Summary
리튬 니오바테상 플레이트 전극의 직류 스퍼터링을 통한 압전 두께 모드 트랜스듀서의 제조가 설명된다. 또한, 트랜스듀서 홀더와 유체 공급 시스템으로 안정적인 작동을 달성하고 특성화는 임피던스 분석, 레이저 도플러 진동, 고속 이미징 및 레이저 산란을 이용한 액적 크기 분포를 통해 입증된다.
Abstract
우리는 리튬 니오바테 (LN)를 사용하여 간단한 두께 모드 압전 장치를 제조하는 기술을 제시한다. 이러한 장치는 LN 또는 납 지르코네이트 티타네이트(PZT)의 레일리 파도 및 기타 진동 모드에 의존하는 것보다 전력 입력당 유량 측면에서 액체를 보다 효율적으로 분화하는 것으로 나타났습니다. 전체 장치는 트랜스듀서, 트랜스듀서 홀더 및 유체 공급 시스템으로 구성됩니다. 음향 액체 분무의 기초는 잘 알려져 있지 않으므로 장치를 특성화하고 현상을 연구하는 기술도 설명되어 있습니다. 레이저 도플러 진동성(LDV)은 음향 변환기를 비교하는 데 필수적인 진동 정보를 제공하며, 이 경우 장치가 두께 진동에서 잘 수행될지 여부를 나타냅니다. 또한 이 정보는 임피던스 분석을 통해 더 빨리 얻어지지만 장치의 공명 빈도를 찾는 데 사용할 수도 있습니다. 연속 유체 분무는 예시 응용 프로그램으로서 신중한 유체 흐름 제어가 필요하며 레이저 산란을 통해 고속 이미징 및 액적 크기 분포 측정을 통해 이러한 방법을 제시합니다.
Introduction
초음파 분무는 거의 한 세기 동안 연구되어 왔으며 많은 응용 프로그램이 있지만 기본 물리학을 이해하는 데는 한계가 있습니다. 현상의 첫번째 설명은 1927년 나무와 루미스에 의해 만들어졌으며, 그 이후로 에어로졸화 제약 유체2를 공급하는 것에서 연료 분사3에이르는 다양한 응용 분야에 대한 개발이 있었습니다.1 이 현상은 이러한 응용 프로그램에서 잘 작동하지만, 기본 물리학은 잘 이해되지 않습니다4,,5,,6.
초음파 분무 분야의 주요 제한은 사용되는 물질의 선택, 리드 지르코네이트 티타네이트 (PZT), 가열하기 쉬운 히스테리 물질7 및 곡물 간 경계에서 사용할 수있는 원소 리드와 납 오염8,,9. 곡물 경계의 곡물 크기와 기계적 및 전자적 특성은 PZT가10을작동할 수 있는 주파수를 제한합니다. 대조적으로, 리튬 니오바테는 무연이며히스테리시스(11)를나타내지 않으며, 상업용분무기(12)보다유체의 수더를 보다 효율적으로 분화하는 데 사용할 수 있다. 두께 모드에서 동작에 사용되는 리튬 니오바테의 전통적인 컷은 36도 Y-회전 컷이지만, 일반적으로 표면 음향 파 생성에 사용되는 127.86도 Y-회전, X 전파 컷(128YX)은 36도컷13에 비해 표면 변위 진폭이 높은 것으로 나타났다. 또한 두께 모드 조작은 LN을 사용하는 경우에도 다른진동(13)모드에 비해 원자제 효율이 향상된 순서를 제공하는 것으로 나타났습니다.
두께 모드에서 작동하는 압전 장치의 공진 주파수는 두께 t에의해 제어됩니다 : 파장 λ = 2t/n 어디 n = 1, 2,... 노드 반대 노드의 수입니다. 500 μm 두께의 기판의 경우, 이는 기본 모드에 대해 1mm의 파장에 해당하며, 이는 파속도, v,알려져 있는 경우 근본적인 공명 주파수, f =v/λ를계산하는 데 사용될 수 있다.λ 128YX LN의 두께를 통한 소리의 속도는 약 7,000m/s이므로 f = 7MHz입니다. 다른 형태의 진동, 특히 표면 바운드 모드와는 달리, 250MHz 이상으로 고차 두께 모드 고조파를 자극하는 것은 간단하지만 홀수 모드만 균일한전기장(14)에의해 흥분될 수 있다. 따라서 14MHz 근처의 두 번째고조파(n= 2)는 흥분할 수 없지만 21MHz(n=3)에서 세 번째 고조파는 흥분할 수 없다.n 효율적인 두께 모드 장치의 제조는 트랜스듀서의 반대면에 전극을 증착해야 합니다. 우리는 이를 달성하기 위해 직접 전류(DC) 스퍼터링을 사용하지만 전자 빔 증착 및 기타 방법을 사용할 수 있습니다. 임피던스 분석은 특히 이러한 주파수에서 공명 주파수 및 전기 기계 결합을 찾는 데 있어 장치를 특성화하는 데 유용합니다. 레이저 도플러 진동(LDV)은 접촉또는 교정 없이 출력 진동 진폭 및 속도를 결정하는15데 유용하며, 스캐닝을 통해 LDV는 표면 변형의 공간 분포를 제공하여 주어진 주파수와 관련된 진동 모드를 드러냅니다. 마지막으로, 분무 및 유체 역학을 연구하기 위해, 고속 이미징은 세실 낙하16,,17의표면에 모세관파의 발달을 연구하는 기술로 사용될 수 있다. 원자화에서는 다른 많은 유동적 현상과 마찬가지로, 작은 물방울은 주어진 위치에서 1kHz 이상 빠른 속도로 생산되며, 고속 카메라가 충분한 충실도와 시야로 관찰할 수 없을 정도로 큰 액적 샘플 크기에 걸쳐 유용한 정보를 제공합니다. 레이저 산란은 이러한 목적을 위해 사용될 수 있으며, 확장된 레이저 빔을 통해 액적(Mie)을 반사 및 굴절로 일부 빛을 분산시켜 통계적으로 액적 크기 분포를 추정하는 데 사용될 수 있는 특징적인 신호를 생성할 수 있다.
압전 두께 모드 트랜스듀서를 제작하는 것은 간단하지만 장치 및 원자화 특성에 필요한 기술은 현재까지 문헌에 명확하게 명시되어 있지 않아 징계의 진행을 방해하고 있습니다. 두께 모드 트랜스듀서가 분무 장치에 효과적이기 위해서는 진동이 축축되지 않도록 기계적으로 분리되어야 하며 분무 속도와 동일한 유량으로 연속 유체 공급이 있어야 건조나 홍수가 발생하지 않도록 해야 합니다. 이 두 가지 실용적인 고려 사항은 그들의 해결책이 순수한 과학적 참신보다는 엔지니어링 기술의 결과이기 때문에 문학에서 철저히 다루지 않았지만 그럼에도 불구하고 현상을 연구하는 데 중요합니다. 트랜스듀서 홀더 조립과 액체 위킹 시스템을 솔루션으로 제시합니다. 이 프로토콜은 근본적인 물리학 및 무수한 응용 분야에서 추가 연구를 촉진하기 위한 원자제 제조 및 특성화에 대한 체계적인 접근 방식을 제공합니다.
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Protocol
1. DC 스퍼터링을 통한 두께 모드 트랜스듀서 제작
- 웨이퍼 준비
- 직경 125mm의 깨끗한 유리 접시에 100mm 128YX LN 웨이퍼를 놓습니다. 웨이퍼를 아세톤의 최소 200mL에서 5분 동안 초음파 처리합니다.
- 이소프로필 알코올로 초음파 처리를 반복하고 각 5 분 동안 탈이온 된 물로 다시 반복하십시오.
- 건조한 질소를 사용하여 표면에서 보이는 물을 제거합니다.
- 웨이퍼를 핫플레이트에 100°C에서 5분 동안 배치하여 표면에서 물을 완전히 제거합니다.
- 전극 증착
- 스퍼터 증착 시스템의 진공 챔버에 웨이퍼를 놓고 챔버를 5 x10-6 mTorr로 펌핑합니다. 아르곤 압력을 2.3 mTorr로 설정하고 회전 속도를 13 rpm으로 설정합니다.
참고: 사용되는 특정 계측기의 매개 변수가 설정되어 고품질 필름이 생성되는 경우 대신 사용합니다. - 1.2-1.6 A/s에서 티타늄 5-10 nm를 입금하십시오.
참고: 의도된 웨이퍼로 이 프로세스를 시작하기 전에 200W로 설정된 플라즈마 전력으로 증착 속도를 테스트하고 1분 동안 증착합니다. 그런 다음 교피계로 레이어의 높이를 측정합니다. 각 금속에 대해 별도로 이 작업을 수행합니다. 명시된 증착 속도를 달성하기 위해 이 시험에 따라 전력을 설정합니다. - 7-9 A/s에서 금 1-1.2 μm을 입금하십시오.
참고: 플라즈마 전력 증가 또는 아르곤 부분 압력 증가로 인한 높은 비율로 증착하면 필름 품질을 저하시킬 수 있습니다. - 웨이퍼를 제거하고 웨이퍼의 두 번째 면에 대해 1.2.1−1.2.3 단계를 반복합니다.
- 스퍼터 증착 시스템의 진공 챔버에 웨이퍼를 놓고 챔버를 5 x10-6 mTorr로 펌핑합니다. 아르곤 압력을 2.3 mTorr로 설정하고 회전 속도를 13 rpm으로 설정합니다.
- 다이싱
- 필요에 따라 전체 웨이퍼를 주사위로 다이징 톱을 사용합니다.
참고: 다이싱 전에 기판에 보호 저항을 적용할 수 있으며, 샘플이 다이싱 스테이지에 로드되기 직전에 사용되는시스템(재료 표)이UV 치료필름을 적용한다. 자동 다이싱 톱으로 샘플을 다칭해도 샘플의 무결성이 손상되지 않는 것으로 나타났습니다. LN의 손 서기는 가능하지만 지루하고 불일치하는 경향이 있습니다.
- 필요에 따라 전체 웨이퍼를 주사위로 다이징 톱을 사용합니다.
2. 트랜스듀서와 전기 및 기계적 접촉
참고: 몇 가지 방법은 아래에 설명되어 있으며(단계 2.1−2.4 단계) 프로토콜의 후면에 강조 표시되며, 각 후속 단계에 가장 적합한 방법이 있는 프로토콜의 후반부에서 강조 표시됩니다.
- 마그네틱 강판에 잘게 썬 트랜스듀서를 평평하게 놓습니다. 플레이트와 접촉한 포고 프로브 1개, 트랜스듀서의 상단 표면과 접촉하는 다른 포고 프로브를 마운트합니다. 이후에는 포고 플레이트 접촉이라고 합니다.
- 두 포고 프로브 사이에 트랜스듀서를 배치합니다. 이하 포고포고 접촉이라고 합니다.
- 트랜스듀서의 각 면에 솔더 와이어. 이하 솔더 접촉이라고 합니다.
- 사용자 지정 트랜스듀서 홀더를 어셈블합니다.
- 거버 파일이 제공된 사용자 지정 인쇄 회로 기판(PCB)을 주문합니다.
- 솔더 두 표면 마운트 스프링 접점(재료의 테이블)각 사용자 정의 PCB에. 스파이크를 사용자 지정 PCB의 도금 구멍에 맞게 눌러 서로 멀리 가리킵니다.
- 두 개의 사용자 지정 PCB를 보드 스페이서 및 나사와 연결하여 연락처가 서로 접촉할 수 있도록 합니다. 필요한 경우 플라스틱 와셔로 간격을 조정합니다.
- 내부 접지 쌍 사이에 3mm x 10mm 트랜스듀서를 밀어 넣는다. 외부 접접촉을 잘라서 회로를 단락시키지 않도록 합니다.
참고: 그림 1은 전체 어셈블리를 표시합니다.
3. 임피던스 분석을 통한 공명 주파수 식별
- 사용 중인 특정 접촉 방법에 대한 제조업체의 지침에 따라 포트 교정이 수행되었는지 확인합니다.
- 트랜스듀서를 네트워크 분석기(재료표)의열린 포트에 연결하여 2.1-2.4 단계에 설명된 접촉 방법 중 하나를 연결합니다.
참고: 여러 전기 접촉 방법으로 이 분석을 반복하고 결과를 비교하는 것이 유익할 수 있습니다. - 네트워크 분석기의 사용자 인터페이스를 통해 반사 계수 매개변수 s11을 선택하고, 관심 있는 주파수 범위를 선택하고, 주파수 스윕을 수행한다.
참고: s11은 입력 반사 계수이며 작동 빈도에서 최소 값을 가지게 됩니다. 일반적인 500 μm 두께 128YX LN 웨이퍼의 경우, 1차 공진 주파수는 7MHz 에 가까우며 두 번째 고조파는 도 2에도시된 바와 같이 21MHz에 가깝습니다. 악기에 표시되는 주파수 공간의 임피던스 플롯은 공명 주파수에서 로컬 미니마를 전시합니다. - 저장/리콜을 선택하여 데이터 내보내기 | 데이터 처리 소프트웨어를 사용하여 정밀한 미니마 위치를 식별하기 위해 사용자 인터페이스에 Trace Data를 저장합니다.
4. LDV를 통한 진동 특성화
- LDV 단계에 포고 플레이트 접촉에 트랜스듀서를 배치합니다. 포고 프로브 리드를 신호 발생기로 연결합니다. 사용 목적이 획득소프트웨어(재료 표)에서선택되고 현미경을 트랜스듀서 표면에 초점을 맞추는지 확인합니다.
- 연속 스캔을 수행하는 경우 검사 점 정의를 선택하거나 4.3단계로 진행하여 스캔 지점을 정의합니다.
- 설정 옵션을 선택하고 일반 탭에서 검사가 빈도 또는 시간 도메인에서 수행되는지 여부에 따라 FFT 또는 시간 옵션을 선택합니다. 이 섹션의 평균 수를 선택합니다.
참고: 평균 수는 스캔 시간에 영향을 미칩니다. 이 프로토콜에 설명된 트랜스듀서의 평균 5개는 충분한 신호/노이즈 비율을 제공하는 것으로 나타났습니다. - 채널 탭에서 변환기의 참조 및 반사 된 신호에 해당하는 Active 상자를 선택했는지 확인합니다. 기판에서 최대 신호 강도를 얻기 위해 드롭다운 메뉴에서 전압 값을 선택하여 참조 및 인시던트 채널을 조정합니다.
- 생성기 탭에서 단일 주파수 신호에서 측정이 수행되는 경우 파형 풀 다운 목록에서 Sine을 선택합니다. 대역 신호 아래에 있는 경우 MultiCarrierCW를 선택합니다.
- 주파수 탭의 대역폭 및 FFT 라인을 변경하여 주파수 도메인 스캔에 대한 검사 해상도를 조정합니다. 마찬가지로 시간 도메인 측정을 수행할 때 시간 탭의 샘플 빈도를 변경합니다.
참고: 일반적으로 사용되는 대역폭은 40MHz이고 FFT 라인 수는 32,000개입니다. 프리젠 테이션 소프트웨어(재료의 표)는스캔에서 얻은 데이터를 처리하고 분석하는 데 사용할 수 있습니다. 일반적인 변위 스펙트럼은 도 3에제공됩니다.
5. 유체 공급
- 플러그인 공기 청정기와 같은 길이에 걸쳐 수성 액체를 운반하도록 설계된 친성 폴리머의 섬유 뭉치로 구성된 25mm 길이, 직경 1mm 의 심지를 가져옵니다. 오프 센터 점이 형성될 수 있도록 한쪽 끝을 다듬습니다.
- 심지를 내부 직경의 주사기 끝에 삽입하여 심지의 각 끝을 1-2mm 이상 확장할 수 있는 길이를 제공합니다. 원하는 용량(1-10mL)으로 팁을 주사기에 고정합니다.
- 심지/주사기 어셈블리를 수평으로부터 10°-90°(적용된 전압에 따라 원하는 분무 속도에 따라 다름)과 심지의 끝은 도 1C에표시된 대로 트랜스듀서의 가장자리와 접촉하는 것을 특징으로 한다.
- 주사기를 물로 채우고 임피던스 분석기를 사용하여 결정된 공진 주파수에서 연속 전압 신호(20Vpp로 시작)를 적용합니다. 장치가 범람하거나 건조하지 않고 액체가 지속적으로 분화 될 때까지 전압 레벨을 조정합니다.
6. 고속 이미징을 통한 역학 관찰
- 광학 테이블에 고속 카메라를 수평으로 고정시키고, 카메라의 초점 거리 근처에 있는 x-y-z 스테이지에 포고 포고 접촉 또는 포고 플레이트 접촉에 트랜스듀서를 배치하고, 카메라에서 트랜스듀서의 반대편에 분산 광원을 적어도 하나의 초점 길이로 배치합니다.
- 포고포고 접점의 경우 유체 공급을 배치하여 카메라 뷰 또는 광원을 차단하지 않도록 합니다. 포고 플레이트 접접촉의 경우 파이펫으로 기판에 직접 유체를 적용하십시오.
- 카메라 초점과 x-y-z 위치를 조정하여 유체 샘플을 날카로운 초점으로 가져옵니다.
- 문학에 기초하여 연구될 특정 현상의 빈도를 추정한다. 별칭을 피하기 위해 나이퀴스트 속도에 따라 이 주파수보다 적어도 두 배 큰 프레임 속도를 선택합니다.
참고: 예를 들어, 주파수 범위에서 세실 낙하시에서 발생하는 모세관 파를 고려하십시오. 공간 해상도에 제한되는 카메라는 최소 진폭으로만 파도를 구별할 수 있습니다. 이 경우 최소 진폭이 약 4kHz에서 발생하므로 초당 8,000 프레임(fps)의 프레임 속도를 선택합니다. - 유체와 배경 간의 대비를 최적화하기 위해 광 강도, 카메라 셔터 또는 둘 다 조정합니다.
참고: 불투명염료를 유체에 첨가하여 대비를 높일 수 있습니다. - 증폭된 신호 발생기에서 포고 프로브 리드에 악어 클립을 연결합니다.
- 카메라 소프트웨어에서 수동으로 동시에 트리거하거나 신호 생성기에서 카메라에 트리거 출력을 연결하여 전압 신호를 통한 작동과 동시에 비디오를 캡처합니다.
참고: 사용되는 일반적인 프레임 속도는 8,000fps이며 CF4 목표가 사용됩니다. - 특히 큰 프레임 속도에서 관련이 있는 낭비되는 저장소를 피하기 위해 현상이 포함된 프레임만 저장하여 그림 4에표시된 대로 결과를 생성합니다.
참고: 유용한 데이터를 추출할 수 있도록 선택한 이미지 처리 소프트웨어와 호환되는 형식으로 파일을 저장해야 합니다.
7. 레이저 산란 분석을 통한 물방울 크기 측정
- 레이저 산란시스템(재료 테이블)에는레이저를 전송하는 모듈과 산란된 레이저 신호를 수신하는 모듈이 있습니다. 시스템과 함께 제공되는 레일을 따라 모듈을 배치하고 20-25cm 간격을 제공합니다.
- 이 틈새에 플랫폼을 단단히 장착하여 트랜스듀서와 유체 공급 어셈블리를 배치하면 원자화된 안개가 레이저 빔 경로로 배출됩니다. 도구를 선택하여 레이저 빔을 켜서 이 정렬을 용이하게 | 레이저 제어... | 시각적 인 표시기로 레이저켜.
- 트랜스듀서 홀더를 플랫폼에 고정하고 유체 공급 어셈블리를 관절형암(재료 표)으로수정합니다. 심지의 끝이 트랜스듀서의 가장자리와 접촉할 수 있도록 유체 공급 어셈블리를 배치합니다.
- 새 SOP 아이콘을 클릭하여 소프트웨어에서 표준 작동 프로시저(SOP)를 만듭니다. 다음 설정으로 SOP구성: 템플릿 = 기본 연속,샘플링 기간(들) = 0.1, 데이터 처리에서 편집을 클릭하고 스프레이 프로파일 설정 | 경로 길이(mm)에서 20.0까지, 알람을 클릭하여 기본값 의 선택을 취소하고 최소 전송(%)을 5및 1로 설정하고 최소 산란을 50및 10으로 설정합니다. 10 다른 모든 설정을 기본값으로 둡니다.
참고 : 악기와 함께 온 소프트웨어 설명서를 참조하십시오. - 측정을 클릭하여 소프트웨어 내에서 측정을 시작 | SOP를 시작하고 7.4 단계에서 생성된 SOP를 선택합니다. 백그라운드 교정이 완료될 때까지 기다립니다. 유체 공급 저수지, 주사기를 원하는 수준까지 물로 채우고 부피를 기록하십시오. 전압 신호를 켜서 유체를 분화하기 시작합니다. 스톱워치를 시작하고 시작을 클릭하여 측정을 시작합니다.
- 이 소프트웨어는 Mie 이론과 다중 산란 알고리즘으로 인해 수신기에서 흩어져있는 레이저 신호를 기반으로 크기 분포를 생성합니다. 원하는 양의 유체가 분화되면 전압 신호를 끄고 스톱워치를 중지하고 최종 볼륨을 기록하고 중지를 클릭하여 데이터 기록을 중지합니다.
참고: 레이저 산란 시스템은 유체의 1 μL만큼 적게 측정할 수 있으며 유체 부피에 대한 상한이 없습니다. 분무 유량은 단순히 볼륨을 시간 시간으로 나누어 계산할 수 있습니다. - 측정 히스토그램에서, 원자화가 예상대로 발생하던 데이터의 부분을 선택하고 수신기의 신호는 통계적으로 유의할 만큼 강했다. 평균 클릭 | 선택한 데이터를 기반으로 분포를 생성하려면 확인됩니다.
참고: 이 기술을 사용한 모든 측정은 통계 평균이므로 물방울이 너무 적으면 산란된 신호가 약하고 측정은 통계적으로 중요하지 않습니다. - 창을 선택하고 편집을 클릭하여 평균 분포를 저장 | 텍스트를 복사한 다음 결과를 텍스트 파일로 붙여 넣고 적절한 이름으로 저장합니다.
참고: 이제 이 배포 데이터를 다른 소프트웨어(예: MATLAB)와 함께 사용하여 그림 5에서플롯을 만들 수 있습니다.
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Representative Results
두께 모드 압전 장치는 128YX 리튬 니오바테에서 제조되었다. 도 1은 연속 분무를 위해 개발된 수동 유체 전달 시스템과 함께 사용되는 사용자 지정 트랜스듀서 홀더를 사용하여 트랜스듀서를 제자리에 고정하는 완전한 어셈블리를 나타낸다. 이러한 장치에 대한 특성화 단계는 임피던스 분석기를 사용하여 공진 주파수 및 고조파의 판정을포함한다(그림 2). 장치의 기본 주파수는 기판의 두께에 의해 예측된 바와 같이 이 프로토콜에 기재된 기술을 사용하여 7MHz에 가까운 것으로 나타났다. 기판 진동의 추가 특성화는 비접촉 레이저 도플러 진동계 측정을 사용하여 수행되었다. 이러한 측정은 기판의 변위 크기를 결정하고 일반적으로 nm범위(도 3)에있다. 연속 분무는 두께 모드 장치의 실용적인 응용 을 가능하게하는 데 필수적이며, 이는 기판에 수동 유체 전달 시스템을 개발하여 입증되었습니다. 마지막으로, 2개의 기술은 고속 이미징을 수행하고 도 4 및 도 5에도시된 바와 같이 액적 크기 분포를 측정하여 액적 진동 및 분무 역학을 관찰하는 것으로 기술되었다.
그림 1: 사용자 지정 변환기 홀더의 전체 어셈블리입니다. (A)트랜스듀서 홀더와 유체 공급 어셈블리의 위치는 각각 관절 팔로 제어되어 심지의 끝이 트랜스듀서의 가장자리와 접촉하는 것으로 제어된다. 인셋(B)은트랜스듀서 전극과의 전기 및 기계적 접촉의 특성을 나타낸다. 인셋(C)은트랜스듀서 가장자리와 유체 심지 사이의 접촉의 본질을 드러낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 127.86° YX 리튬 니오바테 장치에 대해 1-25 MHz 범위에서 측정된 실제 s11개의 산란 파라미터 값은 약 7MHz에서 공명 피크의 존재를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 각 지점에서 평균 5개를 가진 멀티 캐리어, FFT 스캔은 주파수 범위 5-25 MHz에서 0.6~ 0.6mm 면적에 정의된 9s스캔 포인트에서 9%를 초과하여 수행되었다. 보고된 변위는 모든 지점에서 평균되는 최대 변위입니다. 두께 0.5mm 두께의 LN의 기본 두께 모드는 7MHz에서 볼 수 있으며, 약제2고조파는 ~21MHz에 존재한다. 다중 캐리어 스캔은 전압 입력을 확산하므로 여기서 변위는 장치의 성능을 정확하게 측정하지 않습니다. 이러한 측정을 위해 공명 주파수및 응용 관련 전압에서 단일 주파수 스캔을 수행하는 것이 좋습니다. 예를 들어, 이 10mm x 5mm 두께 모드 트랜스듀서는 6.93 MHz에서 구동할 때 45 Vpp에서 5nm 최대 진폭을 생성합니다.
도 4: 2 μL 물 방울에 모세관 파의 발병은 유체 인터페이스의 8,000 fps 비디오에 의해 표시되며, 낙하는 6.9 MHz에서 구동되는 두께 모드 트랜스듀서에 의해 구동되며 유체 역학 반응과 음향 흥분 사이의 상당한 시차를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 물방울 크기 분포는 일반적으로 물방울 직경에 비해 부피분획으로 측정되며, 여기서 (A) 상업용 분무기및 (B) LN 두께 모드 장치와 lN 두께 모드 장치,둘 다 물을 사용한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보조 도 1: 동일한 트랜스듀서에 대한 임피던스 분석 스펙트럼을 두 가지 형태의 전기 접촉(pogo-plate, pogo-pogo 및 transducer 홀더)을 비교하면 s11 산란 매개변수 값에서 상당한 차이를 나타낸다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 1: 5mm x 5mm 제곱 트랜스듀서의 LDV 진동 모드. 이 비디오를 보려면 여기를 클릭하십시오. (다운로드하려면 마우스 오른쪽 클릭)
동영상 2: 3mm x 10mm 트랜스듀서의 LDV 진동 모드. 이들은 중요한 측면 모드가 없는 두께 모드에 가까운 근사치입니다. 이 비디오를 보려면 여기를 클릭하십시오. (다운로드하려면 마우스 오른쪽 클릭)
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Discussion
트랜스듀서의 치수와 종횡비는 변환기가 생성하는 진동 모드에 영향을 줍니다. 측면 치수는 유한하기 때문에 원하는 두께 모드 외에 항상 측면 모드가 있습니다. 위의 LDV 메서드를 사용하여 지정된 트랜스듀서에 대해 원하는 주파수 범위에서 지배적인 모드를 결정할 수 있습니다. 치수가 10mm 미만인 사각형은 일반적으로 두께 모드에 가까운 근사치를 제공합니다. 3~10밀리미터 직사각형도 잘 작동합니다. Movie 1 및 Movie 2는 사각형의 LDV 영역 스캔과 두께 모드에 가깝다는 것을 나타내는 3mm x 10mm 트랜스듀서를 보여줍니다. 이러한 방법은 이상적인 측면 치수를 찾는 데 사용될 수 있지만 시뮬레이션 및 설계에 의해 선택되지 않고 경험적으로 결정되었습니다.
트랜스듀서와의 전기 및 기계적 접촉 방법은 압전 플레이트가 적용되는 경계 조건이기 때문에 발생하는 진동에도 영향을 미칩니다. 포고플레이트, 포고포고, 트랜스듀서 홀더의 세 가지 측정 기술에 대한 임피던스 스펙트럼을 보충도 도 1의비교로 포함시켰습니다. 분명히, 공명 피크 위치는 접촉의 우리의 선택에 의해이 경우 변경되지 않습니다. 트랜스듀서와 플레이트 표면 간의 기계적 접촉은 진동을 약화시켜 원자화를 덜 효율적입니다. 포고 플레이트 접촉은 LDV 측정의 경우 레이저에 초점을 맞출 평평하고 고정된 표면을 얻는 가장 간단한 방법이기 때문에 사용됩니다.
여기에 설명된 유체 공급 조립체는 모세관 작용과 중력에 의존하여 분무로 얇은 물막으로 트랜스듀서를 수동적으로 재공급합니다. 트랜스듀서의 진동은 박막을 생성하고 홍수를 피하기에 충분한 수습 효과를 생성하지만, 경우에 따라 트랜스듀서 표면에 친수성 치료가 필요합니다. 연속 원자화가 달성되지 않으면 문제를 해결할 가능성이 가장 높은 경로입니다.
측정은 초고주파진동계(재료표)로수행되었지만 다른 LdV가 사용될 수 있다. 납땜은 트랜스듀서의 공명 주파수 및 모드를 크게 변경할 수 있지만 전기 접점은 트랜스듀서의 각 면에 와이어를 납땜하여 만들 수 있습니다. 또 다른 기술은 트랜스듀서를 금속 베이스에 배치하고 압전 트랜스듀서 요소의 상단 면에 접촉하여 압착된 "포고" 스프링 접점 프로브를 사용하여 스테이지에 평평하게 앉아 넓은 영역을 스캔해야 할 때 유용합니다. 공진 주파수의 정확한 측정은 트랜스듀서를 효율적으로 작동하고 이러한 주파수에서 기계적 움직임에 대한 에너지 처리량을 최대화하는 것이 중요합니다. LDV를 사용하여 주파수 검사는 이 정보를 제공하지만 수십 분의 순서로 오랜 시간이 필요합니다. 임피던스 분석기는 공진 주파수를 훨씬 더 빠르게 결정할 수 있으며, 종종 1분 미만의 경우가 많습니다. 그러나 LDV와 달리 임피던스 기반 측정은 공진 주파수에서 진동 진폭에 대한 정보를 제공하지 않으며, 이는 트랜스듀서표면에서 유체 분무를 결정하는 데 중요하다.
기판의 진동은 10-100 MHz 정권에서 발생하지만 기판과 접촉하는 유체의 역학은 훨씬 느린 시간 척도에서 발생합니다. 예를 들어, 세실 낙하의 표면에 모세관 파는 8,000 fps에서 관찰할 수 있으며, 카메라의 공간 해상도가 파형의 진폭을 구별할 수 있고 관심의 파도 주파수가 2,000Hz 미만이라고 가정할 수 있습니다. 위에서 설명한 카메라 배열은 빛을 전송하므로 공기와 다르게 빛을 전달하는 물체의 윤곽을 관찰하는 데 좋습니다. 불충분한 경우 반사 또는 형광광 배열이 필요할 수 있습니다. 각 프레임의 노출 시간이 감소하므로 프레임 속도가 증가하므로 그에 따라 광 강도를 늘려야 합니다. 객관적인 렌즈는 연구 중인 현상의 길이 척도에 따라 선택해야 하지만 위의 프로토콜은 일반적으로 이용 가능한 배율로 작동합니다. 예를 들어, 도 4는 상기 고속 비디오 방법을 사용하여 얻어졌다. 드롭 인터페이스의 콘트라스트를 통해 이러한 프레임을 소프트웨어(ImageJ 및 MATLAB)로 분할하여 시간이 지남에 따라 인터페이스 역학을 추적할 수 있습니다.
이프로토콜(재료 표)에사용되는 액적 크기 조정 장비에서 레이저 광학 및 산란 검출기는 상대적으로 표준이지만 소프트웨어는 독점적이고 복잡합니다. Mie 이론 외에도 여러 산란 이벤트가 방울 크기와 열거 계산을 훨씬 더 어렵게 만듭니다. Mie 이론은 대부분의 광자가 한 번만 흩어져 있다고 가정하지만, 물방울 사이의 간격이 조밀하게 간격이 있을 때, 즉, 물방울 자체보다 훨씬 크지 않으며, 스프레이 매화는 비효율적으로 넓은 면적을 커버한 다음 이 가정은18에실패합니다. 이 계측기의 문제 해결 결과의 예로 그림 5를고려하십시오. 직경 0.5mm의 피크가 두 분포에 나타납니다. 상업용 분무기는 10 μm 근처의 단분산 방울을 생성하는 것으로 알려져 있으므로 더 큰 피크는 다량의 다중 산란 이벤트 또는 스프레이 내의 작은 방울의 응집으로 인해 잘못된 결과일 수 있습니다. 이는 두께 모드 분포의 큰 피크가 잘못된 결과일 수도 있음을 의미합니다. 고속 비디오에서 직접 확인할 수 있습니다: 이러한 큰 물방울은 쉽게 볼 수 있지만 이 경우 관찰되지 않습니다.
레이저 산란 입자 크기 분석또한 산란 신호가 약해지면 어려울 수 있습니다. 이는 일반적으로 낮은 원자화 속도 또는 스프레이의 일부가 레이저 경로를 통과하지 못하는 경우 때문입니다. 약한 진공은 그렇지 않으면 측정을 탈출 할 경우 장비의 확장 된 레이저 빔을 통해 완전한 원자화 된 안개를 그리는 데 사용할 수 있습니다. 스프레이 조건의 더 큰 제어를 위해 습도 챔버는 레이저 빔 경로 주위에 설치 될 수 있지만, 이것은 필요하지 않습니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
저자는 캘리포니아 대학과 UC 샌디에고의 NANO3 시설에 감사하여이 작업을 지원하는 기금과 시설을 제공했습니다. 이 작품은 국립 과학 재단 (그랜트 ECCS-1542148)에 의해 지원되는 국립 나노 기술 조정 인프라의 회원 UCSD의 샌디에고 나노 기술 인프라 (SDNI)에서 부분적으로 수행되었다. 여기에 제시 된 작품은 W.M. Keck 재단의 연구 보조금에 의해 관대하게 지원되었다. 저자는 또한 해군 연구 실 (그랜트 12368098을 통해)에 의해이 작품의 지원에 감사드립니다.
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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