Summary
Описано изготовление пьезоэлектрических преобразователей режима толщины через прямое распыление тока электродов пластины на литиевом ниобате. Кроме того, надежная работа достигается с помощью держателя трансдусеров и системы питания жидкости и характеристика демонстрируется с помощью анализа impedance, лазерной доплеровской виброметрии, высокоскоростной визуализации и распределения размеров капель с помощью лазерного рассеяния.
Abstract
Мы представляем технику для изготовления простой толщины режим пьезоэлектрических устройств с использованием лития ниобата (LN). Такие устройства, как было показано, распыляют жидкость более эффективно, с точки зрения скорости потока на входную мощность, чем те, которые полагаются на волны Рейли и другие режимы вибрации в LN или свинца цирконат титаната (ПЗТ). Полное устройство состоит из преобразователя, держателя преобразователя и системы подачи жидкости. Основы акустической жидкостной атомизации не очень хорошо известны, поэтому описаны также методы характеристики приборов и изучения явлений. Лазерная виброметрия Doppler (LDV) обеспечивает информацию о вибрации, необходимую для сравнения акустических преобразователей, и в этом случае указывает, будет ли устройство хорошо работать в вибрации толщины. Он также может быть использован для поиска резонансной частоты устройства, хотя эта информация получена быстрее с помощью анализа impedance. Непрерывная распыление жидкости, как пример применения, требует тщательного контроля потока жидкости, и мы представляем такой метод с высокоскоростной визуализации и измерения размера капель с помощью лазерного рассеяния.
Introduction
Ультразвуковая атомизация изучалась в течение почти столетия, и хотя Есть много приложений, Есть ограничения в понимании лежащей в основе физики. Первое описание этого явления было сделано Вуд и Лумис в 19271, и с тех пор были события в области применения, начиная от доставки аэрозольных фармацевтических жидкостей2 для впрыска топлива3. Хотя явление хорошо работает в этих приложениях, основные физики не очень хорошо понял4,5,6.
Ключевым ограничением в области ультразвуковой атомизации является выбор используемого материала, свинцового цирконата титаната (ПЗТ), истеричного материала, склонного к нагреванию7 и загрязнению свинца элементарным свинцом, доступным из межзерновенных границ8,9. Размер зерна и механические и электронные свойства границ зерна также ограничивают частоту, на которой ПЗТ может работать10. В отличие от этого, литий ниобат является как свинца бесплатно и не проявляет никаких истереза11, и может быть использован для атомизации жидкости на порядок величины более эффективно, чем коммерческие форсунки12. Традиционный разрез литиевого ниобата, используемого для работы в режиме толщины, является 36-градусным Y-повернутым разрезом, но 127,86-градусный Y-повернутый, X-распространяющийся разрез (128YX), обычно используемый для генерации поверхностных акустических волн, был показан как более высокий амплиту смещения поверхности по сравнению с 36-градусным разрезом13, когда он работал в низкой и низкой резонансной потере. Было также показано, что режим толщины работает предлагает на порядок повышение эффективности распылителя по сравнению с другими режимами вибрации13, даже при использовании LN.
Резонансная частота пьезоэлектрического устройства, работающего в режиме толщины, регулируется его толщиной т:длина волны 2 т/н, где n 1, 2,... — это количество антиузлов. Для субстрата толщиной 500 мкм это соответствует длине волны 1 мм для фундаментального режима, который затем может быть использован для расчета фундаментальной частоты резонанса, f q v/q, если скорость волны, v, , известно. Скорость звука через толщину 128YX LN составляет около 7000 м/с, и так f 7 МГц. В отличие от других форм вибрации, особенно поверхностных режимов, это просто, чтобы возбудить режим толщины более высокого порядка гармоник на гораздо более высоких частотах, здесь до 250 МГц или более, хотя только нечетные номера режимы могут быть возбуждены равномерной электрических полей14. Следовательно, второй гармоник(n No 2) вблизи 14 МГц не может быть возбужденным, но третий гармоник на 21 МГц(n q 3) может. Изготовление эффективных устройств режима толщины требует отложения электродов на противоположные лица преобразовательа. Мы используем прямой ток (DC) распыления для достижения этой цели, но электрон-луч осаждения и другие методы могут быть использованы. Анализ impedance полезен для того чтобы охарактеризовать приборы, определенно в находить частоты резонанса и электромеханические соединения на этих частотах. Лазерная доплеровская виброметрия (LDV) полезна для определения амплитуды и скорости выходной вибрации без контакта или калибровки15,а с помощью сканирования LDV обеспечивает пространственное распределение деформации поверхности, выявляя режим вибрации, связанный с данной частотой. Наконец, для целей изучения атомизации и динамики жидкости, высокоскоростные изображения могут быть использованы в качестве метода для изучения развития капиллярных волн на поверхности sessile падение16,17. В атомизации, как и многие другие acoustofluidic явлений, небольшие капли производятся с быстрой скоростью, более 1 кГц в данном месте, слишком быстро для высокоскоростных камер для наблюдения с достаточной точностью и поле зрения, чтобы обеспечить полезную информацию в течение достаточно большого размера образца капли. Лазерное рассеяние может быть использовано для этой цели, проходя капли через расширенный лазерный луч (Mie) рассеять часть света в отражении и преломлении для получения характерного сигнала, который может быть использован для статистической оценки распределения размера капель.
Это просто изготовить пьезоэлектрические преобразователи режима толщины, но методы, необходимые в устройстве и характеристики атомизации не были четко изложены в литературе на сегодняшний день, препятствуя прогрессу в дисциплине. Для того, чтобы режим толщины преобразователь был эффективен в устройстве атомизации, он должен быть механически изолирован, чтобы его вибрация не смочена и она должна иметь непрерывную подачу жидкости со скоростью потока, равной скорости атомизации, чтобы ни высыхания, ни затопления не происходило. Эти два практических соображения не были подробно освещены в литературе, поскольку их решения являются результатом инженерных методов, а не чистой научной новизны, но тем не менее они имеют решающее значение для изучения этого явления. В качестве решений мы представляем сборку держателя трансдуцеров и систему жидкостных фитилей. Этот протокол предлагает систематический подход к изготовлению и характеристике атомайзера для содействия дальнейшим исследованиям в области фундаментальной физики и множества применений.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Толщина режим трансдуцера изготовления через DC распыления
- Вафельная подготовка
- Поместите диаметром 100 мм 128YX LN в чистую стеклянную тарелку диаметром не менее 125 мм. Sonicate пластины, по крайней мере 200 мл ацетона в течение 5 мин.
- Повторите sonication с изопропиловым спиртом и снова с деионизированной водой в течение 5 минут каждый.
- Удалите видимую воду с поверхности с помощью сухого азота.
- Полностью удалить воду с поверхности, поместив пластины на плите на 100 градусов по Цельсию в течение 5 мин. Убедитесь, что есть лист алюминиевой фольги на плите, как это помогает в рассеивании заряда накопления на пластине.
- Электродеоооооо
- Поместите в вакуумную камеру системы осаждения распылителя и накачать камеру до 5 х 10-6 mTorr. Установите давление аргона до 2,3 мТорра и скорость вращения до 13 об/мин.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если параметры для конкретного инструмента, используемого были установлены, что приводит к высокому качеству фильмов, а затем использовать их вместо. - Депозит 5–10 нм титана при 1,2–1,6 а/с.
ПРИМЕЧАНИЕ: Прежде чем начать этот процесс с предполагаемой пластины, проверить уровень осаждения с плазменной мощности набор 200 Вт и хранение в течение 1 мин. Затем измерьте высоту слоя с помощью профилометра. Сделайте это отдельно для каждого металла. Установите мощность в соответствии с этим испытанием для достижения заявленной скорости осаждения. - Депозит 1-1,2 мкм золота при 7–9 А/с.
ПРИМЕЧАНИЕ: Осаждение с более высокой скоростью из-за увеличенной мощности плазмы или увеличенного аргона частичного давления может уменьшить качество пленки. - Снимите и повторите шаги 1.2.1'1.2.3 для второй стороны.
- Поместите в вакуумную камеру системы осаждения распылителя и накачать камеру до 5 х 10-6 mTorr. Установите давление аргона до 2,3 мТорра и скорость вращения до 13 об/мин.
- Дикинг
- Используйте dicing пилу, чтобы кости всей пластины по мере необходимости.
ПРИМЕЧАНИЕ: Защитный сопротивление может быть применено на субстрате до dicing, и система(Таблица материалов), используемых здесь применяется УФ излечимой пленки непосредственно перед образцами загружаются на стадии dicing. Установлено, что dicing образцов с автоматизированной dicing пила не ставит под угрозу целостность образцов. Ручной писец dicing LN возможно, хотя и утомительно и склонны к несоответствиям.
- Используйте dicing пилу, чтобы кости всей пластины по мере необходимости.
2. Создание электрического и механического контакта с преобразоваемым
ПРИМЕЧАНИЕ: Ниже описано несколько методов (шаги 2.1-2.4), и позже в протоколе выделяется метод, какой метод наиболее подходит для каждого последующего шага.
- Поместите нарезанный кубиками преобразователенный плоский на магнитной стальной пластины. Гора один пого-зонд в контакте с пластиной, а другой пого-зонд в контакте с верхней поверхностью трансдуховщика. В дальнейшем это будет называться пого-пластины контакт.
- Поместите преобразовайщик между двумя пого-зондами. В дальнейшем называют пого-пого контакт.
- Солдер провода к каждому лицу преобразователя. В дальнейшем называют припой контакт.
- Соберите пользовательский держатель преобразователя.
- Закажите пользовательские печатные платы (PCBs), чьи файлы Гербер были предоставлены.
- Solder 2 контакта весны поверхности 2поверхности (Таблица материалов) к каждому изготовленному на заказ PCB. Нажмите подходят шипы в покрытием отверстия на пользовательских ПХД так, что они указывают друг от друга.
- Подключите два пользовательских ПХД с помощью бортовых пространок и винтов, чтобы контакты были просто в контакте друг с другом. При необходимости отрегулируйте интервалы с пластиковыми шайбами.
- Слайд 3 мм х 10 мм преобразовать между внутренней парой контактов. Клип внешних контактов, чтобы они не короткого замыкания.
ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 1 показана вся сборка.
3. Резонансная идентификация частоты с помощью анализа навязок
- Убедитесь, что калибровка порта была выполнена в соответствии с инструкциями производителя для конкретного метода контакта, используемого.
- Подключите преобразователь к открытому порту сетевого анализатора(Таблица материалов)с одним из методов контакта, описанных в шагах 2.1'2.4.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это может быть поучительным, чтобы повторить этот анализ с несколькими электрическими методами контакта и сравнить результаты. - Выберите параметр коэффициента отражения, s11, через пользовательский интерфейс сетевого анализатора, выберите диапазон частот интересов и выполните частотный размах.
ПРИМЕЧАНИЕ: s11 является коэффициентом отражения ввода и имеет минимальное значение на резонансной частоте операции. Для типичного 500 мкм толщиной 128YX LN пластины, первичная частота резонанса будет около 7 МГц и второй гармонический будет около 21 МГц, как показано на рисунке 2. Участок в частотном пространстве, отображаемый на приборе, будет выставлен на основе локальной минимы на резонансных частотах. - Экспорт данных, выбрав Сохранить / Напомнить Сохранить trace Data на пользовательский интерфейс для более тщательного изучения с помощью программного обеспечения для обработки данных для определения точных местоположений minima.
4. Вибрация характеристика через LDV
- Поместите преобразовайщик в контакт с пого-пластиной на сцене LDV. Подключите пого-зонд приводит к генератору сигналов. Убедитесь, что цель в использовании выбрана в приобретении программного обеспечения(Таблица материалов) и сосредоточить микроскоп на поверхности преобразоваваемого.
- Определите точки сканирования, выбрав определение точек сканирования или переходите к шагу 4.3 при выполнении непрерывного сканирования.
- Выберите параметр «Настройки» и под общей вкладке выберите либо вариант FFT, либо вариант времени в зависимости от того, выполняется ли сканирование в домене частоты или времени. Выберите количество средних значений в этом разделе.
ПРИМЕЧАНИЕ: Количество средних значений влияет на время сканирования. Пять средних значений для преобразователей, описанных в настоящем протоколе, показали достаточное соотношение сигналов/шума. - Во вкладке Канала убедитесь, что активные коробки проверяются, которые соответствуют ссылке и отраженному сигналу от преобразовающего. Отрегулируйте каналы ссылки и инцидентов, выбрав значение напряжения из выкачиваясь меню, чтобы получить максимальную силу сигнала от субстрата.
- Во вкладке Generator, если измерение проводится под одним частотным сигналом, выберите Sine из списка Waveform; если он находится под сигналом полосы, выберите MultiCarrierCW.
- Измените пропускную способность и линии FFT во вкладке Частота, чтобы настроить разрешение сканирования для сканирования домена частоты. Аналогичным образом, измените частоту выборки во вкладке Time при выполнении измерений домена времени.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пропускная способность обычно используется 40 МГц и количество линий FFT составляет 32000. Презентационное программное обеспечение(Таблица материалов)может быть использовано для обработки и анализа данных, полученных с помощью сканирования. Типичный спектр перемещения приведен на рисунке 3.
5. Поставка жидкости
- Получить 25 мм в длину, 1 мм диаметром фитиль состоит из пучка волокон гидрофильных полимеров, предназначенных для транспортировки aqueous жидкости по всей ее длине, такие как те, которые доступны для плагина освежители воздуха. Обрезать один конец такой, чтобы от центра точки формируется.
- Вставьте фитиль в наконечник шприца с внутренним диаметром, который обеспечивает уютную посадку и длину, которая позволяет фитильу расшириться на 1–2 мм за пределами каждого конца. Заблокируйте наконечник на шприц с желаемой емкостью (1-10 мл).
- Гора фитиль / шприц сборки таким образом, что фитиль 10 "90" от горизонтального (в зависимости от желаемой скорости атомизации, которая также зависит от прикладного напряжения) и кончик фити только в контакте с краем преобразователь, как показано на рисунке 1C.
- Заполните шприц водой и нанесите непрерывный сигнал напряжения (начиная с 20 Vpp) на резонансной частоте, определяемой с помощью анализатора impedance. Отрегулируйте уровень напряжения до тех пор, пока жидкость не будет непрерывно распылена без затопления или высыхания устройства.
6. Наблюдение за динамикой с помощью высокоскоростного изображения
- Строго монтируете высокоскоростную камеру горизонтально на оптическом столе, поместите преобразовательная лампографию либо в пого-пого-контакт, либо в пого-пластину на сцене x-y-z вблизи фокусного длина камеры, и расположите диффузный источник света по крайней мере на одной фокусной длине на противоположной стороне трансдуцера от камеры.
- Для контакта пого-пого расположите подачу жидкости так, чтобы она не блокировала вид камеры или источник света. Для контакта с пого-пластиной нанесите жидкость непосредственно на субстрат с пипеткой.
- Отрегулируйте фокус камеры и положение x-y-z для того чтобы принести образец жидкости в острый фокус.
- Оценить частоту конкретного явления, которое будет изучаться на основе литературы. Выберите частоту кадров, по крайней мере, в два раза больше, чем эта частота в соответствии с курсом Nyquist, чтобы избежать псевдонима.
ПРИМЕЧАНИЕ: Например, рассмотрим капиллярные волны, которые возникают на сессильном падении на диапазоне частот. Камеры, ограниченные в пространственном разрешении, могут различать волны только с минимальной амплитудой. В этом случае минимальная амплитуду происходит около 4 кГц, поэтому выбрана частота кадров 8000 кадров в секунду (fps). - Отрегулируйте интенсивность света, затвор камеры, или оба для того, чтобы оптимизировать контраст между жидкостью и фоном.
ПРИМЕЧАНИЕ: Непрозрачный краситель может быть добавлен в жидкость для того, чтобы увеличить контраст. - Подключите зажимы аллигатора от усиленного генератора сигнала к пого-зондам.
- Захват видео в программном обеспечении камеры одновременно с активацией через сигнал напряжения либо вручную срабатывания как в то же время или путем подключения выход триггера из генератора сигнала к камере.
ПРИМЕЧАНИЕ: Обычная частота кадров, используемая, составляет 8000 кадров в секунду, и используется цель CF4. - Сохранить только кадры, содержащие явление, чтобы избежать впустую хранения, что особенно актуально при больших частотах кадров, чтобы произвести результат, как показано на рисунке 4.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь в том, чтобы сохранить файл в формате, который совместим с программным обеспечением обработки изображений выбора, так что полезные данные могут быть извлечены.
7. Измерение размера капли с помощью лазерного анализа рассеяния
- Лазерная система рассеяния(Таблица материалов)имеет модуль, который передает лазер и тот, который получает рассеянный лазерный сигнал. Расположите модули вдоль рельса, предусмотренного системой, с разрывом между ними размером 20–25 см.
- Строго смонтировать платформу в этом зазоре так, что, когда трансдукер и жидкости поставки сборки размещены на нем, распыленный туман будет выбрасываться в путь лазерного луча. Облегчить это выравнивание, включив лазерный луч с помощью выбора инструментов Лазерный контроль... | Лазер на как визуальный индикатор.
- Исправьте держатель трансдуцера на платформу и зафиксировав сборку жидкости на сочлененной руке(Таблица материалов). Расположите сборку жидкости так, чтобы кончик фитиля был просто в контакте с краем преобразовательа.
- Создайте стандартную операционную процедуру (SOP) в программном обеспечении, нажав на значок New SOP. Настройте SOP со следующими настройками: шаблон - непрерывный по умолчанию,период выборки (ы) - 0,1, под обработкой данных,нажмите Редактировать ... Spray profile Длина пути (мм) до 20,0, нажмите Сигнал тревоги, чтобы остановить Использование значений по умолчанию и установить Мин передачи (%) до 5 и 1 и установить Мин рассеяния до 50 и 10. Оставьте все остальные настройки по умолчанию.
ПРИМЕЧАНИЕ: Проконсультируйтесь с программным руководством, которое пришло с инструментом. - Запустите измерение в рамках программного обеспечения, нажав Мера Запустите SOP и выбрав SOP, созданный в шаге 7.4. Дождитесь завершения фоновой калибровки. Заполните резервуар питания жидкости, шприц, с водой до нужного уровня и обратите внимание на объем. Включите сигнал напряжения, чтобы начать распыление жидкости. Запустите секундомер и начните измерение, нажав Кнопку «Пуск».
- Программное обеспечение генерирует распределение размера на основе рассеянного лазерного сигнала на приемнике из-за теории Ми и алгоритма рассеяния. После того, как желаемый объем жидкости был распылен, выключите сигнал напряжения, остановите секундомер и запишите окончательный объем и прекратите запись данных, нажав Стоп.
ПРИМЕЧАНИЕ: Лазерная система рассеяния способна измерять всего 1 мл жидкости и не имеет верхнего предела для объема жидкости. Скорость потока атомизации может быть просто рассчитана путем деления объема на продолжительность времени. - В гистограмме измерения выберите часть данных, в ходе которых атомизация происходила, как ожидалось, и сигнал на приемнике был достаточно сильным, чтобы быть статистически значимым. Нажмите Средний Ok для создания дистрибутива на основе выбранных данных.
ПРИМЕЧАНИЕ: Все измерения с помощью этого метода являются статистическими средними и, таким образом, если есть слишком мало капель, то рассеянный сигнал будет слабым, и измерение будет статистически незначительным. - Сохранить среднее распределение, выбрав окно и нажав редактировать Копировать текст, затем вклеить результат в текстовый файл и сохранить с соответствующим именем.
ПРИМЕЧАНИЕ: Теперь эти данные о распределении могут быть использованы с другим программным обеспечением (например, MATLAB) для создания сюжета на рисунке 5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Режим толщины пьезоэлектрических устройств были изготовлены из 128YX литий ниобата. На рисунке 1 показана полная сборка для удержания преобразователя с пользовательским держательм преобразователя, используемым с системой пассивной доставки жидкости, разработанной для непрерывной атомизации. Шаги характеристики для этих устройств включают определение резонансной частоты и гармоник с помощью анализатора impedance(рисунок 2). Было установлено, что фундаментальная частота устройств близка к 7 МГц с использованием метода, описанного в этом протоколе, как это предсказано толщиной субстрата. Дальнейшая характеристика вибрации субстрата была выполнена с использованием бесконтактных лазерных измерений доплеровского виброметра. Эти измерения определяют величину смещения субстрата и, как правило, в диапазоне нм(рисунок 3). Непрерывная атомизация имеет важное значение для практического применения устройств режима толщины, и это было продемонстрировано путем разработки пассивной системы доставки жидкости к субстрату. Наконец, были описаны два метода для наблюдения вибрации капель и динамики атомизации путем выполнения высокоскоростной визуализации и измерения распределения размера капель, как показано на рисунке 4 и на рисунке 5.
Рисунок 1: Вся сборка пользовательского держателя преобразователя. (A) Позиции держателя трансдусеров и сборки жидкости питания каждый контролируется с артикуляцией оружия так, что кончик фитиля только в контакте с краем преобразователя. Вставка (B) раскрывает природу электрического и механического контакта с трансдуковыми электродами. Вставка(C) раскрывает природу контакта между преобразовательной кромкой и жидким фитилем. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: Реальные значения параметроврассеянияs 11, измеренные в диапазоне 1–25 МГц для 127,86 -86 YX литий ниобата устройства, что указывает на наличие резонансного пика примерно на 7 МГц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3: Мульти-носитель, FFT сканирование с 5 средних в каждой точке было выполнено более 9 9 точек сканирования определяется в 0,6 на 0,6 мм области в диапазоне частот 5-25 МГц. Сообщаемое перемещение является максимальным перемещением, усредным по всем пунктам. Основной режим толщины толщиной 0,5 мм LN можно увидеть на уровне 7 МГц, а более слабая вторая гармоническая присутствует на 21 МГц. Много носителя сканирования распространения ввода напряжения, так что смещение здесь не является точной мерой производительности устройства. Для такого измерения рекомендуется выполнить одночастотное сканирование на резонансной частоте и с применением соответствующих напряжений. Например, этот режим толщины толщиной 10 мм x 5 мм производит амплитуду 5 нм макс при 45 Впл при приводе на 6,93 МГц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4: Начало капиллярных волн на 2 мл капли воды указывается 8000 кадров в секунду видео интерфейса жидкости; падение приводится в движение толщиной режим трансдука приводом на 6,9 МГц, показывая значительную разницу во времени между гидродинамической реакции и акустического возбуждения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5: Распределение размера капли, как правило, измеряется как доля объема по сравнению с диаметром капель, здесь сравнивая (A) коммерческий небулайзер и (B) устройство режима толщины LN, как с использованием воды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительный рисунок 1: Сравнение спектра анализа на неправомерности для одного и того же преобразователя с двумя различными формами электрического контакта (пого-плита, пого-пого и держатель преобразователя) показывает значительные различия в значениях параметров s11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Фильм 1: режим вибрации LDV 5 мм х 5 мм квадратный преобразователь. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть это видео. (Право нажмите, чтобы загрузить.)
Фильм 2: режимы вибрации LDV 3 мм х 10 мм преобразователь. Это близкие приближения к режимам толщины без наличия значительных боковых режимов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть это видео. (Право нажмите, чтобы загрузить.)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Размеры и соотношение аспектов преобразовательной части влияют на режимы вибрации, которые он производит. Поскольку боковые размеры конечны, всегда есть боковые режимы в дополнение к желаемым режимам толщины. Вышеупомянутые методы LDV могут быть использованы для определения доминирующих режимов в желаемом диапазоне частот для данного преобразовательа. Квадрат с размерами ниже 10 мм обычно дает близкое приближение к режиму толщины. Три на десять миллиметров прямоугольников также хорошо работают. Фильмы 1 и Movie 2 показывают LDV сканирование площади и 3 мм х 10 мм преобразователей, указывающих, что они близки к режиму толщины. Они были эмпирически определены, а не выбраны путем моделирования и проектирования, хотя такие методы могут быть использованы для поиска идеальных боковых измерений.
Метод электрического и механического контакта с преобразовательем также влияет на вибрации, которые он производит, так как это пограничные условия, к которым пьезоэлектрическая пластина подчинена. Мы включили impedance спектра для трех методов измерения: пого-пластины, пого-пого, и преобразователь держатель в качестве сравнения в Дополнительный рисунок 1. Очевидно, что пиковые точки резонанса не меняются в данном случае нашим выбором контакта. Мы отмечаем, что механический контакт между преобразовательем и поверхностью пластины гасит вибрации, делая атомизацию менее эффективной. Контакт Пого-плиты используется в случае измерений LDV, потому что это самый простой способ получить плоскую, стационарную поверхность, на которой фокусируют лазер.
Сборка жидкости, описанная здесь, опирается на капиллярное действие и гравитацию, чтобы пассивно пополнить преобразовавку тонкой пленкой воды, как это распылено прочь. Вибрация преобразователь производит эффект, который может быть достаточно, чтобы создать тонкую пленку и избежать наводнения, но в некоторых случаях гидрофильной обработки будет необходимо на поверхности преобразовательной поверхности. Если непрерывная атомизация не достигается, это наиболее вероятный путь к решению проблемы.
Измерения были выполнены с ультра-высокочастотным виброметром(Таблица материалов)здесь, но другие LDVs могут быть использованы. Электрический контакт может быть достигнут путем припоя провода к каждому лицу преобразователя, хотя припой может значительно изменить резонансные частоты и режимы преобразователя. Другой метод заключается в том, чтобы поместить преобразователь на металлической основе и использовать "pogo" весенний контакт зондов нажата в контакт на верхней стороне пьезоэлектрического трансдухотельного элемента, пока он сидит плашмя на сцене, полезно, когда большая площадь должна быть отсканирована. Точное измерение резонансных частот важно для эффективной работы преобразоваемого и максимизации пропускной способности энергии к механическому движению на этих частотах. Сканирование частоты с помощью LDV предоставляет эту информацию, но требует длительного времени, порядка десятков минут. Анализатор неуправленности может определить резонансные частоты гораздо быстрее, часто менее чем за минуту. Однако, в отличие от LDV, измерения на основе неотвратимости не дают информации о амплитуде вибрации на резонансных частотах, что имеет важное значение для определения атомизации жидкости от поверхности преобразовательницы.
Хотя вибрация субстрата происходит в режиме 10х100 МГц, динамика жидкостей в контакте с субстратом происходит в гораздо более медленном временном масштабе. Например, капиллярные волны на поверхности сессильного падения можно наблюдать на 8000 кадров в секунду, предполагая, что пространственное разрешение камеры может различать амплитуду волнового гребня и что частота волны интереса ниже 2000 Гц. Расположение камеры, описанное выше изображения передают свет и, таким образом, хорошо для наблюдения за контуром объектов, которые передают свет иначе, чем воздух. При недостаточном объеме отражения или флуоресцентного освещения может потребоваться. Время экспозиции для каждого кадра уменьшается по мере увеличения частоты кадров, поэтому интенсивность света должна быть увеличена соответствующим образом. Объектив должен быть выбран на основе шкалы длины исследуемого явления, но вышеуказанный протокол будет работать с любым общедоступным увеличением. В качестве примера, Рисунок 4 был получен с помощью выше высокоскоростного видео метода. Контраст интерфейса drop позволит сегментировать эти кадры в программное обеспечение (ImageJ и MATLAB), так что динамика интерфейса может отслеживаться с течением времени.
В капельном калибровке оборудование, используемое в этомпротоколе (Таблица материалов), лазерной оптики и рассеяния детекторы являются относительно стандартными, но программное обеспечение является собственностью и сложным. В дополнение к теории Ми, несколько событий рассеяния делают размер капли и расчеты перечисления гораздо сложнее. Теория Мия предполагает, что большинство фотонов рассеиваются только один раз, но когда капли плотно расположены, т.е. расстояние между каплями не намного больше, чем капли сами, и спрей сливы охватывает suefficiently большую площадь, то это предположение неудается 18. В качестве примера результатов устранения неполадок из этого инструмента рассмотрим рисунок 5. Обратите внимание, что пик диаметром 0,5 мм появляется в обоих дистрибутивах. Коммерческий небулайзер, как известно, производит монодисперсные капли около 10 мкм, так что больший пик, скорее всего, либо ложный результат из-за большого количества мульти-рассеяния событий или агломерации мелких капель в спрей. Это означает, что большой пик в распределении режима толщины также может быть ложным результатом. Это можно непосредственно проверить с помощью высокоскоростного видео: такие большие капли будут легко видны, но в этом случае они не наблюдаются.
Анализ размера частиц лазера также может быть затруднен, когда сигнал рассеяния становится слабым. Это, как правило, из-за низкой скорости атомизации или когда часть спрея не проходит через лазерный путь. Слабый вакуум может быть использован для рисования полного распыленного тумана через расширенный лазерный луч оборудования в тех случаях, когда он в противном случае избежать измерения. Для еще большего контроля условий распыления камера влажности может быть установлена вокруг пути лазерного луча, но это не требуется.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Авторы признательны Калифорнийскому университету и учреждению NANO3 в Калифорнийском университете в Сан-Диего за предоставление средств и средств в поддержку этой работы. Эта работа была выполнена частично в Сан-Диего Нанотехнологии инфраструктуры (SDNI) UCSD, член Национальной нанотехнологии скоординированной инфраструктуры, которая поддерживается Национальным научным фондом (Грант ECCS-1542148). Представленная здесь работа была щедро поддержана исследовательским грантом Фонда В.М. Кека. Авторы также благодарны за поддержку этой работы Управления военно-морских исследований (через Грант 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).
