Summary
Tillverkning av piezoelektriska tjocklek läge givare via likström sputtering av plattan elektroder på litium niobat beskrivs. Dessutom uppnås tillförlitlig drift med en givare hållare och vätskeförsörjningssystem och karakterisering visas via impedans analys, laser doppler vibrometri, höghastighetsavbildning, och droppstorlek distribution med hjälp av laser spridning.
Abstract
Vi presenterar en teknik för att tillverka enkel tjocklek läge piezoelektriska enheter med litium niobat (LN). Sådana anordningar har visat sig finfördela vätska mer effektivt, när det gäller flödeshastighet per effekttillförsel, än de som förlitar sig på Rayleigh vågor och andra vibrationssätt i LN eller bly zirkonat titanat (PZT). Den kompletta enheten består av en givare, en givare hållare, och en vätskeförsörjningssystem. Grunderna för akustisk flytande atomisering är inte välkända, så tekniker för att karakterisera enheterna och studera fenomenen beskrivs också. Laser Doppler vibrometri (LDV) ger vibrationsinformation som är nödvändig för att jämföra akustiska givare och, i detta fall, anger om en enhet kommer att fungera bra i tjocklek vibrationer. Det kan också användas för att hitta resonansfrekvensen av enheten, även om denna information erhålls snabbare via impedansanalys. Kontinuerlig vätskeatomisering, som ett exempel på applikation, kräver noggrann vätskeflödeskontroll, och vi presenterar en sådan metod med höghastighetsbilder och droplet storleksfördelningsmätningar via laserspridning.
Introduction
Ultraljud atomisering har studerats för nästan ett sekel och även om det finns många tillämpningar, det finns begränsningar i att förstå den underliggande fysiken. Den första beskrivningen av fenomenet gjordes av Wood och Loomis 19271, och sedan dess har det skett en utveckling inom området för tillämpningar som sträcker sig från att leverera aerosoliserade läkemedelsvätskor2 till bränsleinsprutning3. Även om fenomenet fungerar bra i dessa tillämpningar, är den underliggande fysiken inte väl förstådd4,5,6.
En viktig begränsning inom ultraljudsatomisering är valet av material som används, bly zirkonat titanat (PZT), ett hysteretiskt material som är utsatt för uppvärmning7 och blykontaminering med elementär bly tillgänglig från inter-grain gränserna8,9. Kornstorlek och mekaniska och elektroniska egenskaper av korngränser begränsar också den frekvens vid vilken PZT kan fungera10. Däremot är litium niobat både blyfri och uppvisar ingen hysteres11, och kan användas för att finerisera vätskor en storleksordning mer effektivt än kommersiella sprejflaska12. Det traditionella snittet av litium niobat som används för drift i tjockleksläget är det 36-graders Y-roterade snittet, men 127,86-graders Y-roterad, X-förökningssskärning (128YX), som vanligtvis används för ytakustisk våggenerering, har visat sig ha en högre ytförskjutningsamplitud jämfört med 36-graderssnittet13 när den används i resonans och låg förlust. Det har också visat sig att tjockleksläge drift erbjuder en storleksordning förbättring av sprejningseffektivitet över andra vibrationssätt13, även när du använder LN.
Resonansfrekvensen för en piezoelektrisk anordning som arbetar i tjockleksläge styrs av dess tjocklek t:våglängden λ = 2t/n där n = 1, 2,... är antalet antinoder. För ett 500 μm tjockt substrat motsvarar detta en våglängd på 1 mm för grundläget, som sedan kan användas för att beräkna den grundläggande resonansfrekvensen, f = v/λ om våghastigheten, v, är känd. Ljudets hastighet genom tjockleken på 128YX LN är cirka 7 000 m/s, och så f = 7 MHz. Till skillnad från andra former av vibrationer, särskilt ytbundna lägen, är det enkelt att excitera högre ordning tjockleksläge övertoner till mycket högre frekvenser, här till 250 MHz eller mer, men endast udda-numrerade lägen kan vara upphetsad av enhetliga elektriska fält14. Följaktligen kan den andra harmoniska (n = 2) nära 14 MHz inte vara upphetsad, men den tredje harmoniska på 21 MHz (n = 3) kan. Tillverkning av effektiva tjockleksläge enheter kräver deponering elektroder på motsatta ansikten givaren. Vi använder likström (DC) sputtering för att åstadkomma detta, men elektronstråle nedfall och andra metoder kan användas. Impedansanalys är användbart för att karakterisera enheterna, särskilt för att hitta resonansfrekvenser och elektromekanisk koppling vid dessa frekvenser. Laser Doppler vibrometri (LDV) är användbart för att bestämma utgående vibration amplitud och hastighet utan kontakt eller kalibrering15, och via skanning ger LDV den rumsliga fördelningen av ytan deformation, avslöjar vibrationssätt i samband med en viss frekvens. Slutligen, för att studera atomisering och vätskedynamik, höghastighetsavbildning kan användas som en teknik för att studera utvecklingen av kapillärvågor på ytan av en sessile droppe16,17. I atomisering, liksom många andra acoustofluidic fenomen, små droppar produceras i snabb takt, över 1 kHz på en viss plats, för snabbt för höghastighetskameror att observera med tillräcklig trohet och synfält för att ge användbar information över en tillräckligt stor droppe provstorlek. Laserspridning kan användas för detta ändamål, passerar dropparna genom en utökad laserstråle till (Mie) sprida en del av ljuset i reflektion och refraktion för att producera en karakteristisk signal som kan användas för att statistiskt uppskatta droplet storleksfördelning.
Det är enkelt att tillverka piezoelektriska tjockleksläge givare, men de tekniker som krävs i enheten och atomisering karakterisering har inte tydligt anges i litteraturen hittills, vilket hämmar framsteg i disciplinen. För att en tjocklek-funktionsgivare ska vara effektiv i en atomiseringsanordning måste den vara mekaniskt isolerad så att vibrationerna inte dämpas och den måste ha en kontinuerlig vätsketillförsel med ett flöde som är lika med atomiseringshastigheten så att varken uttorkning eller översvämning uppstår. Dessa två praktiska överväganden har inte behandlats grundligt i litteraturen eftersom deras lösningar är resultatet av ingenjörsteknik snarare än ren vetenskaplig nyhet, men de är ändå avgörande för att studera fenomenet. Vi presenterar en givare hållare församling och en flytande fuktspridande system som lösningar. Detta protokoll erbjuder ett systematiskt tillvägagångssätt för sprejning tillverkning och karakterisering för att underlätta ytterligare forskning i grundläggande fysik och otaliga tillämpningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Tjockleksläge givare tillverkning via DC sputtering
- Wafer förberedelse
- Placera en 100 mm 128YX LN wafer i en ren glasskål med en diameter på minst 125 mm. Sonicate wafer i minst 200 ml aceton i 5 min.
- Upprepa ultraljudsbehandling med isopropylalkohol och igen med avjoniserat vatten i 5 min vardera.
- Avlägsna synligt vatten från ytan med torrt kväve.
- Ta bort vatten helt från ytan genom att placera rånet på en värmeplatta vid 100 °C i 5 min. Se till att det finns ett ark aluminiumfolie på värmeplattan eftersom detta hjälper till att avleda laddningsbyggen på rånet.
- Eldede nedfall
- Placera rånet i sputterdepositionssystemets vakuumkammare och pumpa ner kammaren till 5 x 10-6 mTorr. Ställ in argontrycket på 2,3 mTorr och rotationshastigheten på 13 varv/min.
OBS: Om parametrar för det specifika instrument som används har fastställts som resulterar i högkvalitativa filmer, använd dem istället. - Sätt in 5−10 nm titan vid 1.2−1.6 A/s.
OBS: Innan du påbörjar denna process med den avsedda wafer, testa deposition rate med plasmaeffekt inställd på 200 W och deponering i 1 min. Mät sedan höjden på lagret med en profilometer. Gör detta separat för varje metall. Ställ in effekten enligt detta test för att uppnå den angivna depositionshastigheten. - Sätt in 1-1,2 μm guld vid 7−9 A/s.
OBS: Nedfall i högre takt på grund av ökad plasmaeffekt eller ökat argon partiellt tryck kan minska filmkvaliteten. - Ta bort rånet och upprepa steg 1.2.1−1.2.3 för den andra sidan av rånet.
- Placera rånet i sputterdepositionssystemets vakuumkammare och pumpa ner kammaren till 5 x 10-6 mTorr. Ställ in argontrycket på 2,3 mTorr och rotationshastigheten på 13 varv/min.
- Tärning
- Använd en tärningssåg för att tärna hela rånet efter behov.
OBS: Ett skyddsmotstånd kan appliceras på substratet före diktering, och det system (Tabell över material) som används här tillämpar en UV-härdbar film strax innan proverna laddas på dikteringsstadiet. Det visar sig att tärning av proverna med en automatiserad dikteringssåg inte äventyrar provernas integritet. Hand-scribe tärning av LN är möjligt, men tråkiga och benägna att inkonsekvenser.
- Använd en tärningssåg för att tärna hela rånet efter behov.
2. Att göra elektrisk och mekanisk kontakt med givaren
OBS: Flera metoder beskrivs nedan (steg 2.1−2.4), och det markeras senare i protokollet vilken metod som är mest lämplig för varje efterföljande steg.
- Placera en tärnad givare platt på en magnetisk stålplatta. Montera en pogo-sond i kontakt med plattan och en annan pogo-sond i kontakt med givarens övre yta. Hädanefter kommer detta att kallas pogo-platta kontakt.
- Placera givaren mellan två pogo-sonder. Nedan kallad pogo-pogo kontakt.
- Lödtråd till varje yta på givaren. Nedan kallad lödkontakt.
- Montera en anpassad givare.
- Beställ de anpassade kretskorten (PCB) vars Gerber-filer har tillhandahållits.
- Löd två ytmonterade fjäderkontakter(Tabell över material)till varje anpassad PCB. Tryck passar spikarna i pläterade hål på anpassade PCB så att de pekar bort från varandra.
- Anslut de två anpassade PCB med brädstänger och skruvar så att kontakterna bara är i kontakt med varandra. Justera avståndet med plastbrickor om det behövs.
- Skjut in en 3 mm x 10 mm givare mellan kontaktparet. Fäst de yttre kontakterna så att de inte kortsluter kretsen.
OBS: Bild 1 visar hela enheten.
3. Identifiering av resonansfrekvens genom impedansanalys
- Se till att en portkalibrering har utförts i enlighet med tillverkarens anvisningar för den specifika kontaktmetod som används.
- Anslut en givare till den öppna porten på nätverksanalysatorn (Tabell över material) med en av de kontaktmetoder som beskrivs i steg 2.1−2.4.
OBS: Det kan vara lärorikt att upprepa denna analys med flera elektriska kontaktmetoder och jämföra resultaten. - Välj parametern för reflektionskoefficient, s11, via nätverksanalysatorns användargränssnitt, välj frekvensområde av intresse och utför frekvenssvepningen.
OBS: s11 är ingångsreflektionskoefficienten och har ett minimivärde vid resonansfrekvensen för drift. För en typisk 500 μm tjock 128YX LN wafer, kommer den primära resonansfrekvensen vara nära 7 MHz och den andra harmoniska kommer att vara nära 21 MHz, vilket illustreras i figur 2. Impedanstomten i frekvensutrymme som visas på instrumentet kommer att uppvisa lokala minima vid resonansfrekvenserna. - Exportera data genom att välja Spara/återkalla | Spara spårningsdata på användargränssnittet för närmare inspektion med hjälp av databehandlingsprogram för att identifiera de exakta minima-platserna.
4. Vibration karakterisering via LDV
- Placera en givare i pogo-skyltkontakt på LDV-scenen. Anslut pogo-sonden leder till signalgeneratorn. Se till att det mål som används väljs i förvärvsprogrammet (Tabell över material) och fokusera mikroskopet på givarens yta.
- Definiera skanningspunkterna genom att välja Definiera skanningspunkter eller fortsätt till steg 4.3 om du utför en kontinuerlig genomsökning.
- Välj alternativet Inställningar och välj antingen alternativet FFT eller Tid under fliken Allmänt beroende på om genomsökningen utförs i frekvens- eller tidsdomänen. Välj antalet medelvärden i det här avsnittet.
Antalet medelvärden påverkar skanningstiden. Fem genomsnitt för de givare som beskrivs i detta protokoll har visat sig ge tillräckligt signal-/brusförhållande. - Kontrollera att rutorna Aktiv är markerade, vilket motsvarar referensen och den reflekterade signalen från givaren på fliken Kanal. Justera referens- och incidentkanalerna genom att välja ett spänningsvärde från rullgardinsmenyn för att få maximal signalstyrka från substratet.
- Om mätningen utförs under enfrekvenssignal i fliken Generator väljer du Sinus från waveform-rulllistan. Waveform Om den är under en bandsignal väljer du MultiCarrierCW.
- Ändra bandbredds- och FFT-linjerna på fliken Frekvens för att justera skanningsupplösningen för en frekvensdomänskanning. På samma sätt ändrar du exempelfrekvensen på fliken Tid när du utför tidsdomänmätningar.
Den bandbredd som vanligtvis används är 40 MHz och antalet FFT-linjer är 32 000. Presentationsprogrammet (Tabell över material) kan användas för att bearbeta och analysera data som erhållits från genomsökningen. Ett typiskt förskjutningsspektrum finns i figur 3.
5. Vätsketillförsel
- Få en 25 mm lång, 1 mm diameter veke består av en bunt fibrer av en hydrofil polymer utformad för att transportera vattenhaltig vätska över sin längd såsom de som finns tillgängliga för plug-in luftrenare. Trimma ena änden så att en av mittpunkten bildas.
- För in veken i en sprutspets med en innerdiameter som ger en ombonad passform och en längd som gör att veken kan sträcka sig 1−2 mm bortom varje ände. Lås spetsen på en spruta med önskad kapacitet (1−10 ml).
- Montera veken/sprutan så att veken är 10°−90° från horisontellt (beroende på önskad atomiseringshastighet, vilket också beror på den applicerade spänningen) och vekens spets är precis i kontakt med givarens kant enligt figur 1C.
- Fyll sprutan med vatten och applicera en kontinuerlig spänningssignal (med början på 20 Vpp) vid resonansfrekvensen som bestäms med hjälp av impedansanalysatorn. Justera spänningsnivån tills vätskan finförsatts kontinuerligt utan att enheten översvämmas eller torkas ut.
6. Dynamikobservation via höghastighetsbildtagning
- Fäst en höghastighetskamera horisontellt på ett optiskt bord, placera en givare i antingen pogo-pogo kontakt eller pogo-platta kontakt på en x-y-z skede nära brännvidden av kameran, och placera en diffus ljuskälla på minst en brännvidd på motsatt sida av givaren från kameran.
- För pogo-pogo kontakt, placera vätsketillförseln så att den inte blockerar kameravyn eller ljuskällan. För pogo-platta kontakt, applicera vätska direkt på substratet med en pipett.
- Justera kamerans fokus och x-y-z-läget för att få vätskeprovet i skarpt fokus.
- Uppskatta frekvensen av det specifika fenomen som ska studeras baserat på litteratur. Välj en bildhastighet som är minst dubbelt så stor som den här frekvensen enligt Nyquist-hastigheten för att undvika aliasing.
OBS: Till exempel, överväga kapillärvågor som uppstår på en sessile droppe på en rad frekvenser. Kameror som är begränsade i rumslig upplösning kan bara skilja vågor med en minsta amplitud. I detta fall minsta amplitud sker runt 4 kHz så en bildhastighet på 8.000 bilder per sekund (fps) väljs. - Justera ljusintensiteten, kamerans slutare eller båda för att optimera kontrasten mellan vätskan och bakgrunden.
OBS: Ett ogenomskinligt färgämne kan tillsättas vätskan för att öka kontrasten. - Anslut alligatorklämmor från den förstärkta signalgeneratorn till pogo-sondernas ledningar.
- Fånga video i kamerans programvara samtidigt med aktivering via spänningssignalen antingen genom att manuellt utlösa både samtidigt eller genom att ansluta en utlösande utgång från signalgeneratorn till kameran.
Den typiska bildhastigheten som används är 8 000 fps och ett CF4-mål används. - Spara endast de ramar som innehåller fenomenet för att undvika bortkastad lagring, som är särskilt relevant vid stora bildhastigheter, för att ge ett resultat som visas i figur 4.
Se till att spara filen i ett format som är kompatibelt med det bildbehandlingsprogram som du väljer så att användbara data kan extraheras.
7. Mätning av droppstorlek via laserspridningsanalys
- Laserspridningssystemet (Tabell över material) har en modul som överför lasern och en som tar emot den spridda lasersignalen. Placera modulerna längs skenan som medföljer systemet, med en lucka på 20−25 cm mellan dem.
- Fäst en plattform i detta mellanrum så att när givaren och vätsketillförselenheterna placeras på den, kommer den finfördelade dimman att kastas ut i laserstrålens väg. Underlätta denna justering genom att slå på laserstrålen via valverktyg | Laserkontroll... | Laser på som en visuell indikator.
- Fäst givarhållaren på plattformen och fäst vätsketillförselenheten på en ledad arm (Tabell över material). Placera vätsketillförselenheten så att vekens spets precis kommer i kontakt med givarens kant.
- Skapa en standardprocedur (SOP) i programvaran genom att klicka på ikonen Ny SOP. Konfigurera SOP med följande inställningar: mall = Standard kontinuerlig, samplingsperiod (s) = 0,1, under Datahantering, klicka på Redigera... och ange Sprayprofil | Banlängd (mm) till 20,0, klicka på Larm för att avmarkera Använd standardvärden och ange Min-överföring (%) till 5 och 1 och ställ in Min spridning till 50 och 10. Lämna alla andra inställningar som standard.
OBS: Se programmanualen som medföljde instrumentet. - Starta mätningen i programvaran genom att klicka på Mät | Starta SOP och välj den SOP som skapades i steg 7.4. Vänta tills bakgrundskalibreringarna är klara. Fyll vätsketillförselbehållaren, sprutan, med vatten upp till önskad nivå och notera volymen. Slå på spänningssignalen för att börja atomisera vätskan. Starta stoppuret och starta mätningen genom att klicka på Start.
- Programvaran genererar en storleksfördelning baserad på den spridda lasersignalen vid mottagaren på grund av Mie-teorin och en multipla spridningsalgoritm. När önskad vätskevolym har finförtämts stänger du av spänningssignalen, stoppar stoppuret och registrerar den slutliga volymen och stoppar inspelningsdata genom att klicka på Stoppa.
OBS: Laserspridningssystemet kan mäta så lite som 1 μl vätska och har ingen övre gräns för vätskevolym. Atomiseringsflödet kan helt enkelt beräknas genom att dividera volymen med tidsvaraktigheten. - I mätning histogrammet väljer du den del av data under vilken atomiseringen skedde som förväntat och signalen vid mottagaren var tillräckligt stark för att vara statistiskt signifikant. Klicka på Medel | Ok för att generera en distribution baserat på valda data.
OBS: Alla mätningar med denna teknik är statistiska medelvärden och därmed, om det finns för få droppar, då den spridda signalen kommer att vara svag, och mätningen kommer att vara statistiskt obetydlig. - Spara den genomsnittliga fördelningen genom att markera fönstret och klicka på Redigera | Kopiera text och klistra sedan in resultatet i en textfil och spara med ett lämpligt namn.
OBS: Dessa distributionsdata kan nu användas tillsammans med annan programvara (t.ex. Figure 5
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tjocklek läge piezoelectric enheter tillverkades från 128YX litium niobate. Figur 1 visar en komplett montering för att hålla givaren på plats med en anpassad givare som används med passiv vätska leveranssystem som utvecklats för kontinuerlig atomisering. Karakteriseringsstegen för dessa anordningar omfattar bestämning av resonansfrekvensen och övertoner med hjälp av en impedansanalysator (figur 2). Den grundläggande frekvensen av enheterna befanns vara nära 7 MHz med hjälp av den teknik som beskrivs i detta protokoll, som förutspås av tjockleken på substratet. Ytterligare karakterisering av substrat vibrationer utfördes med noncontact laser Doppler vibrometer mätningar. Dessa mätningar bestämmer substratets storlek och ligger vanligtvis inom nm-området (figur 3). Kontinuerlig atomisering är viktigt för att möjliggöra praktiska tillämpningar av tjocklekslägesanordningar, och detta har visats genom att utveckla ett passivt vätsketillförselsystem till substratet. Slutligen beskrevs två tekniker för att observera droppvibrationer och atomiseringsdynamik genom att utföra höghastighetsavbildning och genom att mäta fördelning av droppstorlek enligt figur 4 och figur 5.
Figur 1: Hela monteringen av en anpassad givare. (A)Givarhållarens och vätsketillförselns lägen är kontrollerade med ledade armar så att vekens spets precis kommer i kontakt med givarens kant. Infälld (B) avslöjar arten av den elektriska och mekaniska kontakten med givaren elektroderna. Infälld (C) avslöjar vilken typ av kontakt mellan givaren kanten och vätskeveken. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 2: De verkliga s11 spridningsparametervärdenamättas över ett intervall på 1−25 MHz för en 127,86° YX litiumvisbatenhet, vilket indikerar närvaron av en resonanstopp vid cirka 7 MHz. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: En multi-carrier, FFT scan med 5 genomsnitt vid varje punkt utfördes över 9 av 9 skanningspunkter definieras i en 0,6 av 0,6 mm område i frekvensområdet 5−25 MHz. Den rapporterade förskjutningen är den maximala förskjutning som är medelvärde över alla punkter. Den grundläggande tjockleksläge för 0,5 mm tjock LN kan ses vid 7 MHz, och en svagare andra harmonisk är närvarande vid ~ 21 MHz. Observera att det finns flera smala toppar vid varje resonans på grund av störningar i laterala lägen. Multi-bärare skannar sprida spänningsingången, så förskjutningen här är inte ett korrekt mått på enhetens prestanda. För en sådan mätning rekommenderas att utföra en enda frekvens genomsökning vid resonansfrekvensen och med relevanta spänningar vid tillämpningen. Till exempel, denna 10 mm x 5 mm tjockleksläge givare producerar en 5 nm max amplitud vid 45 Vpp när den körs på 6,93 MHz. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Uppkomsten av kapillärvågor på en 2 μL vattendroppe indikeras av en 8 000 fps-video av vätskegränssnittet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 5: Droplet storleksfördelning mäts vanligtvis som en volymfraktion jämfört med droppdiametern, här jämför (A) en kommersiell nebulisator och (B) en LN tjockleksläge enhet, båda med hjälp av vatten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande figur 1: En jämförelse av impedansanalysspektra för samma givare med två olika former av elektrisk kontakt (pogo-platta, pogo-pogo och givare) visar betydande skillnader i s11 spridningsparametervärden. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Film 1: LDV vibrationsläge på 5 mm x 5 mm fyrkantig givare. Klicka här för att se den här videon. (Högerklicka för att ladda ner.)
Film 2: LDV vibrationslägen på 3 mm x 10 mm givare. Dessa är nära approximationer till tjockleklägen utan närvaro av betydande laterala lägen. Klicka här för att se den här videon. (Högerklicka för att ladda ner.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dimensioner och bildförhållande för en givare påverkar vibrationslägen den producerar. Eftersom de laterala dimensionerna är ändliga finns det alltid laterala lägen utöver de önskade tjocklekslägena. Ovanstående LDV-metoder kan användas för att bestämma dominerande lägen i önskat frekvensområde för en viss givare. En kvadrat med mått under 10 mm ger vanligtvis en nära approximation till ett tjockleksläge. Tre av tio millimeter rektanglar fungerar också bra. Film 1 och Film 2 visar LDV-område skanningar av torget och 3 mm x 10 mm givare som anger att de är nära tjockleksläget. Dessa har empiriskt fastställts snarare än valts genom simulering och design, även om sådana metoder skulle kunna användas för att hitta idealiska laterala dimensioner.
Metoden för elektrisk och mekanisk kontakt med givaren påverkar också de vibrationer den producerar eftersom dessa är de gränsförhållanden som den piezoelektriska plattan är föremål för. Vi har inkluderat ett impedansspektrum för tre mättekniker: pogo-platta, pogo-pogo och givare som en jämförelse i tilläggsfigur 1. Det är tydligt att resonanstoppplatserna inte ändras i det här fallet av våra kontaktval. Vi noterar att mekanisk kontakt mellan givaren och en plåtyta dämpar vibrationer vilket gör atomisering mindre effektiv. Pogo-platta kontakt används vid LDV mätningar, eftersom det är det enklaste sättet att få en platt, stationär yta som att fokusera lasern.
Den vätskeförsörjningsenhet som beskrivs här bygger på kapillärverkan och gravitation för att passivt återförse givaren med en tunn film av vatten när den finfördelades bort. Vibrationerna i givaren ger en acoustowetting effekt som kan vara tillräckligt för att skapa en tunn film och undvika översvämningar, men i vissa fall en hydrofil behandling kommer att vara nödvändigt på givaren ytan. Om kontinuerlig atomisering inte uppnås är detta den mest sannolika vägen för att lösa problemet.
Mätningar utfördes med en ultrahög frekvens vibrometer (Tabell över material) här, men andra LDVs kan användas. Elektrisk kontakt kan göras genom lödning en tråd till varje yta av givaren, även om lödaren kan avsevärt ändra resonansfrekvenser och lägen för givaren. En annan teknik är att placera givaren på en metall bas och använda "pogo" våren kontakt sonder pressas i kontakt på den övre sidan av piezoelektriska givare element medan den sitter platt på scenen, användbart när ett stort område måste skannas. Noggrann mätning av resonansfrekvenserna är viktigt för att effektivt driva givaren och maximera energigenomströmningen till mekanisk rörelse vid dessa frekvenser. En frekvenssökning med LDV ger denna information, men kräver en lång tid, i ordningen tiotals minuter. En impedansanalysator kan bestämma resonansfrekvenserna mycket snabbare, ofta mindre än en minut. Till skillnad från LDV ger dock den impedansbaserade mätningen inte information om vibrationsamplituden vid resonansfrekvenserna, vilket är viktigt för att bestämma vätskeatomisering från givarens yta.
Även om vibrationer av substratet förekommer i 10−100 MHz-regimen, uppstår dynamiken hos vätskor som kommer i kontakt med substratet vid mycket långsammare tidsskalor. Till exempel är kapillärvågor på ytan av en sessile droppe observerbara på 8.000 fps, förutsatt att den rumsliga upplösningen av kameran kan skilja amplituden av en våg krön och att vågfrekvensen av intresse är under 2000 Hz. Kameran arrangemang som beskrivs ovan bilder överfört ljus och därmed är bra för att observera konturerna av objekt som överför ljus annorlunda än luft. Om det är otillräckligt kan ett reflekterat eller fluorescerande ljusarrangemang krävas. Exponeringstiden för varje bildruta minskar när bildhastigheten ökas så ljusintensiteten måste ökas i enlighet med detta. Objektivet bör väljas baserat på längden skalan av fenomenet under utredning, men ovanstående protokoll kommer att fungera med alla allmänt tillgängliga förstoring. Som ett exempel erhölls figur 4 med ovanstående höghastighetsvideometod. Kontrasten vid släpp-gränssnittet skulle göra det möjligt för dessa ramar att segmenteras i programvara (ImageJ och MATLAB) så att gränssnittet dynamiken kan spåras över tiden.
I droppstorleksutrustning som används i detta protokoll (Tabell över material), laseroptik och sprida detektorer är relativt standard men programvaran är proprietär och komplex. Förutom Mie teori, flera spridning händelser gör droppstorlek och uppräkning beräkningar mycket svårare. Mie teori förutsätter att de flesta fotoner är utspridda bara en gång, men när droppar är tätt fördelade, dvs avståndet mellan droppar är inte mycket större än dropparna själva, och spray plommon täcker en suefficiently stort område, då detta antagande misslyckas18. Som ett exempel på felsökningsresultat från detta instrument bör du tänka på figur 5. Observera att 0,5 mm diametertoppen visas i båda fördelarna. Den kommersiella nebulisator är känd för att producera monodisperse droppar nära 10 μm, så den större toppen är sannolikt antingen ett falskt resultat på grund av den stora mängden multi-spridning händelser eller tätbebyggelse av mindre droppar i sprayen. Detta innebär att den stora toppen i tjocklekslägesfördelningen också kan vara ett falskt resultat. Detta kan verifieras direkt genom höghastighetsvideo: sådana stora droppar skulle vara lätt synliga, men de observeras inte i detta fall.
Laserspridning partikelstorlek analys kan också vara svårt när spridningssignalen blir svag. Detta beror vanligtvis på en låg atomiseringshastighet eller när en del av sprayen inte passerar genom laservägen. Ett svagt vakuum kan användas för att dra den fullständiga finfördelade dimman genom utrustningens expanderade laserstråle i de fall där den annars skulle undgå mätning. För ännu större kontroll av sprayförhållanden kan en fuktighetskammare installeras runt laserstrålens väg, men detta krävs inte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Författarna är tacksamma mot University of California och NANO3 anläggningen vid UC San Diego för tillhandahållande av medel och anläggningar till stöd för detta arbete. Detta arbete utfördes delvis vid San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) av UCSD, en medlem av National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som stöds av National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). Det arbete som presenteras här fick generöst stöd av ett forskningsbidrag från W.M. Keck Foundation. Författarna är också tacksamma för stödet för detta arbete av Office of Naval Research (via Grant 12368098).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Amplifier | Amplifier Research, Souderton, PA, USA | 5U1000 | |
| Articulating arm | Fisso, Zurich, Switzerland | ||
| CF4 Objective | Edmund Optics, Barrington, NJ, USA | Objective used for high speed imaging | |
| Dicing saw | Disco, Tokyo, Japan | Disco Automatic Dicing Saw 3220 | |
| Fiber Fragrance Diffuser Wick | Weihai Industry Co., Ltd., Weihai, Shandong, China | https://www.weihaisz.com/Fiber-Fragrance-Diffuser-Wick_p216.html | |
| High Speed Camera | Photron, San Diego, USA | Fastcam Mini | |
| Laser Doppler Vibrometer | Polytec, Waldbronn, Germany | UHF120 | Non-contact laser doppler vibrometer |
| Laser Scattering Droplet size measurement system | Malvern Panalytical, Malvern, UK | STP5315 | |
| Lithium niobate substrate | PMOptics,Burlington, MA, USA | PWLN-431232 | 4” double-side polished 0.5 mm thick 128°Y-rotated cut lithium niobate |
| Luer-lock syringes | Becton Dickingson, New Jersey, USA | ||
| Nano3 cleanroom facility | UCSD, La Jolla, CA, USA | Fabrication process is performed in it. | |
| Network Analyzer | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | 5061B | |
| Oscilloscope | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | InfiniiVision 2000 X-Series | |
| PSV Acquistion Software | Polytec, Waldbronn, Germany | Version 9.4 | LDV Software |
| PSV Presentation Software | Polytec, Waldbronn, Germany | Version 9.4 | LDV Software |
| Signal generator | NF Corporation, Yokohama, Japan | WF1967 multifunction generator | |
| Single Post Connector | DigiKey, Thief River Falls, MN | ED1179-ND | |
| Sputter deposition | Denton Vacuum, NJ, USA | Denton 18 | Denton Discovery 18 Sputter System |
| Surface Mount Spring Contacts | DigiKey, Thief River Falls, MN | 70AAJ-2-M0GCT-ND | |
| Teflon wafer dipper | ShapeMaster, Ogden, IL, USA | SM4WD1 | Wafer Dipper 4" |
| XYZ Stage | Thor Labs, Newton, New Jersey, USA | MT3 | Optical table stages |
References
- Wood, R. W., Loomis, A. L. XXXVIII.physical and biological effects of high-frequency sound-waves of great intensity. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 4 (22), 417-436 (1927).
- Dalmoro, A., Barba, A. A., Lambert, G., d'Amore, M. Intensifying the microencapsulation process: Ultrasonic atomization as an innovative approach. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 80 (3), 471-477 (2012).
- Namiyama, K., Nakamura, H., Kokubo, K., Hosogai, D. Development of ultrasonic atomizer and its application to S.I. engines. SAE Transactions. , 701-711 (1989).
- Qi, A., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Interfacial destabilization and atomization driven by surface acoustic waves. Physics of Fluids. 20 (7), 074103 (2008).
- Wang, J., Hu, H., Ye, A., Chen, J., Zhang, P. Experimental investigation of surface acoustic wave atomization. Sensors and Actuators A: Physical. 238, 1-7 (2016).
- James, A., Vukasinovic, B., Smith, M. K., Glezer, A. Vibration-induced drop atomization and bursting. Journal of Fluid Mechanics. 476, 1-28 (2003).
- Randall, C. A., Kim, N., Kucera, J. P., Cao, W., Shrout, T. R. Intrinsic and extrinsic size effects in fine-grained morphotropic-phase-boundary lead zirconate titanate ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 81 (3), 677-688 (1998).
- Tsai, S. C., Lin, S. K., Mao, R. W., Tsai, C. S. Ejection of uniform micrometer-sized droplets from Faraday waves on a millimeter-sized water drop. Physical Review Letters. 108 (15), 154501 (2012).
- Jeng, Y. R., Su, C. C., Feng, G. H., Peng, Y. Y., Chien, G. P. A PZT-driven atomizer based on a vibrating flexible membrane and a micro-machined trumpet-shaped nozzle array. Microsystem Technologies. 15 (6), 865-873 (2009).
- Lupascu, D., Rödel, J. Fatigue in bulk lead zirconate titanate actuator materials. Advanced Engineering Materials. 7 (10), 882-898 (2005).
- Kawamata, A., Hosaka, H., Morita, T. Non-hysteresis and perfect linear piezoelectric performance of a multilayered lithium niobate actuator. Sensors and Actuators A: Physical. 135 (2), 782-786 (2007).
- Qi, A., Yeo, L., Friend, J., Ho, J. The Extraction of Liquid, Protein Molecules and Yeast Cells from Paper Through Surface Acoustic Wave Atomization. Lab on a Chip. 10 (4), 470-476 (2010).
- Collignon, S., Manor, O., Friend, J. Improving and Predicting Fluid Atomization via Hysteresis-Free Thickness Vibration of Lithium Niobate. Advanced Functional Materials. 28 (8), 1704359 (2018).
- Lawson, A.
- Fukushima, Y., Nishizawa, O., Sato, H. A performance study of a laser doppler vibrometer for measuring waveforms from piezoelectric transducers. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 56 (7), 1442-1450 (2009).
- Thoroddsen, S., Etoh, T., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubbles. Annual Reviews in Fluid Mechanics. 40, 257-285 (2008).
- Yule, A., Al-Suleimani, Y. On droplet formation from capillary waves on a vibrating surface. Proceedings of the Royal Society of London Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 456 (1997), 1069-1085 (2000).
- Hirleman, E. D. Modeling of multiple scattering effects in Fraunhofer diffraction particle size analysis. Optical Particle Sizing. Gouesbet, G., Gréhan, G. , Springer. Boston, MA. 159-175 (1988).
