एटमाइजेशन और एकोसॉफ्लुइडिक्स के लिए मोटाई मोड पीजोइलेक्ट्रिक उपकरणों का निर्माण और लक्षण वर्णन
Summary
लिथियम निओबेट पर प्लेट इलेक्ट्रोड के सीधे वर्तमान स्पटरिंग के माध्यम से पीजोइलेक्ट्रिक मोटाई मोड ट्रांसड्यूसर का निर्माण वर्णित है। इसके अतिरिक्त, एक ट्रांसड्यूसर धारक और द्रव आपूर्ति प्रणाली के साथ विश्वसनीय ऑपरेशन प्राप्त किया जाता है और लेजर बिखरने का उपयोग करके बाधा विश्लेषण, लेजर डॉप्लर विब्रोमेट्री, हाई-स्पीड इमेजिंग और बूंद आकार वितरण के माध्यम से लक्षण वर्णन किया जाता है।
Abstract
हम लिथियम निओबेट (एलएन) का उपयोग करके सरल मोटाई मोड पीजोइलेक्ट्रिक उपकरणों को बनाने की तकनीक पेश करते हैं। इस तरह के उपकरणों को तरल को अधिक कुशलता से, प्रति बिजली इनपुट प्रवाह दर के संदर्भ में, उन लोगों की तुलना में दिखाया गया है जो रेले तरंगों और एलएन या लीड जिरकोनेट टाइटेनेट (पीजेडटी) में कंपन के अन्य तरीकों पर भरोसा करते हैं। पूरा डिवाइस एक ट्रांसड्यूसर, एक ट्रांसड्यूसर धारक और एक तरल पदार्थ की आपूर्ति प्रणाली से बना है। ध्वनिक तरल परमाणु की बुनियादी बातों को अच्छी तरह से ज्ञात नहीं किया जाता है, इसलिए उपकरणों की विशेषता और घटनाओं का अध्ययन करने की तकनीकों का भी वर्णन किया जाता है। लेजर डॉप्लर विब्रोमेट्री (एलडीवी) ध्वनिक ट्रांसड्यूसर की तुलना में आवश्यक कंपन जानकारी प्रदान करता है और, इस मामले में, इंगित करता है कि क्या एक डिवाइस मोटाई कंपन में अच्छा प्रदर्शन करेगा। इसका उपयोग डिवाइस की प्रतिध्वनि आवृत्ति को खोजने के लिए भी किया जा सकता है, हालांकि यह जानकारी बाधा विश्लेषण के माध्यम से अधिक तेज़ी से प्राप्त की जाती है। सतत द्रव परमाणु, एक उदाहरण आवेदन के रूप में, सावधान द्रव प्रवाह नियंत्रण की आवश्यकता है, और हम लेजर बिखरने के माध्यम से उच्च गति इमेजिंग और बूंद आकार वितरण माप के साथ ऐसी विधि पेश करते हैं।
Introduction
अल्ट्रासाउंड परमाणु लगभग एक सदी के लिए अध्ययन किया गया है और हालांकि वहां कई अनुप्रयोगों रहे हैं, वहां अंतर्निहित भौतिकी को समझने में सीमाएं हैं । इस घटना का पहला वर्णन 19271में लकड़ी और लूमिस द्वारा किया गया था और तब से एयरोसोलाइज्ड फार्मास्यूटिकल तरल पदार्थ2 से लेकर ईंधन इंजेक्शन3तक के अनुप्रयोगों के लिए क्षेत्र में विकास हुआ है । यद्यपि इन अनुप्रयोगों में घटना अच्छी तरह से काम करती है, अंतर्निहित भौतिकी4,,5, 6,को अच्छी तरह से समझ में नहींआतीहै।
अल्ट्रासोनिक परमाणुकरण के क्षेत्र में एक प्रमुख सीमा उपयोग की जाने वाली सामग्री का विकल्प है, लीड जिरकोनेट टाइटेनेट (पीजेडटी), एक उन्माद सामग्रीजो 7 को गर्म करने के लिए प्रवण है और अंतर-अनाज सीमाओं8,,9से उपलब्ध मौलिक सीसा के साथ सीसा संदूषण है। अनाज का आकार और अनाज की सीमाओं के यांत्रिक और इलेक्ट्रॉनिक गुण भी उस आवृत्ति को सीमित करते हैं जिस पर पीजेडटी10काम कर सकता है । इसके विपरीत, लिथियम निओबेट दोनों लीड-फ्री है और कोई हिस्टीरेसिस11प्रदर्शित नहीं करता है, और इसका उपयोग तरल पदार्थों को वाणिज्यिक परमाणु12की तुलना में अधिक कुशलता से परिमाण के क्रम में परमाणु करने के लिए किया जा सकता है। मोटाई मोड में ऑपरेशन के लिए इस्तेमाल लिथियम niobate के पारंपरिक कट ३६ डिग्री वाई-घुमाया कटौती है, लेकिन १२७.८६ डिग्री Y-घूर्णन, एक्स प्रचार कट (128YX), आम तौर पर सतह ध्वनिक तरंग पीढ़ी के लिए इस्तेमाल किया, ३६ डिग्री कट13 के साथ तुलना में एक उच्च सतह विस्थापन आयाम है दिखाया गया है जब resonance और कम नुकसान में संचालित । यह भी दिखाया गया है कि मोटाई मोड ऑपरेशन एलएन का उपयोग करते समय भी कंपन13के अन्य साधनों की ओर परमाणु दक्षता में परिमाण सुधार का क्रम प्रदान करता है।
मोटाई मोड में काम करने वाले पीजोइलेक्ट्रिक डिवाइस की प्रतिध्वनि आवृत्ति इसकी मोटाई टीद्वारा नियंत्रित होती है: तरंगदैर्ध्य λ = 2टी/nजहां n = 1, 2,…n एंटी नोड्स की संख्या है। एक 500 माइक्रोन मोटी सब्सट्रेट के लिए, यह मौलिक मोड के लिए 1 मिमी की तरंग दैर्ध्य से मेल खाती है, जिसका उपयोग मौलिक अनुनाद आवृत्ति की गणना करने के लिए किया जा सकता है, यदितरंग गति, वी,ज्ञात है तोλ। 128YX LN की मोटाई के माध्यम से ध्वनि की गति लगभग 7,000 मीटर/ कंपन के अन्य रूपों, विशेष रूप से सतह से बंधे मोड के विपरीत, उच्च-क्रम मोटाई मोड हार्मोनिक्स को बहुत अधिक आवृत्तियों तक उत्तेजित करना सीधा है, यहां 250 मेगाहर्ट्ज या उससे अधिक, हालांकि केवल विषम-गिने जाने वाले मोड समान इलेक्ट्रिक फील्ड्स14से उत्साहित हो सकते हैं। नतीजतन, 14 मेगाहर्ट्ज के पास दूसरा हार्मोनिक(n = 2) उत्साहित नहीं किया जा सकता है, लेकिन 21 मेगाहर्ट्ज(n = 3) पर तीसरा हार्मोनिक कर सकते हैं । कुशल मोटाई मोड उपकरणों के निर्माण के लिए ट्रांसड्यूसर के विरोध वाले चेहरों पर इलेक्ट्रोड जमा करने की आवश्यकता होती है। हम इसे पूरा करने के लिए प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) स्पंदन का उपयोग करते हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉन-बीम जमाव और अन्य तरीकों का उपयोग किया जा सकता है। बाधा विश्लेषण उपकरणों की विशेषता के लिए उपयोगी है, विशेष रूप से इन आवृत्तियों पर अनुनाद आवृत्तियों और विद्युत युग्मन खोजने में। लेजर डॉप्लर वाइब्रोमेट्री (एलडीवी) संपर्क या अंशांकन15के बिना आउटपुट कंपन आयाम और वेग निर्धारित करने के लिए उपयोगी है, और, स्कैनिंग के माध्यम से, एलडीवी सतह विरूपण का स्थानिक वितरण प्रदान करता है, जो किसी दिए गए आवृत्ति से जुड़े कंपन के मोड का खुलासा करता है। अंत में, परमाणु और द्रव गतिशीलता का अध्ययन करने के प्रयोजनों के लिए, उच्च गति इमेजिंग एक sessile ड्रॉप16, 17,की सतह पर केशिका तरंगों के विकास का अध्ययन करने के लिए एक तकनीक के रूप मेंनियोजितकिया जा सकता है । परमाणुकरण में, कई अन्य एसीस्टोफ्लुइडिक घटनाओं की तरह, छोटे बूंदों का उत्पादन तेजी से दर पर किया जाता है, किसी दिए गए स्थान में 1 किलोहर्ट्ज से अधिक, उच्च गति वाले कैमरों के लिए पर्याप्त निष्ठा और दृष्टिकोण के क्षेत्र के साथ निरीक्षण करने के लिए पर्याप्त रूप से बड़ी बूंद नमूना आकार पर उपयोगी जानकारी प्रदान करने के लिए बहुत जल्दी। लेजर बिखरने का उपयोग इस उद्देश्य के लिए किया जा सकता है, एक विस्तारित लेजर बीम के माध्यम से बूंदों को पास करना (एमआईई) प्रतिबिंब और अपवर्तन में कुछ प्रकाश को तितर-बितर करता है ताकि एक विशिष्ट संकेत का उत्पादन किया जा सके जिसका उपयोग बूंद आकार वितरण का सांख्यिकीय अनुमान लगाने के लिए किया जा सकता है।
यह पीजोइलेक्ट्रिक मोटाई मोड ट्रांसड्यूसर बनाने के लिए सीधा है, लेकिन डिवाइस और परमाणु चरित्र चित्रण में आवश्यक तकनीकों को साहित्य में आज तक स्पष्ट रूप से नहीं कहा गया है, जिससे अनुशासन में प्रगति बाधित होती है। एक मोटाई मोड ट्रांसड्यूसर के लिए एक परमाणु उपकरण में प्रभावी होने के लिए, इसे यांत्रिक रूप से अलग किया जाना चाहिए ताकि इसका कंपन नम न हो और इसमें परमाणु दर के बराबर प्रवाह दर के साथ निरंतर तरल पदार्थ की आपूर्ति होनी चाहिए ताकि न तो आनंद और न ही बाढ़ हो। इन दो व्यावहारिक विचारों को साहित्य में अच्छी तरह से शामिल नहीं किया गया है क्योंकि उनके समाधान शुद्ध वैज्ञानिक नवीनता के बजाय इंजीनियरिंग तकनीकों का परिणाम हैं, लेकिन वे फिर भी घटना का अध्ययन करने के लिए महत्वपूर्ण हैं । हम समाधान के रूप में एक ट्रांसड्यूसर धारक असेंबली और एक तरल बाती प्रणाली पेश करते हैं। यह प्रोटोकॉल मौलिक भौतिकी और असंख्य अनुप्रयोगों में आगे अनुसंधान को सुविधाजनक बनाने के लिए परमाणु निर्माण और लक्षण वर्णन के लिए एक व्यवस्थित दृष्टिकोण प्रदान करता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
ट्रांसड्यूसर के आयाम और आस्पेक्ट रेशियो इसके उत्पादन के कंपन मोड को प्रभावित करता है। क्योंकि पार्श्व आयाम सीमित हैं, वांछित मोटाई मोड के अलावा हमेशा पार्श्व मोड होते हैं। उपरोक्त एलडीवी विधियों का ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय और इस काम के समर्थन में धन और सुविधाओं के प्रावधान के लिए यूसी सैन डिएगो में NANO3 सुविधा के लिए आभारी हैं । यह काम यूसीएसडी के सैन डिएगो नैनोटेक्नोलॉजी इंफ्रास्ट्रक्चर (एसडीएनआई) में किया गया था, जो राष्ट्रीय नैनो टेक्नोलॉजी समन्वित बुनियादी ढांचे के सदस्य हैं, जिसे राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (ग्रांट ईसीसीएस−1542148) द्वारा समर्थित किया जाता है। यहां प्रस्तुत काम उदारता से डब्ल्यूएम Keck फाउंडेशन से एक अनुसंधान अनुदान द्वारा समर्थित था । लेखक भी नौसेना अनुसंधान के कार्यालय (अनुदान के माध्यम से १२३६८०९८) द्वारा इस काम के समर्थन के लिए आभारी हैं ।
Materials
| Amplifier | Amplifier Research, Souderton, PA, USA | 5U1000 | |
| Articulating arm | Fisso, Zurich, Switzerland | ||
| CF4 Objective | Edmund Optics, Barrington, NJ, USA | Objective used for high speed imaging | |
| Dicing saw | Disco, Tokyo, Japan | Disco Automatic Dicing Saw 3220 | |
| Fiber Fragrance Diffuser Wick | Weihai Industry Co., Ltd., Weihai, Shandong, China | https://www.weihaisz.com/Fiber-Fragrance-Diffuser-Wick_p216.html | |
| High Speed Camera | Photron, San Diego, USA | Fastcam Mini | |
| Laser Doppler Vibrometer | Polytec, Waldbronn, Germany | UHF120 | Non-contact laser doppler vibrometer |
| Laser Scattering Droplet size measurement system | Malvern Panalytical, Malvern, UK | STP5315 | |
| Lithium niobate substrate | PMOptics,Burlington, MA, USA | PWLN-431232 | 4” double-side polished 0.5 mm thick 128°Y-rotated cut lithium niobate |
| Luer-lock syringes | Becton Dickingson, New Jersey, USA | ||
| Nano3 cleanroom facility | UCSD, La Jolla, CA, USA | Fabrication process is performed in it. | |
| Network Analyzer | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | 5061B | |
| Oscilloscope | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | InfiniiVision 2000 X-Series | |
| PSV Acquistion Software | Polytec, Waldbronn, Germany | Version 9.4 | LDV Software |
| PSV Presentation Software | Polytec, Waldbronn, Germany | Version 9.4 | LDV Software |
| Signal generator | NF Corporation, Yokohama, Japan | WF1967 multifunction generator | |
| Single Post Connector | DigiKey, Thief River Falls, MN | ED1179-ND | |
| Sputter deposition | Denton Vacuum, NJ, USA | Denton 18 | Denton Discovery 18 Sputter System |
| Surface Mount Spring Contacts | DigiKey, Thief River Falls, MN | 70AAJ-2-M0GCT-ND | |
| Teflon wafer dipper | ShapeMaster, Ogden, IL, USA | SM4WD1 | Wafer Dipper 4" |
| XYZ Stage | Thor Labs, Newton, New Jersey, USA | MT3 | Optical table stages |
References
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