Summary

Fabrikasjon og karakterisering av tykkelse modus Piezoelektriske enheter for forstøvning og acoustofluidics

Published: August 05, 2020
doi:

Summary

Fabrikasjon av piezoelektrisk tykkelse modus transdusere via direkte strøm sputtering av plate elektroder på litium niobate er beskrevet. I tillegg oppnås pålitelig drift med en transduserholder og væskeforsyningssystem og karakterisering er demonstrert via impedansanalyse, laser doppler vibrometry, høyhastighets bildebehandling og dråpestørrelsesfordeling ved hjelp av laserspredning.

Abstract

Vi presenterer en teknikk for å fremstille enkle tykkelse modus piezoelektriske enheter ved hjelp av litium niobate (LN). Slike enheter har vist seg å forstøve væske mer effektivt, når det gjelder strømningshastighet per strøminngang, enn de som er avhengige av Rayleigh-bølger og andre vibrasjonsformer i LN eller bly zirkonat titanat (PZT). Den komplette enheten består av en svinger, en svingerholder og et væskeforsyningssystem. Det grunnleggende ved akustisk flytende forstøvning er ikke godt kjent, så teknikker for å karakterisere enhetene og å studere fenomenene er også beskrevet. Laser Doppler vibrometry (LDV) gir vibrasjonsinformasjon som er viktig for å sammenligne akustiske transdusere, og i dette tilfellet indikerer om en enhet vil fungere godt i tykkelse vibrasjon. Den kan også brukes til å finne resonansfrekvensen til enheten, selv om denne informasjonen hentes raskere via impedansanalyse. Kontinuerlig væskeforstøvning, som et eksempel påføring, krever forsiktig væskestrømningskontroll, og vi presenterer en slik metode med høyhastighets avbildning og dråpestørrelsesfordelingsmålinger via laserspredning.

Introduction

Ultralyd forstøvning har blitt studert i nesten et århundre, og selv om det er mange applikasjoner, er det begrensninger i å forstå den underliggende fysikken. Den første beskrivelsen av fenomenet ble laget av Wood og Loomis i 19271, og siden da har det vært utviklingen i feltet for applikasjoner som spenner fra å levere aerosoliserte farmasøytiske væsker2 til drivstoffinnsprøytning3. Selv om fenomenet fungerer bra i disse programmene, er den underliggende fysikken ikke godt forstått4,5,6.

En viktig begrensning innen ultralyd forstøvning er valget av materiale som brukes, bly zirkonat titanate (PZT), et hysteretisk materiale utsatt for oppvarming7 og blyforurensning med elementær bly tilgjengelig fra inter-korn grenser8,9. Kornstørrelse og mekaniske og elektroniske egenskaper av korn grenser begrenser også frekvensen der PZT kan operere10. Derimot er litiumniobate både blyfri og viser ingen hysterese11, og kan brukes til å forstøve væsker en størrelsesorden mer effektivt enn kommersielle forstøvere12. Den tradisjonelle kutt av litium niobate som brukes til drift i tykkelse modus er 36-graders Y-rotert kutt, men 127.86-graders Y-rotert, X-forplantning kutt (128YX), vanligvis brukt for overflaten akustisk bølge generasjon, har vist seg å ha en høyere overflate forskyvning amplitude i forhold til 36-graders kutt13 når den drives i resonans og lavt tap. Det har også vist seg at tykkelse modus drift gir en størrelsesorden forbedring i forstøver effektivitet over andre vibrasjonsformer13,selv når du bruker LN.

Resonansfrekvensen til en piezoelektrisk enhet som opererer i tykkelsesmodus styres av tykkelsen t:bølgelengden λ = 2t/n der n = 1, 2,… er antall anti-noder. For et 500 μm tykt substrat tilsvarer dette en bølgelengde på 1 mm for den grunnleggende modusen, som deretter kan brukes til å beregne den grunnleggende resonansfrekvensen, f = v/λ hvis bølgehastigheten, v, er kjent. Lydens hastighet gjennom tykkelsen på 128YX LN er ca. 7000 m/s, og det f = 7 MHz. I motsetning til andre former for vibrasjon, spesielt overflatebundne moduser, er det enkelt å opphisse høyere rekkefølge tykkelse modus harmonics til mye høyere frekvenser, her til 250 MHz eller mer, selv om bare oddetallsmoduser kan være begeistret av ensartede elektriske felt14. Følgelig kan den andre harmoniske (n = 2) nær 14 MHz ikke være begeistret, men den tredje harmoniske på 21 MHz (n = 3) kan. Fabrikasjon av effektive tykkelse modus enheter krever deponering elektroder på motsatte ansikter av transduseren. Vi bruker direkte strøm (DC) sputtering for å oppnå dette, men elektronstråledeponering og andre metoder kan brukes. Impedansanalyse er nyttig for å karakterisere enhetene, spesielt når det gjelder å finne resonansfrekvenser og elektromekanisk kobling ved disse frekvensene. Laser Doppler vibrometry (LDV) er nyttig for å bestemme utgangvibrasjon amplitude og hastighet uten kontakt eller kalibrering15, og via skanning gir LDV romlig fordeling av overflatedeformasjon, som avslører vibrasjonsmodusen forbundet med en gitt frekvens. Til slutt, for å studere forstøvning og væskedynamikk, kan høyhastighetsavbildning brukes som en teknikk for å studere utviklingen av kapillære bølger på overflaten av en sessile dråpe16,17. I forstøvning, som mange andre akøtofluidiske fenomener, produseres små dråper med en rask hastighet, over 1 kHz på et gitt sted, for raskt for høyhastighetskameraer å observere med tilstrekkelig gjengivelse og synsfelt for å gi nyttig informasjon over en tilstrekkelig stor dråpeprøvestørrelse. Laserspredning kan brukes til dette formålet, og sender dråpene gjennom en utvidet laserstråle til (Mie) spre noe av lyset i refleksjon og brytning for å produsere et karakteristisk signal som kan brukes til statistisk å estimere dråpestørrelsesfordelingen.

Det er enkelt å fremstille piezoelektrisk tykkelse modus transdusere, men teknikkene som kreves i enheten og forstøvning karakterisering har ikke blitt tydelig angitt i litteraturen til dags dato, hemme fremgang i disiplinen. For at en tykkelsesmodus transduser skal være effektiv i en forstøvningsenhet, må den isoleres mekanisk slik at vibrasjonen ikke dempes, og den må ha en kontinuerlig væskeforsyning med en strømningshastighet lik forstøvningshastigheten, slik at verken uttørking eller flom oppstår. Disse to praktiske hensynene har ikke blitt grundig dekket i litteraturen fordi deres løsninger er et resultat av tekniske teknikker i stedet for ren vitenskapelig nyhet, men de er likevel kritiske til å studere fenomenet. Vi presenterer en transduserholdermontering og et flytende fuktesystem som løsninger. Denne protokollen gir en systematisk tilnærming til forstøverfabrikasjon og karakterisering for å legge til rette for videre forskning i grunnleggende fysikk og utallige applikasjoner.

Protocol

1. Tykkelse modus transduser fabrikasjon via DC sputtering Wafer forberedelse Plasser en 100 mm 128YX LN wafer i en ren glassfat med minst 125 mm diameter. Sonicate wafer i minst 200 ml aceton i 5 min. Gjenta sonikering med isopropylalkohol og igjen med deionisert vann i 5 min hver. Fjern synlig vann fra overflaten ved hjelp av tørt nitrogen. Fjern vannet helt fra overflaten ved å plassere waferen på en kokeplate ved 100 °C i 5 min. Sørg for at det er et ark med alu…

Representative Results

Tykkelse modus piezoelektriske enheter ble fabrikkert fra 128YX litium niobate. Figur 1 viser en komplett montering for å holde svingeren på plass med en tilpasset svingerholder som brukes med det passive væskeleveringssystemet utviklet for kontinuerlig forstøvning. Karakteriseringstrinnene for disse enhetene inkluderer fastsettelse av resonansfrekvens og harmoniker ved hjelp av en impedansanalysator (figur 2). Den grunnleggende frekvensen av enhetene ble fu…

Discussion

Dimensjonene og sideforholdet til en svinger påvirker vibrasjonsmodusene den produserer. Fordi sidedimensjonene er begrensede, er det alltid laterale moduser i tillegg til de ønskede tykkelsesmodusene. Ovennevnte LDV-metoder kan brukes til å bestemme dominerende moduser i ønsket frekvensområde for en gitt transduser. En firkant med dimensjoner under 10 mm gir vanligvis en nær tilnærming til en tykkelsesmodus. Tre og ti millimeter rektangler fungerer også bra. Film 1 og Movie 2 vi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne er takknemlige til University of California og NANO3 anlegget ved UC San Diego for levering av midler og fasiliteter til støtte for dette arbeidet. Dette arbeidet ble delvis utført ved San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) i UCSD, medlem av National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som støttes av National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). Arbeidet som ble presentert her ble sjenerøst støttet av et forskningsstipend fra W.M. Keck Foundation. Forfatterne er også takknemlige for støtten til dette arbeidet av Office of Naval Research (via Grant 12368098).

Materials

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

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

Play Video

Cite This Article
Vasan, A., Connacher, W., Friend, J. Fabrication and Characterization of Thickness Mode Piezoelectric Devices for Atomization and Acoustofluidics. J. Vis. Exp. (162), e61015, doi:10.3791/61015 (2020).

View Video