Summary
Viene descritta la fabbricazione di trasduttori in modalità spessore piezoelettrico tramite sputtering a corrente diretta di elettrodi a piastre su niobate al litio. Inoltre, un funzionamento affidabile è ottenuto con un supporto trasduttore e un sistema di alimentazione dei fluidi e la caratterizzazione è dimostrato tramite l'analisi dell'impedimento, la vibrometria del doppler laser, l'imaging ad alta velocità e la distribuzione delle dimensioni delle goccioline utilizzando la dispersione laser.
Abstract
Vi presentiamo una tecnica per fabbricare dispositivi piezoelettrici in modalità spessore semplice utilizzando il litio niobate (LN). Tali dispositivi hanno dimostrato di atomizzare il liquido in modo più efficiente, in termini di portata per ingresso di potenza, rispetto a quelli che si basano sulle onde di Rayleigh e altre modalità di vibrazione in LN o piombo zirconato titanate (P-T). Il dispositivo completo è composto da un trasduttore, un supportoere e un sistema di alimentazione dei fluidi. I fondamenti dell'atomizzazione acustica dei liquidi non sono ben noti, quindi vengono descritte anche le tecniche per caratterizzare i dispositivi e studiare i fenomeni. La vibrometria laser Doppler (LDV) fornisce informazioni sulle vibrazioni essenziali per confrontare i trasduttori acustici e, in questo caso, indica se un dispositivo funzionerà bene nelle vibrazioni dello spessore. Può anche essere utilizzato per trovare la frequenza di risonanza del dispositivo, anche se queste informazioni si ottengono più rapidamente tramite l'analisi impedibile. L'atomizzazione fluida continua, come esempio di applicazione, richiede un attento controllo del flusso fluido, e presentiamo un tale metodo con misurazioni di imaging ad alta velocità e distribuzione delle dimensioni delle goccioline tramite la dispersione laser.
Introduction
L'atomizzazione ad ultrasuoni è stata studiata per quasi un secolo e anche se ci sono molte applicazioni, ci sono limitazioni nella comprensione della fisica sottostante. La prima descrizione del fenomeno è stata fatta da Wood e Loomis nel 19271, e da allora ci sono stati sviluppi nel campo per applicazioni che vanno dalla fornitura di fluidi farmaceutici aerosolizzati2 all'iniezione di carburante3. Anche se il fenomeno funziona bene in queste applicazioni, la fisica sottostante non è ben compresa4,5,6.
Una limitazione fondamentale nel campo dell'atomizzazione ad ultrasuoni è la scelta del materiale utilizzato, piombo zirconaate titanate (P -T), un materiale isterico incline al riscaldamento7 e contaminazione del piombo con piombo elementare disponibile dai confini inter-grano8,9. La dimensione del grano e le proprietà meccaniche ed elettroniche dei confini dei grani limitano anche la frequenza con cui la P-T può operare10. Al contrario, il litio niobate è privo di piombo e non presenta isteresi11e può essere utilizzato per atomizzare i fluidi in modo più efficiente rispetto agli atomizzatori commerciali12. Il taglio tradizionale del niobate al litio utilizzato per il funzionamento in modalità spessore è il taglio ruotato a Y a 36 gradi, ma il taglio a 127,86 gradi lungo-Y ruotato, X-propagazione (128YX), tipicamente utilizzato per la generazione di onde acustiche superficiali, è stato dimostrato di avere un'ampiezza di spostamento della superficie più alta rispetto al taglio13 di 36 gradi quando azionato in risonanza e perdita bassa. È stato anche dimostrato che il funzionamento della modalità spessore offre un miglioramento dell'ordine di grandezza nell'efficienza dell'atomizzatore rispetto ad altre modalità divibrazione 13, anche quando si utilizza LN.
La frequenza di risonanza di un dispositivo piezoelettrico che opera in modalità spessore è regolata dal suo spessore t: la lunghezza d'onda è 2t/n dove n s 1, 2,... è il numero di anti-nodi. Per un substrato spesso 500 m, questo corrisponde a una lunghezza d'onda di 1 mm per la modalità fondamentale, che può vquindi essere utilizzata per calcolare la frequenza di risonanza fondamentale, f .λ La velocità del suono attraverso lo spessore di 128YX LN è di circa 7.000 m/s, e quindi f 7 MHz. A differenza di altre forme di vibrazione, in particolare le modalità legate alla superficie, è semplice eccitare le armoniche della modalità di spessore di ordine superiore a frequenze molto più alte, qui a 250 MHz o più, anche se solo le modalità dispari possono essere eccitate da campi elettrici uniformi14. Di conseguenza, la seconda armonica(n n - 2) vicino a 14 MHz non può essere eccitata, ma la terza armonica a 21 MHz(n - 3) può. La fabbricazione di dispositivi efficienti in modalità spessore richiede il deposito di elettrodi sulle facce opposte del trasduttore. Usiamo la corrente diretta (DC) sputtering per raggiungere questo obiettivo, ma la deposizione del fascio di elettroni e altri metodi potrebbero essere utilizzati. L'analisi impedibile è utile per caratterizzare i dispositivi, in particolare nel trovare le frequenze di risonanza e l'accoppiamento elettromeccanico a queste frequenze. La vibrometria di Doppler laser (LDV) è utile per determinare l'ampiezza e la velocità della vibrazione in uscita senza contatto o calibrazione15e, tramite scansione, l'LDV fornisce la distribuzione spaziale della deformazione superficiale, rivelando la modalità di vibrazione associata a una determinata frequenza. Infine, ai fini dello studio dell'atomizzazione e della fluidodinamica, l'imaging ad alta velocità può essere impiegato come tecnica per studiare lo sviluppo di onde capillari sulla superficie di una goccia sessile16,17. Nell'atomizzazione, come molti altri fenomeni acoustofluidici, piccole goccioline vengono prodotte ad una velocità rapida, oltre 1 kHz in una determinata posizione, troppo rapidamente per i videocamere ad alta velocità per osservare con sufficiente fedeltà e campo visivo per fornire informazioni utili su una dimensione del campione di goccioline sufficientemente grande. La dispersione laser può essere utilizzata a questo scopo, passando le goccioline attraverso un raggio laser espanso per (Mie) disperdere parte della luce in riflessione e rifrazione per produrre un segnale caratteristico che può essere utilizzato per stimare statisticamente la distribuzione delle dimensioni delle goccioline.
È semplice fabbricare trasduttori in modalità di spessore piezoelettrico, ma le tecniche richieste nella caratterizzazione dei dispositivi e dell'atomizzazione non sono state chiaramente indicate nella letteratura fino ad oggi, ostacolando i progressi nella disciplina. Affinché un trasduttore in modalità spessore sia efficace in un dispositivo di atomizzazione, deve essere isolato meccanicamente in modo che la sua vibrazione non sia smorzata e debba avere una fornitura di fluidi continua con una portata pari al tasso di atomizzazione in modo che non si verifichino né disidratazione né inondazioni. Queste due considerazioni pratiche non sono state trattate a fondo nella letteratura perché le loro soluzioni sono il risultato di tecniche ingegneristiche piuttosto che di pura novità scientifica, ma sono comunque fondamentali per studiare il fenomeno. Presentiamo un supporto per trasduttori e un sistema di stoppinità liquida come soluzioni. Questo protocollo offre un approccio sistematico alla fabbricazione e alla caratterizzazione degli atomizzatori per facilitare ulteriori ricerche nella fisica fondamentale e nella miriade di applicazioni.
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Protocol
1. Fabbricazione del trasduttore in modalità spessore tramite DC sputtering
- Preparazione Wafer
- Mettere un wafer LN da 100 mm 128YX in un piatto di vetro pulito di almeno 125 mm di diametro. Sonicare il wafer in almeno 200 mL di acetone per 5 min.
- Ripetere la sonicazione con alcool isopropile e di nuovo con acqua deionizzata per 5 min ciascuno.
- Rimuovere l'acqua visibile dalla superficie utilizzando l'azoto secco.
- Rimuovere completamente l'acqua dalla superficie posizionando il wafer su una piastra calda a 100 gradi centigradi per 5 min. Assicurarsi che ci sia un foglio di foglio di alluminio sulla piastra calda in quanto questo aiuta a dissipazione del accumulo di carica sul wafer.
- Deposizione di elettrodi
- Posizionare il wafer nella camera a vuoto del sistema di deposizione dello sputter e pompare lungo la camera a 5 x 10-6 mTorr. Impostare la pressione dell'argon su 2,3 mTorr e la velocità di rotazione su 13 rpm.
NOTA: Se sono stati stabiliti parametri per lo strumento specifico utilizzato che si traducono in pellicole di alta qualità, utilizzare invece quelli. - Deposita 5-10 nm di titanio a 1,2-1,6 A/s.
NOTA: Prima di iniziare questo processo con il wafer previsto, testare il tasso di deposizione con la potenza del plasma impostata su 200 W e depositare per 1 min. Quindi misurare l'altezza dello strato con un profilometro. Eseguire questa operazione separatamente per ogni metallo. Impostare la potenza in base a questo test al fine di raggiungere il tasso di deposizione indicato. - Deposito 1-1,2 m d'oro a 7/9 A/s.
NOTA: la deposizione a un tasso più elevato a causa dell'aumento della potenza plasmatica o dell'aumento della pressione dell'argon può ridurre la qualità del film. - Rimuovete il wafer e ripetete i passaggi 1.2.1.1.2.3 per il secondo lato del wafer.
- Posizionare il wafer nella camera a vuoto del sistema di deposizione dello sputter e pompare lungo la camera a 5 x 10-6 mTorr. Impostare la pressione dell'argon su 2,3 mTorr e la velocità di rotazione su 13 rpm.
- Dicing
- Utilizzare una sega a dacing per tagliare l'intero wafer in base alle esigenze.
NOTA: Una resistenza protettiva può essere applicata sul substrato prima del dicing e il sistema (Tabella dei materiali) qui utilizzato applica una pellicola curabile UV appena prima che i campioni vengano caricati sullo stadio di carico. Si è scoperto che il dicing dei campioni con una sega di dicing automatizzato non compromette l'integrità dei campioni. Il dicing a mano di LN è possibile, anche se noioso e incline a incongruenze.
- Utilizzare una sega a dacing per tagliare l'intero wafer in base alle esigenze.
2. Effettuare il contatto elettrico e meccanico con il trasduttore
NOTA: di seguito vengono descritti diversi metodi (passaggi 2.1-2.4) che vengono evidenziati più avanti nel protocollo quale metodo è più appropriato per ogni passaggio successivo.
- Posizionare un trasdutto piatto a dadini su una piastra magnetica in acciaio. Montare una sonda pogo a contatto con la piastra e un'altra sonda a contatto con la superficie superiore del trasduttore. Di seguito questo sarà indicato come contatto pogo-piastra.
- Posizionare il trasduttore tra due sonde pogo. In seguito indicato come contatto pogo-pogo.
- Solder filo ad ogni faccia del trasduttore. Successivamente indicato come contatto di saldatura.
- Assemblare un supporto per trasduttore personalizzato.
- Ordinare le schede di circuito stampate personalizzate (PCB) i cui file Gerber sono stati forniti.
- Solder due contatti molla di montaggio superficie(Tabella dei materiali) a ogni PCB personalizzato. Premere per adattare i picchi nei fori placcati sui PCB personalizzati in modo che puntino lontano l'uno dall'altro.
- Collegare i due PCB personalizzati con distanziali e viti in modo che i contatti siano solo in contatto tra loro. Se necessario, regolare la spaziatura con le distanze di plastica.
- Far scorrere un trasduttore di 3 mm x 10 mm tra la coppia interna di contatti. Ritagliare i contatti esterni in modo che non si scodino il circuito.
NOTA: la figura 1 mostra l'intero assieme.
3. Identificazione della frequenza di risonanza tramite analisi impedibile
- Assicurarsi che sia stata eseguita una calibrazione della porta in base alle istruzioni del produttore per il metodo di contatto specifico in uso.
- Connettere un trasduttore alla porta aperta dell'analizzatore di rete (Tabella dei materiali) con uno dei metodi di contatto descritti nei passaggi 2.1.2.4.
NOTA: Può essere istruttivo ripetere questa analisi con più metodi di contatto elettrico e confrontare i risultati. - Selezionare il parametro del coefficiente di riflessione, s11, tramite l'interfaccia utente dell'analizzatore di rete, scegliere l'intervallo di frequenza di interesse ed eseguire la sweep di frequenza.
NOTA: s11 è il coefficiente di riflessione dell'input e ha un valore minimo alla frequenza di risonanza del funzionamento. Per un tipico wafer LN 128YX di 128YX di 128YX, la frequenza di risonanza primaria sarà vicina a 7 MHz e la seconda armonica sarà vicina a 21 MHz, come illustrato nella Figura 2. La trama impedibile nello spazio di frequenza visualizzato sullo strumento esporrà minima locale alle frequenze di risonanza. - Esportare i dati selezionando Salva/Richiama. Salva i dati di traccia sull'interfaccia utente per un esame più attento utilizzando il software di elaborazione dati per identificare le posizioni minime precise.
4. Caratterizzazione della vibrazione tramite LDV
- Posizionare un trasduttore a contatto pogo-plate sullo stadio LDV. Collegare il pogo-probe conduce al generatore di segnale. Assicurarsi che l'obiettivo in uso sia selezionato nel software di acquisizione (Tabella dei materiali) e concentrare il microscopio sulla superficie del trasduttore.
- Definire i punti di scansione selezionando Definisci punti di scansione o procedere al passaggio 4.3 se si esegue una scansione continua.
- Selezionare l'opzione Impostazioni e nella scheda Generale selezionare l'opzione FFT o Ora a seconda che la scansione venga eseguita in base alla frequenza o al dominio temporale. Selezionare il numero di medie in questa sezione.
NOTA: il numero di medie influisce sul tempo di scansione. Cinque medie per i trasduttori descritti in questo protocollo hanno dimostrato di dare un rapporto segnale/rumore sufficiente. - Nella scheda Canale, assicurarsi che le caselle Attivo siano selezionate, che corrispondono al riferimento e al segnale riflesso del trasduttore. Regolare i canali di riferimento e incidente selezionando un valore di tensione dal menu a discesa per ottenere la massima forza del segnale dal substrato.
- Nella scheda Generatore, se la misurazione viene eseguita sotto un singolo segnale di frequenza, selezionare Sine dall'elenco a discesa Forma d'onda; se si trova sotto un segnale banda, selezionare MultiCarrierCW.
- Modificare la larghezza di banda e le linee FFT nella scheda Frequenza per regolare la risoluzione della scansione per una scansione del dominio di frequenza. Analogamente, modificare la frequenza dei campioni nella scheda Tempo durante l'esecuzione di misurazioni del dominio temporale.
NOTA: la larghezza di banda utilizzata è 40 MHz e il numero di linee FFT è 32.000. Il softwaredipresentazione ( Tabella dei materiali ) può essere utilizzato per elaborare e analizzare i dati ottenuti dalla scansione. Un tipico spettro di spostamento è fornito in Figura 3.
5. Fornitura di liquidi
- Ottenere uno stoppino lungo 25 mm, di 1 mm di diametro composto da un fascio di fibre di un polimero idrofilo progettato per trasportare liquido acquoso attraverso la sua lunghezza, come quelli disponibili per i deodoranti plug-in. Tagliare un'estremità in modo che si formi un punto centrale fuori.
- Inserisci lo stoppino in una punta di siringa con un diametro interno che fornisce una vestibilità aderente e una lunghezza che permette allo stoppino di estendere 1,2 mm oltre ogni estremità. Bloccare la punta su una siringa con la capacità desiderata (1-10 mL).
- Montare l'assieme dello stoppino/siringa in modo che lo stoppino si diriga da orizzontale (a seconda del tasso di atomizzazione desiderato, che dipende anche dalla tensione applicata) e la punta dello stoppino è solo a contatto con il bordo del trasduttore come mostrato nella Figura 1C.
- Riempire la siringa con acqua e applicare un segnale di tensione continua (a partire da 20 Vpp) alla frequenza di risonanza determinata utilizzando l'analizzatore di impedimenti. Regolare il livello di tensione fino a quando il liquido non viene atomizzato continuamente senza che il dispositivo si allagi o si asciughi.
6. Osservazione dinamica tramite imaging ad alta velocità
- Montare rigidamente una telecamera ad alta velocità orizzontalmente su un tavolo ottico, posizionare un trasduttore in contatto pogo-pogo o pogo-plate su uno stadio x-y-z vicino alla lunghezza focale della fotocamera e posizionare una fonte di luce diffusa almeno una lunghezza focale sul lato opposto del trasduttore dalla fotocamera.
- Per il contatto pogo-pogo, posizionare l'alimentazione del fluido in modo che non blocchi la vista della fotocamera o la fonte di luce. Per il contatto pogo-plate, applicare il fluido direttamente sul substrato con una pipetta.
- Regolare la messa a fuoco della fotocamera e la posizione x-y-z per mettere a fuoco il campione di fluido in modo nitido.
- Stimare la frequenza del fenomeno specifico da studiare sulla base della letteratura. Scegliete una frequenza fotogrammi almeno il doppio di questa frequenza in base alla frequenza Nyquist per evitare l'aliasing.
NOTA: Ad esempio, si considerino le onde capillari che si verificano su una caduta sessile a una gamma di frequenze. Le telecamere limitate nella risoluzione spaziale possono distinguere solo le onde con un'ampiezza minima. In questo caso l'ampiezza minima si verifica intorno a 4 kHz in modo da una frequenza fotogrammi di 8.000 fotogrammi al secondo (fps) è scelto. - Regolare l'intensità della luce, l'otturatore della fotocamera o entrambi per ottimizzare il contrasto tra il fluido e lo sfondo.
NOTA: Un tinso opaco può essere aggiunto al fluido per aumentare il contrasto. - Collegare le clip di alligatore dal generatore di segnale amplificato ai cavi delle sonde pogo-probe.
- Acquisire il video nel software della fotocamera contemporaneamente con l'attivazione tramite il segnale di tensione attivando manualmente entrambi allo stesso tempo o collegando un'uscita di trigger dal generatore di segnale alla fotocamera.
NOTA: la frequenza fotogrammi tipica utilizzata è di 8.000 fps e viene utilizzato un obiettivo CF4. - Salvare solo i frame contenenti il fenomeno per evitare uno stoccaggio sprecato, particolarmente rilevante a frequenza fotogrammi elevati, per ottenere un risultato, come illustrato nella Figura 4.
NOTA: Assicurarsi di salvare il file in un formato compatibile con il software di elaborazione delle immagini di scelta in modo che i dati utili possono essere estratti.
7. Misurazione delle dimensioni delle goccioline tramite l'analisi della dispersione laser
- Il sistema di dispersione laser (Tabella dei materiali) ha un modulo che trasmette il laser e uno che riceve il segnale laser sparsi. Posizionare i moduli lungo la guida fornita con il sistema, con uno spazio di 20-25 cm tra di loro.
- Montare rigidamente una piattaforma in questa lacuna in modo che, quando gli assiemi di alimentazione del trasduttore e dei fluidi sono posizionati su di esso, la nebbia atomizzata verrà espulsa nel percorso del raggio laser. Facilitare questo allineamento attivando il raggio laser selezionando Strumenti Controllo laser... | Laser come indicatore visivo.
- Fissare il supporto del trasduttore alla piattaforma e fissare l'assieme di alimentazione del fluido su un braccio articolato (Tabella dei materiali). Posizionare il gruppo di alimentazione del fluido in modo che la punta dello stoppino sia solo a contatto con il bordo del trasduttore.
- Creare una procedura operativa standard (SOP) nel software facendo clic sull'icona Nuovo SOP. Configurare il SOP con le seguenti impostazioni: template : Default Continuous, periodo di campionamento (s) , 0.1, in Gestione dati, fare clic su Modifica... e impostare Profilo di spruzzo Lunghezza percorso (mm) a 20,0, fare clic su Allarmi per deselezionare Usa valori predefiniti e impostare Trasmissione min (%) su 5 e 1 e impostare Dispersione min su 50 e 10. Lasciare tutte le altre impostazioni come predefinite.
NOTA: Consultare il manuale del software fornito con lo strumento. - Avviare la misurazione all'interno del software facendo clic su Misura Avviare SOP e selezionare il SOP creato nel passaggio 7.4. Attendere il completamento delle tarature in background. Riempire il serbatoio di alimentazione del fluido, la siringa, con acqua fino al livello desiderato e notare il volume. Accendere il segnale di tensione per iniziare ad atomizzare il fluido. Avviare il cronometro e avviare la misurazione facendo clic su Start.
- Il software genera una distribuzione delle dimensioni basata sul segnale laser sparso al ricevitore a causa della teoria Mie e di un algoritmo di dispersione multipla. Una volta che il volume desiderato del fluido è stato atomizzato, spegnere il segnale di tensione, arrestare il cronometro e registrare il volume finale e interrompere la registrazione dei dati facendo clic su Interrompi.
NOTA: Il sistema di dispersione laser è in grado di misurare appena 1 luna di fluido e non ha un limite superiore per il volume del fluido. La portata dell'atomizzazione può essere calcolata semplicemente dividendo il volume per la durata del tempo. - Nell'istogramma di misurazione, selezionare la parte dei dati durante la quale l'atomizzazione si stava verificando come previsto e il segnale al ricevitore era abbastanza forte da essere statisticamente significativo. Fare clic su Media Ok per generare una distribuzione in base ai dati selezionati.
NOTA: Tutte le misurazioni con questa tecnica sono medie statistiche e quindi, se ci sono troppo poche goccioline, allora il segnale sparso sarà debole e la misurazione sarà statisticamente insignificante. - Salvare la distribuzione media selezionando la finestra e facendo clic su Modifica Copiare il testo incollando il risultato in un file di testo e salvandolo con un nome appropriato.
NOTA: questi dati di distribuzione possono ora essere utilizzati con altri software (ad esempio, MATLAB) per creare il grafico nella Figura 5.
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Representative Results
I dispositivi piezoelettrici in modalità Spessore sono stati fabbricati a partire da 128YX litio niobate. La figura 1 mostra un assieme completo per tenere il trasduttore in posizione con un supportore personalizzato utilizzato con il sistema di distribuzione passiva dei fluidi sviluppato per l'atomizzazione continua. I passaggi di caratterizzazione per questi dispositivi includono la determinazione della frequenza di risonanza e armoniche utilizzando un analizzatore di impedimento (Figura 2). La frequenza fondamentale dei dispositivi è risultata essere vicina a 7 MHz utilizzando la tecnica descritta in questo protocollo, come previsto dallo spessore del substrato. Un'ulteriore caratterizzazione delle vibrazioni del substrato è stata eseguita utilizzando misurazioni del vibrometro Doppler laser senza contatto. Queste misurazioni determinano la grandezza dello spostamento del substrato e di solito sono nell'intervallo di nm (Figura 3). L'atomizzazione continua è essenziale per consentire applicazioni pratiche dei dispositivi in modalità spessore, e questo è stato dimostrato sviluppando un sistema di distribuzione passiva dei fluidi al substrato. Infine, sono state descritte due tecniche per osservare la vibrazione delle goccioline e le dinamiche di atomizzazione eseguendo immagini ad alta velocità e misurando la distribuzione delle dimensioni delle gocciolatonie, come illustrato nella Figura 4 e Nella Figura 5.
Figura 1: L'intero assieme di un supporto redultore personalizzato. (A) Le posizioni del supporto e dell'assemblaggio dell'alimentazione dei fluidi sono controllate ciascuna con bracci articolatori in modo che la punta dello stoppino sia solo a contatto con il bordo del trasduttore. Inset (B) rivela la natura del contatto elettrico e meccanico con gli elettrodi del trasduttore. Inset (C) rivela la natura del contatto tra il bordo del trasduttore e lo stoppino fluido. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: I valori reali dei parametri di dispersione di s11 misurati su un intervallo di 1/25 MHz per un dispositivo al litio niobate YX a 127,86, indicando la presenza di un picco di risonanza a circa 7 MHz. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: una scansione FFT multiportante con 5 medie in ogni punto è stata eseguita su 9 per 9 punti di scansione definiti in un'area di 0,6 x 0,6 mm nell'intervallo di frequenza di 5-25 MHz. Lo spostamento segnalato è lo spostamento massimo mediamente su tutti i punti. La modalità di spessore fondamentale per 0,5 mm di spessore LN può essere visto a 7 MHz, e una seconda armonica più debole è presente a 21 MHz. Le scansioni multi-carrier diffondono l'ingresso di tensione, quindi lo spostamento qui non è una misura accurata delle prestazioni del dispositivo. Per tale misurazione, si consiglia di eseguire una scansione a singola frequenza alla frequenza di risonanza e con tensioni rilevanti dell'applicazione. Ad esempio, questo trasduttore in modalità spessore da 10 mm x 5 mm produce un'ampiezza massima di 5 nm a 45 Vpp quando viene guidato a 6,93 MHz.
Figura 4: L'insorgenza di onde capillari su una goccia d'acqua di 2 oL è indicata da un video di 8.000 fps dell'interfaccia del fluido; la goccia è guidata da un trasduttore in modalità spessore guidato a 6,9 MHz, mostrando la significativa differenza di tempo tra la risposta idrodinamica e l'eccitazione acustica. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: La distribuzione delle dimensioni delle gocce è in genere misurata come frazione di volume rispetto al diametro delle goccioline, qui confrontando (A) un nebulizzatore commerciale e (B) un dispositivo in modalità spessore LN, entrambi con acqua. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 1: Un confronto degli spettri di analisi impedibile per lo stesso trasduttore con due diverse forme di contatto elettrico (pogo-plate, pogo-pogo e supportore) mostra differenze significative nei valori dei parametri di dispersione di s11. Fare clic qui per scaricare questo file.
Filmato 1: modalità di vibrazione LDV di 5 mm x 5 mm trasduttore quadrato. Clicca qui per vedere questo video. (Fare clic con il pulsante destro del mouse per scaricare.)
Film 2: Modalità di vibrazione LDV di trasduttore da 3 mm x 10 mm. Si tratta di approssimazioni ravvicinate alle modalità di spessore senza la presenza di modalità laterali significative. Clicca qui per vedere questo video. (Fare clic con il pulsante destro del mouse per scaricare.)
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Discussion
Le dimensioni e le proporzioni di un trasduttore influiscono sulle modalità di vibrazione che produce. Poiché le quote laterali sono finite, esistono sempre modalità laterali oltre alle modalità di spessore desiderate. I metodi LDV di cui sopra possono essere utilizzati per determinare le modalità dominanti nell'intervallo di frequenza desiderato per un determinato trasduttore. Un quadrato con dimensioni inferiori a 10 mm fornisce in genere una stretta approssimazione a una modalità di spessore. Anche i rettangoli tre per dieci millimetri funzionano bene. Filmato 1 e Film 2 mostrano le scansioni dell'area LDV del quadrato e dei trasduttori da 3 mm x 10 mm che indicano che sono vicini alla modalità spessore. Questi sono stati determinati empiricamente piuttosto che selezionati per simulazione e progettazione, anche se tali metodi potrebbero essere utilizzati per trovare dimensioni laterali ideali.
Il metodo di contatto elettrico e meccanico con il trasduttore influisce anche sulle vibrazioni che produce poiché queste sono le condizioni limite a cui è soggetta la piastra piezoelettrica. Abbiamo incluso uno spettro di impedimento per tre tecniche di misurazione: pogo-plate, pogo-pogo e supportore come confronto in Supplemental Figure 1. Chiaramente, le posizioni di picco di risonanza non vengono modificate in questo caso dalle nostre scelte di contatto. Notiamo che il contatto meccanico tra il trasduttore e una superficie della piastra smorza le vibrazioni rendendo meno efficiente l'atomizzazione. Il contatto Pogo-plate viene utilizzato nel caso delle misurazioni LDV, perché è il modo più semplice per ottenere una superficie piana e stazionaria su cui mettere a fuoco il laser.
L'assemblaggio dell'approvvigionamento di liquidi qui descritto si basa sull'azione capillare e sulla gravità per rifornire passivamente il trasduttore con una sottile pellicola d'acqua mentre viene atomizzato. La vibrazione del trasduttore produce un effetto acoustowetting che può essere sufficiente per creare una pellicola sottile ed evitare inondazioni, ma in alcuni casi sarà necessario un trattamento idrofilo sulla superficie del trasduttore. Se l'atomizzazione continua non viene raggiunta, questa è la via più probabile per risolvere il problema.
Le misurazioni sono state eseguite con un vibrometro ad altissima frequenza (Tabella dei materiali) qui, ma altri LDV possono essere utilizzati. Il contatto elettrico può essere fatto saldando un filo su ogni faccia del trasduttore, anche se la saldatura può alterare significativamente le frequenze di risonanza e le modalità del trasduttore. Un'altra tecnica consiste nell'posizionare il trasduttore su una base metallica e utilizzare sonde a contatto a molla "pogo" premute a contatto sulla faccia superiore dell'elemento trasduttore piezoelettrico mentre si siede piatto sul palco, utile quando una grande area deve essere scansionata. La misurazione accurata delle frequenze di risonanza è importante per azionare in modo efficiente il trasduttore e massimizzare la produttività dell'energia al movimento meccanico a queste frequenze. Una scansione di frequenza utilizzando l'LDV fornisce queste informazioni, ma richiede molto tempo, nell'ordine di decine di min. Un analizzatore di impedenza può determinare le frequenze di risonanza molto più rapidamente, spesso meno di un minuto. Tuttavia, a differenza del LDV, la misurazione basata sull'impedanza non fornisce informazioni sull'ampiezza delle vibrazioni alle frequenze di risonanza, che è importante per determinare l'atomizzazione dei fluidi dalla superficie del trasduttore.
Anche se la vibrazione del substrato si verifica nel regime di 10-100 MHz, la dinamica dei fluidi a contatto con il substrato si verifica su scale temporali molto più lente. Ad esempio, le onde capillari sulla superficie di una caduta sessile sono osservabili a 8.000 fps, supponendo che la risoluzione spaziale della fotocamera possa distinguere l'ampiezza di una cresta d'onda e che la frequenza d'onda di interesse sia inferiore a 2.000 Hz. La disposizione della telecamera descritta sopra le immagini trasmetteva la luce e quindi è buona per osservare il contorno di oggetti che trasmettono la luce in modo diverso rispetto all'aria. Se insufficiente, può essere necessaria una disposizione della luce riflessa o fluorescente. Il tempo di esposizione per ogni fotogramma diminuisce con l'aumentare della frequenza del fotogramma, in modo che l'intensità della luce debba essere aumentata di conseguenza. L'obiettivo deve essere scelto in base alla scala di lunghezza del fenomeno in esame, ma il protocollo di cui sopra funzionerà con qualsiasi ingrandimento comunemente disponibile. Ad esempio, Figura 4 è stato ottenuto con il metodo video ad alta velocità di cui sopra. Il contrasto nell'interfaccia a goccia consentirebbe di segmentare questi fotogrammi nel software (ImageJ e MATLAB) in modo che le dinamiche dell'interfaccia possano essere monitorate nel tempo.
Nell'apparecchiatura di dimensionamento delle goccioline utilizzata in questo protocollo (Tabella dei materiali), le ottiche laser e i rilevatori di dispersione sono relativamente standard, ma il software è proprietario e complesso. Oltre alla teoria di Mie, più eventi di dispersione rendono molto più difficile la dimensione delle goccioline e i calcoli di enumerazione. La teoria mie presuppone che la maggior parte dei fotoni siano sparsi solo una volta, ma quando le goccioline sono densamente distanziate, cioè la spaziatura tra le goccioline non è molto più grande delle goccioline stesse, e la prugna spray copre un'area suefficiente grande, allora questa ipotesi fallisce18. Come esempio di risoluzione dei problemi risultati da questo strumento, prendere in considerazione Figura 5. Si noti che il picco di diametro di 0,5 mm viene visualizzato in entrambe le distribuzioni. Il nebulizzatore commerciale è noto per produrre goccioline monodisperse vicino a 10 m, quindi il picco più grande è probabilmente un risultato falso a causa della grande quantità di eventi multi-scattering o agglomerato di goccioline più piccole all'interno dello spray. Ciò implica che il picco grande nella distribuzione della modalità spessore può anche essere un risultato falso. Questo può essere verificato direttamente da video ad alta velocità: tali goccioline di grandi dimensioni sarebbero prontamente visibili, ma non sono osservate in questo caso.
L'analisi delle dimensioni delle particelle di dispersione laser può anche essere difficile quando il segnale di dispersione diventa debole. Ciò è in genere dovuto a un basso tasso di atomizzazione o quando parte dello spray non passa attraverso il percorso laser. Un vuoto debole può essere utilizzato per disegnare la nebbia atomizzata completa attraverso il raggio laser espanso dell'apparecchiatura nei casi in cui altrimenti sfuggirebbe alla misurazione. Per un controllo ancora maggiore delle condizioni di spruzzo può essere installata una camera di umidità intorno al percorso del raggio laser, ma questo non è necessario.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Gli autori sono grati alla struttura dell'Università della California e alla struttura NANO3 dell'UNIVERSITÀ di San Diego per la fornitura di fondi e strutture a sostegno di questo lavoro. Questo lavoro è stato eseguito in parte presso la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) dell'UCSD, un membro della National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, che è supportata dalla National Science Foundation (Grant ECC-1542148). Il lavoro qui presentato è stato generosamente sostenuto da una sovvenzione di ricerca della W.M. Keck Foundation. Gli autori sono anche grati per il sostegno di questo lavoro da parte dell'Ufficio di Ricerca Navale (tramite 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
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