar keuze, zodat nuttige gegevens kunnen worden geëxtraheerd.
7. Druppelgroottemeting via laserverstrooiingsanalyse
- Het laserverstrooiingssysteem(Tabel van materialen)heeft een module die de laser uitzendt en een die het verspreide lasersignaal ontvangt. Plaats de modules langs de rail die bij het systeem is voorzien, met een afstand van 20−25 cm.
- Monteer een platform in deze kloof zo dat, wanneer de transducer en vloeistoftoevoersamenstellingen erop worden geplaatst, geatomiseerde mist in het laserstraalpad wordt uitgeworpen. Deze uitlijning vergemakkelijken door de laserstraal aan te zetten via gereedschap te selecteren | Laser controle... | Laser op als een visuele indicator.
- Bevestig de transducerhouder op het platform en bevestig de vloeistoftoevoer aan een gelede arm(Tabel van materialen). Plaats de vloeistoftoevoer zo dat de punt van de lont net in contact komt met de rand van de transducer.
- Maak een standaard procedure (SOP) in de software door op het pictogram Nieuwe SOP te klikken. Configureer de SOP met de volgende instellingen: template = Standaard continu, bemonsteringsperiode (s) = 0.1, onder Gegevensverwerking, klik op Bewerken... en stel Spuitprofiel in | Padlengte (mm) tot 20.0,klik op Alarmen om de standaardwaarden te gebruiken en Min-transmissie (%) in te stellen op 5 en 1 en minverstrooiing in te stellen op 50 en 10. Laat alle andere instellingen als standaard.
OPMERKING: Raadpleeg de softwarehandleiding die bij het instrument is bijgekomen. - Start de meting binnen de software door op Meten te klikken | Start SOP en selecteer de SOP die is gemaakt in stap 7.4. Wacht tot achtergrondkalibraties zijn voltooid. Vul het vloeistoftoevoerreservoir, de spuit, met water tot het gewenste niveau en let op het volume. Schakel het spanningssignaal in om te beginnen met het vernevelen van de vloeistof. Start de stopwatch en start de meting door op Start te klikken.
- De software genereert een grootteverdeling op basis van het verspreide lasersignaal bij de ontvanger als gevolg van de Mie-theorie en een multiverstrooiingsalgoritme. Zodra het gewenste volume vloeistof is geatomiseerd, schakelt u het spanningssignaal uit, stopt u de stopwatch en registreert u het uiteindelijke volume en stopt u met het opnemen van gegevens door op Stoppente klikken.
OPMERKING: Het laserverstrooiingssysteem is in staat om slechts 1 μL vloeistof te meten en heeft geen bovengrens voor vloeistofvolume. De vernevelingsstroomsnelheid kan eenvoudig worden berekend door het volume te delen door de tijdsduur. - Selecteer in het metings histogram het gedeelte van de gegevens waarin de verneveling plaatsvond zoals verwacht en het signaal bij de ontvanger was sterk genoeg om statistisch significant te zijn. Klik op Gemiddeld | Ok om een distributie te genereren op basis van de geselecteerde gegevens.
OPMERKING: Alle metingen met deze techniek zijn statistische gemiddelden en dus, als er te weinig druppels zijn, zal het verspreide signaal zwak zijn en zal de meting statistisch onbeduidend zijn. - Sla de gemiddelde verdeling op door het venster te selecteren en op Bewerken te klikken | Kopieer tekst en plak het resultaat in een tekstbestand en bewaar met een toepasselijke naam.
OPMERKING: Deze distributiegegevens kunnen nu worden gebruikt met andere software (bijvoorbeeld MATLAB) om het plot in figuur 5te maken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dikte modus piëzo-elektrische apparaten werden vervaardigd uit 128YX lithium niobate. Figuur 1 toont een volledige assemblage om de transducer op zijn plaats te houden met een aangepaste transducerhouder die wordt gebruikt met het passieve vloeistofleveringssysteem dat is ontwikkeld voor continue verneveling. De karakteriseringsstappen voor deze apparaten omvatten de bepaling van de resonerende frequentie en harmonischen met behulp van een impedantieanalyzer (figuur 2). De fundamentele frequentie van de apparaten bleek dicht bij 7 MHz te liggen met behulp van de techniek beschreven in dit protocol, zoals voorspeld door de dikte van het substraat. Verdere karakterisering van substraattrillingen werd uitgevoerd met behulp van contactloze laser Doppler vibrometer metingen. Deze metingen bepalen de omvang van de verplaatsing van het substraat en bevinden zich meestal in het nm-bereik(figuur 3). Continue verneveling is essentieel om praktische toepassingen van apparaten in de diktemodus mogelijk te maken, en dit is aangetoond door het ontwikkelen van een passief vloeistoftoevoersysteem op het substraat. Ten slotte werden twee technieken beschreven om druppeltrillingen en vernevelingsdynamiek te observeren door high-speed beeldvorming uit te voeren en door het meten van druppelgrootteverdeling zoals weergegeven in figuur 4 en figuur 5.
Figuur 1: De hele assemblage van een aangepaste transducerhouder. (A) De posities van de transducerhouder en de vloeistoftoevoer worden elk met articulerende armen geregeld, zodat de punt van de lont net in contact komt met de rand van de transducer. Inzet(B)onthult de aard van het elektrische en mechanische contact met de transducerelektroden. Inzet(C)onthult de aard van het contact tussen de transducerrand en de vloeibare lont. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: De parameterwaarden van de echte s11 verstrooiing gemeten over een bereik van 1−25 MHz voor een 127,86° YX lithium niobate-apparaat, wat de aanwezigheid van een resonantiepiek op ongeveer 7 MHz aangeeft. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: Een multi-carrier, FFT-scan met 5 gemiddelden op elk punt werd uitgevoerd over 9 bij 9 scanpunten gedefinieerd in een gebied van 0,6 bij 0,6 mm in het frequentiebereik 5−25 MHz. De gerapporteerde verplaatsing is de maximale verplaatsing gemiddeld over alle punten. De fundamentele dikte modus voor 0,5 mm dik LN kan worden gezien op 7 MHz, en een zwakkere tweede harmonische is aanwezig op ~ 21 MHz. Let op er zijn meerdere smalle pieken op elke resonantie als gevolg van interferentie met laterale modi. Multi-carrier scans verspreiden de spanningsinvoer, dus de verplaatsing hier is geen nauwkeurige meting van de prestaties van het apparaat. Voor een dergelijke meting wordt aanbevolen om een scan met één frequentie uit te voeren op de resonantiefrequentie en met toepassingsrelevante spanningen. Bijvoorbeeld, deze 10 mm x 5 mm dikte modus transducer produceert een 5 nm max amplitude op 45 Vpp wanneer aangedreven op 6.93 MHz. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: Het begin van capillaire golven op een waterdruppel van 2 μL wordt aangegeven door een video van 8.000 fps van de vloeistofinterface; de daling wordt aangedreven door een reductie in de diktemodus die wordt aangedreven op 6,9 MHz, wat het aanzienlijke tijdsverschil tussen de hydrodynamische respons en de akoestische excitatie laat zien. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: Druppelgrootteverdeling wordt meestal gemeten als een volumefractie ten opzichte van de druppeldiameter, waarbij hier (A) een commerciële vernevelaar en (B) een LN-diktemodusapparaat worden vergeleken, beide met water. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Aanvullende figuur 1: Een vergelijking van de impedantieanalysespectra voor dezelfde transducer met twee verschillende vormen van elektrisch contact (pogo-plaat, pogo-pogo en transducerhouder) toont significante verschillen in s11 verstrooiingsparameterwaarden. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Film 1: LDV vibratiemodus van 5 mm x 5 mm vierkante transducer. Klik hier om deze video te bekijken. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden.)
Film 2: LDV trillingsmodi van 3 mm x 10 mm transducer. Dit zijn nauwe benaderingen van dikte modi zonder de aanwezigheid van significante laterale modi. Klik hier om deze video te bekijken. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De afmetingen en beeldverhouding van een transducer zijn van invloed op de trillingsmodi die het produceert. Omdat de laterale afmetingen eindig zijn, zijn er altijd laterale modi naast de gewenste diktemodi. De bovenstaande LDV-methoden kunnen worden gebruikt om dominante modi in het gewenste frequentiebereik voor een bepaalde transducer te bepalen. Een vierkant met afmetingen van minder dan 10 mm geeft doorgaans een nauwe benadering van een diktemodus. Drie bij tien millimeter rechthoeken werken ook goed. Film 1 en Movie 2 tonen LDV gebied scans van het plein en de 3 mm x 10 mm transducers aangeeft dat ze dicht bij de dikte modus. Deze zijn empirisch bepaald in plaats van geselecteerd door simulatie en ontwerp, hoewel dergelijke methoden kunnen worden gebruikt om ideale zijdelingse dimensies te vinden.
De methode van elektrisch en mechanisch contact met de transducer beïnvloedt ook de trillingen die het produceert, omdat dit de randvoorwaarden zijn waaraan de piëzo-elektrische plaat onderworpen is. We hebben een impedantiespectrum opgenomen voor drie meettechnieken: pogo-plaat, pogo-pogo en transducerhouder als vergelijking in supplementaire figuur 1. Het is duidelijk dat de resonantie pieklocaties in dit geval niet worden veranderd door onze keuzes van contact. We merken wel op dat mechanisch contact tussen de transducer en een plaatoppervlak trillingen dempt waardoor verneveling minder efficiënt wordt. Pogo-plaat contact wordt gebruikt in het geval van LDV metingen, want het is de eenvoudigste manier om een vlakke, stationaire oppervlak waarop de laser te richten.
De hier beschreven vloeistoftoevoerassemblage is afhankelijk van capillaire werking en zwaartekracht om de transducer passief te bevoorraden met een dunne laag water terwijl deze wordt weggelichaamd. De trilling van de transducer produceert een acoustowetting effect dat kan genoeg zijn om een dunne film te creëren en overstromingen te voorkomen, maar in sommige gevallen een hydrofiele behandeling nodig zal zijn op het transducer oppervlak. Als continue verneveling niet wordt bereikt, is dit de meest waarschijnlijke route om het probleem op te lossen.
Metingen werden uitgevoerd met een ultra-hoge frequentie vibrometer(Tabel van materialen) hier, maar andere LDV's kunnen worden gebruikt. Elektrisch contact kan worden gemaakt door het solderen van een draad aan elk gezicht van de transducer, hoewel het soldeer kan aanzienlijk veranderen de resonantie frequenties en modi van de transducer. Een andere techniek is om de transducer op een metalen basis te plaatsen en "pogo" lentecontactsondes te gebruiken die in contact worden gebracht op de bovenkant van het piëzo-elektrische transducer-element terwijl het plat op het podium zit, handig wanneer een groot gebied moet worden gescand. Nauwkeurige meting van de resonantiefrequenties is belangrijk om de transducer efficiënt te bedienen en de energiedoorvoer naar mechanische beweging op deze frequenties te maximaliseren. Een frequentiescan met behulp van de LDV biedt deze informatie, maar vergt een lange tijd, in de orde van tientallen min. Een impedantie analyzer kan de resonantiefrequenties veel sneller bepalen, vaak minder dan een minuut. In tegenstelling tot de LDV geeft de op impedantie gebaseerde meting echter geen informatie over de trillingsamplitude bij de resonantiefrequenties, wat belangrijk is bij het bepalen van vloeistofverneveling van het oppervlak van de transducer.
Hoewel trillingen van het substraat voorkomen in het 10−100 MHz-regime, treedt de dynamiek van vloeistoffen in contact met het substraat op bij veel langzamere tijdschalen. Capillaire golven op het oppervlak van een sessile drop zijn bijvoorbeeld waarneembaar bij 8.000 fps, ervan uitgaande dat de ruimtelijke resolutie van de camera de amplitude van een golfkam kan onderscheiden en dat de golffrequentie lager is dan 2.000 Hz. De camera opstelling beschreven boven beelden uitgezonden licht en is dus goed voor het observeren van de omtrek van objecten die licht anders overbrengen dan lucht. Indien onvoldoende, kan een gereflecteerde of fluorescerende lichtopstelling nodig zijn. De belichtingstijd voor elk frame neemt af naarmate de framesnelheid wordt verhoogd, zodat de lichtintensiteit dienovereenkomstig moet worden verhoogd. De objectieve lens moet worden gekozen op basis van de lengteschaal van het onderzochte fenomeen, maar het bovenstaande protocol werkt met een algemeen beschikbare vergroting. Als voorbeeld werd figuur 4 verkregen met de bovenstaande high-speed video methode. Het contrast bij de drop-interface zou het mogelijk maken deze frames te worden gesegmenteerd in software (ImageJ en MATLAB), zodat de interface dynamiek kan worden bijgehouden in de tijd.
In de druppel maatapparatuur die in dit protocol wordt gebruikt(Tabel van materialen),zijn de laseroptica en verstrooiingsdetectoren relatief standaard, maar de software is bedrijfseigen en complex. Naast de Mie-theorie maken meerdere verstrooiingsgebeurtenissen druppelgrootte en opsomlingberekeningen veel moeilijker. Mie theorie gaat ervan uit dat de meeste fotonen zijn slechts een keer verspreid, maar wanneer druppels zijn dicht gespreide, dat wil zeggen, de afstand tussen druppels is niet veel groter dan de druppels zelf, en de spray pruim heeft betrekking op een suefficiently groot gebied, dan is deze veronderstelling mislukt18. Als voorbeeld van het oplossen van problemen met de resultaten van dit instrument, overweeg dan figuur 5. Merk op dat de piek met een diameter van 0,5 mm in beide distributies wordt weergegeven. De commerciële vernevelaar is bekend dat monodisperse druppels in de buurt van 10 μm produceren, dus de grotere piek is waarschijnlijk ofwel een vals resultaat als gevolg van de grote hoeveelheid multi-scattering gebeurtenissen of agglomeratie van kleinere druppels in de spray. Dit houdt in dat de grote piek in de verdeling van de diktemodus ook een vals resultaat kan zijn. Dit kan direct worden geverifieerd door high-speed video: dergelijke grote druppels zou gemakkelijk zichtbaar zijn, maar ze worden niet waargenomen in dit geval.
Laser verstrooiing deeltjesgrootte analyse kan ook moeilijk zijn wanneer de verstrooiing signaal zwak wordt. Dit is meestal te wijten aan een lage verneveling tarief of wanneer een deel van de spray niet door het laserpad. Een zwak vacuüm kan worden gebruikt om de volledige geatomiseerde mist door de uitgebreide laserstraal van de apparatuur te trekken in gevallen waarin het anders zou ontsnappen meting. Voor nog meer controle van de sproeiomstandigheden kan een vochtigheidskamer rond het laserstraalpad worden geïnstalleerd, maar dit is niet nodig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs zijn dankbaar voor de Universiteit van Californië en de NANO3 faciliteit aan de UC San Diego voor de levering van fondsen en faciliteiten ter ondersteuning van dit werk. Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd bij de San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) van UCSD, een lid van de National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die wordt ondersteund door de National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). Het hier gepresenteerde werk werd royaal ondersteund door een onderzoekssubsidie van de W.M. Keck Foundation. De auteurs zijn ook dankbaar voor de steun van dit werk door het Office of Naval Research (via Grant 12368098).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Amplifier | Amplifier Research, Souderton, PA, USA | 5U1000 | |
| Articulating arm | Fisso, Zurich, Switzerland | ||
| CF4 Objective | Edmund Optics, Barrington, NJ, USA | Objective used for high speed imaging | |
| Dicing saw | Disco, Tokyo, Japan | Disco Automatic Dicing Saw 3220 | |
| Fiber Fragrance Diffuser Wick | Weihai Industry Co., Ltd., Weihai, Shandong, China | https://www.weihaisz.com/Fiber-Fragrance-Diffuser-Wick_p216.html | |
| High Speed Camera | Photron, San Diego, USA | Fastcam Mini | |
| Laser Doppler Vibrometer | Polytec, Waldbronn, Germany | UHF120 | Non-contact laser doppler vibrometer |
| Laser Scattering Droplet size measurement system | Malvern Panalytical, Malvern, UK | STP5315 | |
| Lithium niobate substrate | PMOptics,Burlington, MA, USA | PWLN-431232 | 4” double-side polished 0.5 mm thick 128°Y-rotated cut lithium niobate |
| Luer-lock syringes | Becton Dickingson, New Jersey, USA | ||
| Nano3 cleanroom facility | UCSD, La Jolla, CA, USA | Fabrication process is performed in it. | |
| Network Analyzer | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | 5061B | |
| Oscilloscope | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | InfiniiVision 2000 X-Series | |
| PSV Acquistion Software | Polytec, Waldbronn, Germany | Version 9.4 | LDV Software |
| PSV Presentation Software | Polytec, Waldbronn, Germany | Version 9.4 | LDV Software |
| Signal generator | NF Corporation, Yokohama, Japan | WF1967 multifunction generator | |
| Single Post Connector | DigiKey, Thief River Falls, MN | ED1179-ND | |
| Sputter deposition | Denton Vacuum, NJ, USA | Denton 18 | Denton Discovery 18 Sputter System |
| Surface Mount Spring Contacts | DigiKey, Thief River Falls, MN | 70AAJ-2-M0GCT-ND | |
| Teflon wafer dipper | ShapeMaster, Ogden, IL, USA | SM4WD1 | Wafer Dipper 4" |
| XYZ Stage | Thor Labs, Newton, New Jersey, USA | MT3 | Optical table stages |
References
- Wood, R. W., Loomis, A. L. XXXVIII.physical and biological effects of high-frequency sound-waves of great intensity. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 4 (22), 417-436 (1927).
- Dalmoro, A., Barba, A. A., Lambert, G., d'Amore, M. Intensifying the microencapsulation process: Ultrasonic atomization as an innovative approach. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 80 (3), 471-477 (2012).
- Namiyama, K., Nakamura, H., Kokubo, K., Hosogai, D. Development of ultrasonic atomizer and its application to S.I. engines. SAE Transactions. , 701-711 (1989).
- Qi, A., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Interfacial destabilization and atomization driven by surface acoustic waves. Physics of Fluids. 20 (7), 074103 (2008).
- Wang, J., Hu, H., Ye, A., Chen, J., Zhang, P. Experimental investigation of surface acoustic wave atomization. Sensors and Actuators A: Physical. 238, 1-7 (2016).
- James, A., Vukasinovic, B., Smith, M. K., Glezer, A. Vibration-induced drop atomization and bursting. Journal of Fluid Mechanics. 476, 1-28 (2003).
- Randall, C. A., Kim, N., Kucera, J. P., Cao, W., Shrout, T. R. Intrinsic and extrinsic size effects in fine-grained morphotropic-phase-boundary lead zirconate titanate ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 81 (3), 677-688 (1998).
- Tsai, S. C., Lin, S. K., Mao, R. W., Tsai, C. S. Ejection of uniform micrometer-sized droplets from Faraday waves on a millimeter-sized water drop. Physical Review Letters. 108 (15), 154501 (2012).
- Jeng, Y. R., Su, C. C., Feng, G. H., Peng, Y. Y., Chien, G. P. A PZT-driven atomizer based on a vibrating flexible membrane and a micro-machined trumpet-shaped nozzle array. Microsystem Technologies. 15 (6), 865-873 (2009).
- Lupascu, D., Rödel, J. Fatigue in bulk lead zirconate titanate actuator materials. Advanced Engineering Materials. 7 (10), 882-898 (2005).
- Kawamata, A., Hosaka, H., Morita, T. Non-hysteresis and perfect linear piezoelectric performance of a multilayered lithium niobate actuator. Sensors and Actuators A: Physical. 135 (2), 782-786 (2007).
- Qi, A., Yeo, L., Friend, J., Ho, J. The Extraction of Liquid, Protein Molecules and Yeast Cells from Paper Through Surface Acoustic Wave Atomization. Lab on a Chip. 10 (4), 470-476 (2010).
- Collignon, S., Manor, O., Friend, J. Improving and Predicting Fluid Atomization via Hysteresis-Free Thickness Vibration of Lithium Niobate. Advanced Functional Materials. 28 (8), 1704359 (2018).
- Lawson, A.
- Fukushima, Y., Nishizawa, O., Sato, H. A performance study of a laser doppler vibrometer for measuring waveforms from piezoelectric transducers. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 56 (7), 1442-1450 (2009).
- Thoroddsen, S., Etoh, T., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubbles. Annual Reviews in Fluid Mechanics. 40, 257-285 (2008).
- Yule, A., Al-Suleimani, Y. On droplet formation from capillary waves on a vibrating surface. Proceedings of the Royal Society of London Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 456 (1997), 1069-1085 (2000).
- Hirleman, E. D. Modeling of multiple scattering effects in Fraunhofer diffraction particle size analysis. Optical Particle Sizing. Gouesbet, G., Gréhan, G. , Springer. Boston, MA. 159-175 (1988).
