Summary
A fabricação de transdutores do modo de espessura piezoelétrica através da corrente direta de eletrodos de placas em nióbio de lítio é descrita. Além disso, a operação confiável é alcançada com um suporte de transdutor e sistema de fornecimento de fluidos e a caracterização é demonstrada através de análise de impedância, vibrometria doppler laser, imagem de alta velocidade e distribuição do tamanho de gotículas usando dispersão a laser.
Abstract
Apresentamos uma técnica para fabricar dispositivos piezoelétricos modo de espessura simples usando niobato de lítio (LN). Tais dispositivos têm sido mostrados para atomizar o líquido de forma mais eficiente, em termos de taxa de fluxo por entrada de energia, do que aqueles que dependem de ondas de Rayleigh e outros modos de vibração em LN ou titanato de zircônio de chumbo (PZT). O dispositivo completo é composto por um transdutor, um suporte de transdutor e um sistema de fornecimento de fluidos. Os fundamentos da atomização líquida acústica não são bem conhecidos, por isso técnicas para caracterizar os dispositivos e estudar os fenômenos também são descritas. A vibrometria laser Doppler (LDV) fornece informações de vibração essenciais na comparação de transdutores acústicos e, neste caso, indica se um dispositivo terá um bom desempenho em vibração de espessura. Ele também pode ser usado para encontrar a frequência de ressonância do dispositivo, embora essas informações sejam obtidas mais rapidamente através da análise de impedância. A atomização contínua do fluido, como exemplo, requer um controle cuidadoso do fluxo de fluidos, e apresentamos esse método com imagens de alta velocidade e medições de distribuição de tamanho de gotículas através da dispersão a laser.
Introduction
A atomização do ultrassom tem sido estudada há quase um século e, embora existam muitas aplicações, há limitações na compreensão da física subjacente. A primeira descrição do fenômeno foi feita por Wood e Loomis em 19271, e desde então houve desenvolvimentos no campo para aplicações que vão desde a entrega de fluidos farmacêuticos aerossolizados2 até a injeção de combustível3. Embora o fenômeno funcione bem nessas aplicações, a física subjacente não é bem compreendida4,,5,6.
Uma limitação fundamental no campo da atomização ultrassônica é a escolha do material utilizado, titanato de zircônio de chumbo (PZT), um material histerético propenso ao aquecimento7 e contaminação por chumbo com chumbo elementar disponível a partir dos limites interordonas8,,9. O tamanho do grão e as propriedades mecânicas e eletrônicas dos limites dos grãos também limitam a frequência em que o PZT pode operar10. Em contraste, o niobato de lítio é livre de chumbo e não exibe histerese11, e pode ser usado para atomizar fluidos uma ordem de magnitude mais eficiente do que os atomizadores comerciais12. O corte tradicional do niobato de lítio usado para operação no modo de espessura é o corte rotativo de 36 graus Y, mas o corte de 127,86 graus Y-rotatado, X-propagante (128YX), normalmente usado para geração de ondas acústicas superficiais, tem sido mostrado ter uma amplitude de deslocamento superficial mais alta em comparação com o corte de 36 graus13 quando operado em ressonância e baixa perda. Também foi demonstrado que a operação do modo de espessura oferece uma ordem de melhoria de magnitude na eficiência atomizadora em relação a outros modos de vibração13,mesmo quando se usa LN.
A frequência de ressonância de um dispositivo piezoelétrico que opera no modo de espessura é regida por sua espessura t: o comprimento de onda λ = 2t/n onde n = 1, 2,... é o número de anti-nodes. Para um substrato de 500 μm de espessura, isso corresponde a um comprimento de onda de 1 mm para o modo fundamental, que pode então ser usado para calcular a frequência de ressonância fundamental, f = v/λ se a velocidade de onda, v,é conhecida. A velocidade do som através da espessura de 128YX LN é de aproximadamente 7.000 m/s, e assim f = 7 MHz. Ao contrário de outras formas de vibração, particularmente modos ligados à superfície, é simples excitar os harmônicos do modo de espessura de ordem superior a frequências muito mais altas, aqui a 250 MHz ou mais, embora apenas os modos numerados ímpares possam ser animados por campos elétricos uniformes14. Consequentemente, o segundo harmônico (n = 2) perto de 14 MHz não pode ser animado, mas o terceiro harmônico a 21 MHz (n = 3) pode. A fabricação de dispositivos eficientes do modo de espessura requer o depósito de eletrodos em faces opostas do transdutor. Usamos sputtering de corrente direta (DC) para conseguir isso, mas a deposição de feixe de elétrons e outros métodos poderiam ser usados. A análise de impedância é útil para caracterizar os dispositivos, particularmente na localização das frequências de ressonância e acoplamento eletromecânico nessas frequências. A vibrometria laser Doppler (LDV) é útil para determinar a amplitude e velocidade da vibração de saída sem contato ou calibração15, e, através da varredura, o LDV fornece a distribuição espacial da deformação da superfície, revelando o modo de vibração associado a uma determinada frequência. Finalmente, para fins de estudo da atomização e dinâmica dos fluidos, a imagem de alta velocidade pode ser empregada como técnica para estudar o desenvolvimento de ondas capilares na superfície de uma gota de sessile16,17. Na atomização, como muitos outros fenômenos acoustofluidos, pequenas gotículas são produzidas a uma velocidade rápida, acima de 1 kHz em um determinado local, muito rapidamente para câmeras de alta velocidade para observar com fidelidade e campo de visão suficientes para fornecer informações úteis sobre um tamanho amostral gotícula suficientemente grande. A dispersão a laser pode ser usada para este fim, passando as gotículas através de um raio laser expandido para (Mie) espalhar parte da luz em reflexão e refração para produzir um sinal característico que pode ser usado para estimar estatisticamente a distribuição do tamanho da gotícula.
É simples fabricar transdutores do modo piezoelétrico, mas as técnicas exigidas na caracterização de dispositivos e atomização não foram claramente declaradas na literatura até o momento, dificultando o progresso na disciplina. Para que um transdutor de modo de espessura seja eficaz em um dispositivo de atomização, ele deve ser mecanicamente isolado para que sua vibração não seja amortecida e deve ter um suprimento contínuo de fluidos com uma taxa de fluxo igual à taxa de atomização para que nem a dessecação nem inundações ocorram. Essas duas considerações práticas não foram completamente abordadas na literatura porque suas soluções são resultado de técnicas de engenharia e não de pura novidade científica, mas são, no entanto, críticas para o estudo do fenômeno. Apresentamos um conjunto de portadores de transdutores e um sistema de pavio líquido como soluções. Este protocolo oferece uma abordagem sistemática para a fabricação e caracterização atomizadora para facilitar mais pesquisas em física fundamental e aplicações miríades.
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Protocol
1. Fabricação de transdutores do modo de espessura via sputtering DC
- Preparação de wafer
- Coloque um wafer 100 mm 128YX LN em um prato de vidro limpo de pelo menos 125 mm de diâmetro. Sonicar o wafer em pelo menos 200 mL de acetona por 5 min.
- Repita a sônica com álcool isopropílico e novamente com água deionizada por 5 min cada.
- Remova a água visível da superfície usando nitrogênio seco.
- Remova completamente a água da superfície colocando o wafer em uma placa quente a 100 °C por 5 minutos. Certifique-se de que há uma folha de papel alumínio na placa de alumínio, pois isso ajuda na dissipação do acúmulo de carga no wafer.
- Deposição de eletrodos
- Coloque o wafer na câmara de vácuo do sistema de deposição sputter e bombeie a câmara para 5 x 10-6 mTorr. Coloque a pressão do argônio em 2,3 mTorr e a velocidade de rotação a 13 rpm.
NOTA: Se foram estabelecidos parâmetros para o instrumento específico que está sendo utilizado, resultem em filmes de alta qualidade, use-os em vez disso. - Depósito de 5-10 nm de titânio a 1,2−1,6 A/s.
NOTA: Antes de iniciar este processo com o wafer pretendido, teste a taxa de deposição com a potência plasmática definida para 200 W e depositando por 1 min. Em seguida, meça a altura da camada com um perfil. Faça isso separadamente para cada metal. Defina o poder de acordo com este teste, a fim de alcançar a taxa de deposição declarada. - Depósito de 1-1,2 μm de ouro a 7-9 A/s.
NOTA: A deposição a uma taxa mais alta devido ao aumento da potência plasmática ou ao aumento da pressão parcial do argônio pode reduzir a qualidade do filme. - Remova o wafer e repita as etapas 1.2.1−1.2.3 para o segundo lado do wafer.
- Coloque o wafer na câmara de vácuo do sistema de deposição sputter e bombeie a câmara para 5 x 10-6 mTorr. Coloque a pressão do argônio em 2,3 mTorr e a velocidade de rotação a 13 rpm.
- Cortar
- Use uma serra de dicing para passar o wafer inteiro conforme necessário.
NOTA: Uma resistência protetora pode ser aplicada no substrato antes do dicing, e o sistema (Tabela de Materiais) utilizado aqui aplica uma película UV curável pouco antes das amostras serem carregadas no estágio de dicing. Verifica-se que a dicing das amostras com uma serra de dicing automatizada não compromete a integridade das amostras. O escriba manual da LN é possível, embora tedioso e propenso a inconsistências.
- Use uma serra de dicing para passar o wafer inteiro conforme necessário.
2. Fazendo contato elétrico e mecânico com o transdutor
NOTA: Vários métodos são descritos abaixo (etapas 2.1-2.4), e é destacado posteriormente no protocolo qual método é mais apropriado para cada etapa subsequente.
- Coloque um transdutor picado em uma placa de aço magnético. Monte um pogo-sonda em contato com a placa e outro pogo-sonda em contato com a superfície superior do transdutor. A partir de agora isso será referido como contato pogo-plate.
- Coloque o transdutor entre duas sondas pogo. A partir de agora referido como contato pogo-pogo.
- Fio de solda em cada face do transdutor. A partir de agora referido como contato de solda.
- Monte um suporte de transdutor personalizado.
- Solicite as placas de circuito impressas personalizadas (PCBs) cujos arquivos Gerber foram fornecidos.
- Soldar dois contatos de mola de montagem de superfície(Tabela de Materiais) para cada PCB personalizado. Pressione encaixar os espinhos nos orifícios banhados nos PCBs personalizados, de tal forma que eles se afastem um do outro.
- Conecte os dois PCBs personalizados com espaçadores de placa e parafusos para que os contatos estejam apenas em contato entre si. Ajuste o espaçamento com arruelas plásticas, se necessário.
- Deslize um transdutor de 3 mm x 10 mm entre o par interno de contatos. Corte os contatos externos para que não tenham curto o circuito.
NOTA: A Figura 1 mostra toda a montagem.
3. Identificação de frequência de ressonância através da análise de impedância
- Certifique-se de que uma calibração da porta tenha sido realizada de acordo com as instruções do fabricante para o método de contato específico que está sendo utilizado.
- Conecte um transdutor à porta aberta do analisador de rede(Tabela de Materiais)com um dos métodos de contato descritos nas etapas 2.1-2.4.
NOTA: Pode ser instrutivo repetir esta análise com múltiplos métodos de contato elétrico e comparar os resultados. - Selecione o parâmetro de coeficiente de reflexão, s11, através da interface de usuário do analisador de rede, escolha a faixa de frequência de interesse e realize a varredura de frequência.
NOTA: o s11 é o coeficiente de reflexão de entrada e tem um valor mínimo na frequência de ressonância de operação. Para um típico wafer 128YX LN de 500 μm de espessura, a frequência de ressonância primária será próxima de 7 MHz e a segunda harmônica será de perto de 21 MHz, conforme ilustrado na Figura 2. O enredo de impedância no espaço de frequência exibido no instrumento exibirá minima local nas frequências de ressonância. - Exporte os dados selecionando Salvar/Recall | Salve trace dados na interface do usuário para uma inspeção mais aprofundada usando o software de processamento de dados para identificar os locais precisos do minima.
4. Caracterização de vibração via LDV
- Coloque um transdutor em contato com placa de pogo no estágio LDV. Conecte os condutores da sonda pogo ao gerador de sinal. Certifique-se de que o objetivo em uso seja selecionado no software de aquisição (Tabela de Materiais) e foque o microscópio na superfície do transdutor.
- Defina os pontos de varredura selecionando Definir pontos de varredura ou proceder à etapa 4.3 se realizar uma varredura contínua.
- Selecione a opção Configurações e, na guia Geral, selecione a opção FFT ou Time, dependendo se a varredura está sendo realizada em domínio de frequência ou tempo. Selecione o número de médias nesta seção.
NOTA: O número de médias afeta o tempo de varredura. Cinco médias para os transdutores descritos neste protocolo mostraram dar relação sinal/ruído suficiente. - Na guia Canal, certifique-se de que as caixas Ativas sejam verificadas, que correspondem à referência e ao sinal refletido do transdutor. Ajuste os canais de referência e incidentes selecionando um valor de tensão no menu suspenso para obter a força máxima do sinal do substrato.
- Na guia Gerador, se a medição for realizada sob sinal de frequência única, selecione Sine na lista de tração waveform; se estiver sob um sinal de banda, selecione MultiCarrierCW.
- Altere a largura de banda e as linhas FFT na guia Frequência para ajustar a resolução de varredura para uma varredura de domínio de frequência. Da mesma forma, altere a frequência de amostra na guia Tempo ao realizar medições de domínio de tempo.
NOTA: A largura de banda normalmente utilizada é de 40 MHz e o número de linhas FFT é de 32.000. O software de apresentação (Tabela de Materiais) pode ser utilizado para processar e analisar os dados obtidos a partir da digitalização. Um espectro de deslocamento típico é fornecido na Figura 3.
5. Fornecimento de fluidos
- Obtenha um pavio de 25 mm de comprimento e 1 mm de diâmetro composto por um feixe de fibras de um polímero hidrofílico projetado para transportar líquido aquoso em todo o seu comprimento, como os disponíveis para purificadores de ar plug-in. Corte uma extremidade de tal forma que um ponto fora do centro é formado.
- Insira o pavio em uma ponta de seringa com um diâmetro interno que proporciona um ajuste confortável e um comprimento que permite que o pavio se estenda 1-2 mm além de cada extremidade. Coloque a ponta em uma seringa com a capacidade desejada (1-10 mL).
- Monte o conjunto de pavio/seringa de tal forma que o pavio esteja a 10°−90° da horizontal (dependendo da taxa de atomização desejada, que também depende da tensão aplicada) e a ponta do pavio está apenas em contato com a borda do transdutor, conforme mostrado na Figura 1C.
- Encha a seringa com água e aplique um sinal de tensão contínua (começando com 20 Vpp) na frequência de ressonância determinada pelo analisador de impedância. Ajuste o nível de tensão até que o líquido seja atomizado continuamente sem que o dispositivo alague ou seque.
6. Observação dinâmica através de imagens de alta velocidade
- Montar rigidamente uma câmera de alta velocidade horizontalmente em uma tabela óptica, colocar um transdutor em contato pogo-pogo ou pogo-plate em um estágio x-y-z perto da distância focal da câmera, e posicionar uma fonte de luz difusa pelo menos uma distância focal no lado oposto do transdutor da câmera.
- Para contato pogo-pogo, posicione o fornecimento de fluido para que ele não bloqueie a visão da câmera ou a fonte de luz. Para contato pogo-placa, aplique fluido diretamente no substrato com uma pipeta.
- Ajuste o foco da câmera e a posição x-y-z para trazer a amostra de fluido em foco nítido.
- Estimar a frequência do fenômeno específico a ser estudado com base na literatura. Escolha uma taxa de quadros pelo menos duas vezes maior que esta frequência de acordo com a taxa de Nyquist, a fim de evitar o aliasing.
NOTA: Por exemplo, considere ondas capilares que ocorrem em uma queda de sessile em uma faixa de frequências. Câmeras limitadas em resolução espacial só podem distinguir ondas com uma amplitude mínima. Neste caso, a amplitude mínima ocorre em torno de 4 kHz para que uma taxa de quadros de 8.000 quadros por segundo (fps) seja escolhida. - Ajuste a intensidade da luz, o obturador da câmera ou ambos, a fim de otimizar o contraste entre o fluido e o fundo.
NOTA: Um corante opaco pode ser adicionado ao fluido a fim de aumentar o contraste. - Conecte clipes de jacaré do gerador de sinal amplificado aos condutores de sondas pogo.
- Capture o vídeo no software da câmera simultaneamente com a acionação através do sinal de tensão, acionando manualmente tanto ao mesmo tempo quanto conectando uma saída de gatilho do gerador de sinal à câmera.
NOTA: A taxa de quadros típica utilizada é de 8.000 fps e um objetivo CF4 é usado. - Salve apenas os quadros que contêm o fenômeno para evitar o armazenamento desperdiçado, que é particularmente relevante em grandes taxas de quadros, para produzir um resultado como mostrado na Figura 4.
NOTA: Certifique-se de salvar o arquivo em um formato compatível com o software de processamento de imagem de escolha para que os dados úteis possam ser extraídos.
7. Medição do tamanho da gotícula através da análise de dispersão a laser
- O sistema de dispersão a laser (Tabela de Materiais) possui um módulo que transmite o laser e um que recebe o sinal laser disperso. Posicione os módulos ao longo do trilho fornecidos com o sistema, com uma distância de 20-25 cm entre eles.
- Montar rigidamente uma plataforma nesta lacuna de tal forma que, quando os conjuntos de alimentação de transdutores e fluidos forem colocados sobre ele, a névoa atomizada será ejetada no caminho do feixe de laser. Facilite esse alinhamento ligando o raio laser através de ferramentas de seleção | Controle a laser... | Laser ligado como um indicador visual.
- Fixar o suporte do transdutor na plataforma e fixar o conjunto de fornecimento de fluidos em um braço articulado(Tabela de Materiais). Posicione o conjunto de alimentação do fluido para que a ponta do pavio esteja apenas em contato com a borda do transdutor.
- Crie um procedimento operacional padrão (SOP) no software clicando no ícone Novo SOP. Configure o SOP com as seguintes configurações: template = Padrão contínuo, período de amostragem (s) = 0.1, em manipulação de dados,clique em Editar... e definir o perfil Spray | Comprimento do caminho (mm) para 20,0,clique em Alarmes para desmarcar Use valores padrão e defina transmissão Min (%) para 5 e 1 e defina a dispersão min para 50 e 10. Deixe todas as outras configurações como padrão.
NOTA: Consulte o manual do software que veio com o instrumento. - Inicie a medição dentro do software clicando em Measure | Inicie o SOP e selecione o SOP criado na etapa 7.4. Aguarde que as calibrações de fundo se completem. Encha o reservatório de abastecimento de fluidos, a seringa, com água até o nível desejado e observe o volume. Ligue o sinal de tensão para começar a atomizar o fluido. Inicie o cronômetro e inicie a medição clicando em Iniciar.
- O software gera uma distribuição de tamanho baseada no sinal laser disperso no receptor devido à teoria mie e um algoritmo de dispersão múltipla. Uma vez que o volume desejado de fluido tenha sido atomizado, desligue o sinal de tensão, pare o cronômetro e regise o volume final e pare de gravar dados clicando em Stop.
NOTA: O sistema de dispersão a laser é capaz de medir apenas 1 μL de fluido e não tem um limite superior para o volume de fluidos. A taxa de fluxo de atomização pode simplesmente ser calculada dividindo o volume pela duração do tempo. - No histograma de medição, selecione a porção dos dados durante os quais a atomização estava ocorrendo como esperado e o sinal no receptor era forte o suficiente para ser estatisticamente significativo. Clique em Média | Ok para gerar uma distribuição com base nos dados selecionados.
NOTA: Todas as medidas com esta técnica são médias estatísticas e, portanto, se houver poucas gotículas, então o sinal disperso será fraco, e a medição será estatisticamente insignificante. - Salve a distribuição média selecionando a janela e clicando em Editar | Copiar texto e colar o resultado em um arquivo de texto e salvar com um nome apropriado.
NOTA: Esses dados de distribuição agora podem ser usados com outros softwares (por exemplo, MATLAB) para criar o plot na Figura 5.
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Representative Results
Os dispositivos piezoelétricos do modo de espessura foram fabricados a partir de nióbio de lítio 128YX. A Figura 1 mostra um conjunto completo para manter o transdutor no lugar com um suporte transdutor personalizado usado com o sistema de entrega de fluidos passivos desenvolvido para a atomização contínua. As etapas de caracterização desses dispositivos incluem a determinação da frequência ressonante e harmônicas utilizando um analisador de impedância(Figura 2). Verificou-se que a frequência fundamental dos dispositivos era próxima de 7 MHz utilizando a técnica descrita neste protocolo, conforme previsto pela espessura do substrato. Outra caracterização da vibração do substrato foi realizada utilizando-se medições de vibrometro do doppler a laser não contatado. Essas medidas determinam a magnitude do deslocamento do substrato e geralmente estão na faixa nm(Figura 3). A atomização contínua é essencial para permitir aplicações práticas de dispositivos de modo de espessura, e isso tem sido demonstrado desenvolvendo um sistema de entrega de fluidos passivos para o substrato. Finalmente, duas técnicas foram descritas para observar a dinâmica de vibração de gotícula e atomização, realizando imagens de alta velocidade e medindo a distribuição do tamanho da gotícula, conforme mostrado nas Figuras 4 e Figura 5.
Figura 1: Toda a montagem de um suporte de transdutor personalizado. (A) As posições do suporte do transdutor e do conjunto de fornecimento de fluidos são controladas com braços articulados de forma que a ponta do pavio esteja apenas em contato com a borda do transdutor. Inset (B) revela a natureza do contato elétrico e mecânico com os eletrodos transdutores. Inset (C) revela a natureza do contato entre a borda do transdutor e o pavio fluido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Os valores do parâmetro de dispersão s11 reais medidos em uma faixa de 1-25 MHz para um dispositivo nióbio de lítio YX de 127,86° , indicando a presença de um pico de ressonância de aproximadamente 7 MHz. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Uma varredura de FFT multi-portadora com 5 médias em cada ponto foi realizada acima de 9 por 9 pontos de varredura definidos em uma área de 0,6 por 0,6 mm na faixa de frequência 5-25 MHz. O deslocamento relatado é o deslocamento máximo médio em todos os pontos. O modo de espessura fundamental para LN de 0,5 mm de espessura pode ser visto a 7 MHz, e um segundo harmônico mais fraco está presente em ~21 MHz. Observe que há vários picos estreitos em cada ressonância devido à interferência com os modos laterais. As varreduras multi-portadores espalham a entrada de tensão, de modo que o deslocamento aqui não é uma medida precisa do desempenho do dispositivo. Para tal medida, recomenda-se realizar uma varredura de frequência única na frequência de ressonância e com tensões relevantes de aplicação. Por exemplo, este transdutor de modo de espessura de 10 mm x 5 mm produz uma amplitude máxima de 5 nm a 45 Vpp quando acionado a 6,93 MHz. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: O aparecimento de ondas capilares em uma gota de água de 2 μL é indicado por um vídeo de 8.000 fps da interface do fluido; a queda é impulsionada por um transdutor de modo de espessura acionado a 6,9 MHz, mostrando a diferença de tempo significativa entre a resposta hidrodinâmica e a excitação acústica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: A distribuição do tamanho da gotícula é tipicamente medida como uma fração de volume versus o diâmetro da gota, aqui comparando (A) um nebulizador comercial e (B) um dispositivo de modo de espessura LN, ambos usando água. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura suplementar 1: A comparação do espectro de análise de impedância para o mesmo transdutor com duas formas diferentes de contato elétrico (pogo-placa, pogo-pogo e portador de transdutor) mostra diferenças significativas nos valores de parâmetros dedispersão s11. Clique aqui para baixar este arquivo.
Filme 1: Modo de vibração LDV de transdutor quadrado de 5 mm x 5 mm. Clique aqui para ver este vídeo. (Clique com o botão direito do download.)
Filme 2: Modos de vibração LDV de transdutor de 3 mm x 10 mm. Estes são aproximações próximas aos modos de espessura sem a presença de modos laterais significativos. Clique aqui para ver este vídeo. (Clique com o botão direito do download.)
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Discussion
As dimensões e a proporção de um transdutor afetam os modos de vibração que produz. Como as dimensões laterais são finitas, há sempre modos laterais, além dos modos de espessura desejados. Os métodos LDV acima podem ser usados para determinar os modos dominantes na faixa de frequência desejada para um determinado transdutor. Um quadrado com dimensões abaixo de 10 mm normalmente dá uma aproximação próxima a um modo de espessura. Três por dez milímetros de retângulos também funcionam bem. O filme 1 e o filme 2 mostram as varreduras da área LDV do quadrado e os transdutores de 3 mm x 10 mm indicando que estão próximos ao modo de espessura. Estes foram empiricamente determinados em vez de selecionados por simulação e design, embora tais métodos pudessem ser usados para encontrar dimensões laterais ideais.
O método de contato elétrico e mecânico com o transdutor também afeta as vibrações que produz, uma vez que estas são as condições de limite às quais a placa piezoelétrica está sujeita. Incluímos um espectro de impedância para três técnicas de medição: pogo-plate, pogo-pogo e portador de transdutor como comparação na Figura Suplementar 1. Claramente, os locais de pico de ressonância não são alterados neste caso por nossas escolhas de contato. Notamos que o contato mecânico entre o transdutor e a superfície de uma placa amortece vibrações tornando a atomização menos eficiente. O contato pogo-placa é usado no caso de medições de LDV, porque é a maneira mais simples de obter uma superfície plana e estacionária na qual focar o laser.
O conjunto de suprimentos de fluidos descrito aqui depende de ação capilar e gravidade para reabastecer passivamente o transdutor com um fino filme de água à medida que é atomizado para longe. A vibração do transdutor produz um efeito de austowetting que pode ser suficiente para criar um filme fino e evitar inundações, mas em alguns casos um tratamento hidrofílico será necessário na superfície do transdutor. Se a atomização contínua não for alcançada, esta é a rota mais provável para resolver o problema.
As medições foram realizadas com um vibrometro de alta frequência(Tabela de Materiais)aqui, mas outros LDVs podem ser utilizados. O contato elétrico pode ser feito soldando um fio em cada face do transdutor, embora a solda possa alterar significativamente as frequências de ressonância e os modos do transdutor. Outra técnica é colocar o transdutor em uma base metálica e usar sondas de contato de mola "pogo" pressionadas em contato na face superior do elemento transdutor piezoelétrico enquanto ele se senta plana sobre o palco, útil quando uma grande área tem que ser escaneada. A medição precisa das frequências de ressonância é importante para operar eficientemente o transdutor e maximizar o throughput de energia para o movimento mecânico nessas frequências. Uma varredura de frequência usando o LDV fornece essas informações, mas requer um longo tempo, na ordem de dezenas de min. Um analisador de impedância pode determinar as frequências de ressonância muito mais rapidamente, muitas vezes menos de um minuto. No entanto, ao contrário do LDV, a medição baseada em impedância não fornece informações sobre a amplitude de vibração nas frequências de ressonância, o que é importante para determinar a atomização do fluido fora da superfície do transdutor.
Embora a vibração do substrato ocorra no regime de 10-100 MHz, a dinâmica dos fluidos em contato com o substrato ocorre em escalas de tempo muito mais lentas. Por exemplo, ondas capilares na superfície de uma gota de sessile são observáveis a 8.000 fps, assumindo que a resolução espacial da câmera pode distinguir a amplitude de uma crista de onda e que a frequência de onda de interesse está abaixo de 2.000 Hz. O arranjo da câmera descrito acima imagens transmitiam luz e, portanto, é bom para observar o contorno de objetos que transmitem luz de forma diferente do ar. Se for insuficiente, pode ser necessário um arranjo de luz refletido ou fluorescente. O tempo de exposição de cada quadro diminui à medida que a taxa de quadros é aumentada, de modo que a intensidade da luz deve ser aumentada de acordo. A lente objetiva deve ser escolhida com base na escala de comprimento do fenômeno em estudo, mas o protocolo acima funcionará com qualquer ampliação comumente disponível. Como exemplo, a Figura 4 foi obtida com o método de vídeo de alta velocidade acima. O contraste na interface de queda permitiria que esses quadros fossem segmentados em software (ImageJ e MATLAB) para que a dinâmica da interface pudesse ser rastreada ao longo do tempo.
No equipamento de dimensionamento de gotículas utilizado neste protocolo(Tabela de Materiais),a óptica a laser e os detectores de dispersão são relativamente padrão, mas o software é proprietário e complexo. Além da teoria de Mie, vários eventos de dispersão tornam o tamanho da gotícula e os cálculos de enumeração muito mais difíceis. A teoria de Mie pressupõe que a maioria dos fótons são espalhados apenas uma vez, mas quando as gotículas são densamente espaçadas, ou seja, o espaçamento entre gotículas não é muito maior do que as próprias gotículas, e a ameixa de spray cobre uma área suefficiently grande, então essa suposição falha18. Como exemplo de solução de problemas resultantes deste instrumento, considere a Figura 5. Observe que o pico de 0,5 mm de diâmetro aparece em ambas as distribuições. O nebulizador comercial é conhecido por produzir gotículas monodispersas perto de 10 μm, de modo que o pico maior é provavelmente um resultado falso devido à grande quantidade de eventos de multi-dispersão ou aglomeração de gotículas menores dentro do spray. Isso implica que o grande pico na distribuição do modo de espessura também pode ser um resultado falso. Isso pode ser verificado diretamente por vídeo de alta velocidade: tais gotículas grandes seriam facilmente visíveis, mas não são observadas neste caso.
A análise do tamanho das partículas de dispersão a laser também pode ser difícil quando o sinal de dispersão fica fraco. Isso é tipicamente devido a uma baixa taxa de atomização ou quando parte do spray não passa pelo caminho do laser. Um vácuo fraco pode ser usado para desenhar a névoa atomizada completa através do raio laser expandido do equipamento nos casos em que de outra forma escaparia da medição. Para um controle ainda maior das condições de pulverização uma câmara de umidade pode ser instalada ao redor do caminho do raio laser, mas isso não é necessário.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Os autores agradecem à Universidade da Califórnia e às instalações nano3 da UC San Diego pelo fornecimento de fundos e instalações em apoio a este trabalho. Este trabalho foi realizado em parte na San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) da UCSD, membro da National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, que é apoiada pela National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). O trabalho aqui apresentado foi generosamente apoiado por uma bolsa de pesquisa da Fundação W.M. Keck. Os autores também agradecem o apoio deste trabalho pelo Escritório de Pesquisa Naval (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
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