تصنيع وتوصيف من سماكة وضع الأجهزة الكهروضوئية للانحلال وAcoustofluidics
Summary
يتم وصف تصنيع محولات وضع سماكة الكهرزوئية عبر التخبط الحالي المباشر من أقطاب اللوحة على niobate الليثيوم. بالإضافة إلى ذلك، يتم تحقيق عملية موثوقة مع حامل محول ونظام إمدادات السوائل ويتم إثبات التوصيف عن طريق تحليل المعاوقة، الليزر دوبلر vibrometry، والتصوير عالي السرعة، وتوزيع حجم القطرات باستخدام تشتت الليزر.
Abstract
نحن نقدم تقنية لتصنيع وضع بسيط سماكة الأجهزة الكهرزوئية باستخدام نيوبتات الليثيوم (LN). وقد تبين أن هذه الأجهزة تتفتت السائل بكفاءة أكبر، من حيث معدل التدفق لكل مدخل طاقة، من تلك التي تعتمد على موجات رايلي وغيرها من وسائط الاهتزاز في LN أو تيتانات الزركونيت الرصاص (PZT). ويتكون الجهاز الكامل من محول، حامل محول، ونظام إمدادات السوائل. إن أساسيات انحلال السائل الصوتي ليست معروفة جيداً، لذلك يتم وصف تقنيات توصيف الأجهزة ودراسة الظواهر. يوفر قياس الزب الليفي الليزر (LDV) معلومات الاهتزاز الضرورية في مقارنة محولات الصوت ، وفي هذه الحالة ، يشير إلى ما إذا كان الجهاز سيؤدي بشكل جيد في الاهتزازات السماكة. ويمكن أيضا أن تستخدم للعثور على تردد الرنين من الجهاز، على الرغم من الحصول على هذه المعلومات بسرعة أكبر عن طريق تحليل المعاوقة. إن انحلال السوائل المستمر، كمثال على التطبيق، يتطلب تحكماً حذراً في تدفق السوائل، ونحن نقدم مثل هذه الطريقة مع التصوير عالي السرعة وقياسات توزيع الحجم القطرات عبر تشتت الليزر.
Introduction
وقد درست الانحلال الموجات فوق الصوتية لمدة قرن تقريبا وعلى الرغم من أن هناك العديد من التطبيقات، وهناك قيود في فهم الفيزياء الأساسية. وقد أدلى الوصف الأول لهذه الظاهرة من قبل وود ولوميس في عام 19271، ومنذ ذلك الحين كانت هناك تطورات في هذا المجال لتطبيقات تتراوح بين تسليم السوائل الصيدلانية الهباء الجوي2 إلى حقن الوقود3. على الرغم من أن هذه الظاهرة تعمل بشكل جيد في هذه التطبيقات ، فإن الفيزياء الأساسية ليست مفهومة بشكل جيد4و5و6.
وهناك قيد رئيسي في مجال الانحلال بالموجات فوق الصوتية هو اختيار المواد المستخدمة، الرصاص زيركونات تيتانات (PZT)، مادة الارهاق عرضة للتدفئة7 والتلوث الرصاص مع الرصاص عنصري المتاحة من الحدود بين الحبوب8،9. حجم الحبوب والخصائص الميكانيكية والإلكترونية لحدود الحبوب أيضا الحد من وتيرة التي PZT يمكن أن تعمل10. وعلى النقيض من ذلك، فإن niobate الليثيوم هو على حد سواء خالية من الرصاص والمعارض لا11الهستيرسيس ، ويمكن استخدامها لتفتيت السوائل ترتيب من حيث الحجم أكثر كفاءة من المرذاذات التجارية12. القطع التقليدي من niobate الليثيوم المستخدمة للتشغيل في وضع سمك هو 36 درجة Y استدارة قطع، ولكن 127.86 درجة Y الدورية، X نشر قطع (128YX)، وعادة ما تستخدم لتوليد موجة الصوتية السطحية، وقد ثبت أن لديها ارتفاع سعة النزوح السطحي بالمقارنة مع 36 درجة قطع13 عندما تعمل في الرنين وانخفاض الخسارة. وقد ثبت أيضا أن عملية وضع سمك يوفر ترتيبا لتحسين حجم في كفاءة رذاذ أكثر من وسائط أخرى من الاهتزاز13، حتى عند استخدام LN.
وتحكم التردد الرنين من جهاز كهرضغطي تعمل في وضع سمك من قبلث سمك : الطول الموجي λ = 2ر/ن حيث ن = 1، 2,… هو عدد العقد المضادة. بالنسبة لركيزة سميكة 500 ميكرومتر، وهذا يتوافق مع الطول الموجي من 1 ملم للأسلوب الأساسي، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لحساب تردد الرنين الأساسي، f = v/λ إذا كانت سرعة الموجة، v، معروفة. سرعة الصوت من خلال سمك 128YX LN هو حوالي 7000 م / ث ، وذلك و = 7 ميغاهيرتز. خلافا لغيرها من أشكال الاهتزاز، وخاصة وضع سطح ملزمة، فمن مباشرة لإثارة أعلى ترتيب سماكة النمط التوافقيات إلى ترددات أعلى من ذلك بكثير، هنا إلى 250 ميغاهيرتز أو أكثر، على الرغم من أن وسائط الأرقام الفردية فقط قد تكون متحمسة من قبل الحقول الكهربائيةموحدة 14. وبالتالي، لا يمكن أن يكون التوافقي الثاني(ن = 2) بالقرب من MHz 14 متحمس، ولكن التوافقي الثالث في 21 ميغاهيرتز(ن = 3) يمكن. تصنيع أجهزة وضع سمك كفاءة يتطلب إيداع الأقطاب الكهربائية على وجوه معارضة من محول. نحن نستخدم التيار المباشر (DC) التخبط لإنجاز ذلك، ولكن يمكن استخدام ترسب شعاع الإلكترون وغيرها من الأساليب. تحليل المعاوقة مفيد لتوصيف الأجهزة، خاصة في العثور على ترددات الرنين والاقتران الكهروميكانيكية عند هذه الترددات. الليزر دوبلر vibrometry (LDV) مفيد لتحديد سعة الاهتزاز الناتج والسرعة دون الاتصال أو المعايرة15، وعن طريق المسح الضوئي ، وLDV يوفر التوزيع المكاني للتشوه السطحي ، والكشف عن وضع الاهتزاز المرتبطة تردد معين. وأخيرا ، لأغراض دراسة الانحلال وديناميات السوائل ، والتصوير عالي السرعة يمكن استخدامها كتقنية لدراسة تطور موجات شعرية على سطح قطرة sessile16،17. في الانحلال، مثل العديد من الظواهر acoustofluidic أخرى، يتم إنتاج قطرات صغيرة بمعدل سريع، أكثر من 1 كيلو هرتز في موقع معين، بسرعة كبيرة جدا للكاميرات عالية السرعة لمراقبة مع الإخلاص كافية ومجال الرؤية لتوفير معلومات مفيدة على حجم عينة قطرة كبيرة بما فيه الكفاية. يمكن استخدام تشتت الليزر لهذا الغرض، وتمرير القطرات من خلال شعاع ليزر موسع إلى (مي) مبعثر بعض الضوء في الانعكاس والانكسار لإنتاج إشارة مميزة التي يمكن استخدامها لتقدير إحصائيا توزيع حجم القطرات.
فمن مباشرة لاختلاق محولات سماكة وضع الكهرزوئية، ولكن التقنيات المطلوبة في الجهاز وتوصيف الانحلال لم يتم ذكرها بوضوح في الأدب حتى الآن، مما يعوق التقدم في الانضباط. لكي يكون محول وضع السمك فعالاً في جهاز الانحلال، يجب أن يكون معزولاً ميكانيكياً بحيث لا يتم تخميد الاهتزاز ويجب أن يكون لديه إمدادات السوائل المستمرة مع معدل تدفق يساوي معدل الانحلال بحيث لا يحدث جفاف ولا فيضان. هذان الاعتباران العمليان لم يتم تغطيتهما بشكل شامل في الأدبيات لأن حلولهما هي نتيجة تقنيات هندسية وليست حداثة علمية بحتة، لكنهما مع ذلك حاسمان لدراسة الظاهرة. نقدم تجميع حامل محول ونظام فتل سائل كحلول. يقدم هذا البروتوكول نهجاً منهجياً لتصنيع الرذاذ وتوصيف لتسهيل إجراء المزيد من البحوث في الفيزياء الأساسية والتطبيقات التي لا تعد ولا تحصى.
Protocol
Representative Results
Discussion
تؤثر أبعاد المحول ونسبة الارتفاع في وسائط الاهتزاز التي ينتجها. لأن الأبعاد الجانبي محدودة، هناك دائماً وسائط جانبية بالإضافة إلى وسائط سمك المطلوب. ويمكن استخدام أساليب LDV أعلاه لتحديد الأوضاع السائدة في نطاق التردد المطلوب لمحول معين. مربع مع أبعاد أقل من 10 مم عادة يعطي تقريب قريبة إلى ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويعرب المؤلفون عن امتنانهم لجامعة كاليفورنيا ومرفق NANO3 في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو لتوفير الأموال والتسهيلات لدعم هذا العمل. وقد تم تنفيذ هذا العمل جزئيا في البنية التحتية لتكنولوجيا النانو في سان دييغو (SDNI) UCSD، وهو عضو في البنية التحتية الوطنية لتنسيق تكنولوجيا النانو، والتي تدعمها المؤسسة الوطنية للعلوم (Grant ECCS-1542148). وقد تم دعم العمل المقدم هنا بسخاء من خلال منحة بحثية من مؤسسة W.M. Keck. كما يعرب المؤلفان عن امتنانهما لدعم هذا العمل من قبل مكتب البحوث البحرية (عبر المنحة 12368098).
Materials
| Amplifier | Amplifier Research, Souderton, PA, USA | 5U1000 | |
| Articulating arm | Fisso, Zurich, Switzerland | ||
| CF4 Objective | Edmund Optics, Barrington, NJ, USA | Objective used for high speed imaging | |
| Dicing saw | Disco, Tokyo, Japan | Disco Automatic Dicing Saw 3220 | |
| Fiber Fragrance Diffuser Wick | Weihai Industry Co., Ltd., Weihai, Shandong, China | https://www.weihaisz.com/Fiber-Fragrance-Diffuser-Wick_p216.html | |
| High Speed Camera | Photron, San Diego, USA | Fastcam Mini | |
| Laser Doppler Vibrometer | Polytec, Waldbronn, Germany | UHF120 | Non-contact laser doppler vibrometer |
| Laser Scattering Droplet size measurement system | Malvern Panalytical, Malvern, UK | STP5315 | |
| Lithium niobate substrate | PMOptics,Burlington, MA, USA | PWLN-431232 | 4” double-side polished 0.5 mm thick 128°Y-rotated cut lithium niobate |
| Luer-lock syringes | Becton Dickingson, New Jersey, USA | ||
| Nano3 cleanroom facility | UCSD, La Jolla, CA, USA | Fabrication process is performed in it. | |
| Network Analyzer | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | 5061B | |
| Oscilloscope | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | InfiniiVision 2000 X-Series | |
| PSV Acquistion Software | Polytec, Waldbronn, Germany | Version 9.4 | LDV Software |
| PSV Presentation Software | Polytec, Waldbronn, Germany | Version 9.4 | LDV Software |
| Signal generator | NF Corporation, Yokohama, Japan | WF1967 multifunction generator | |
| Single Post Connector | DigiKey, Thief River Falls, MN | ED1179-ND | |
| Sputter deposition | Denton Vacuum, NJ, USA | Denton 18 | Denton Discovery 18 Sputter System |
| Surface Mount Spring Contacts | DigiKey, Thief River Falls, MN | 70AAJ-2-M0GCT-ND | |
| Teflon wafer dipper | ShapeMaster, Ogden, IL, USA | SM4WD1 | Wafer Dipper 4" |
| XYZ Stage | Thor Labs, Newton, New Jersey, USA | MT3 | Optical table stages |
References
- 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. The vibration of piezoelectric plates. Physical Review. 62 (1-2), 71 (1942).
- 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., Gouesbet, G., Gréhan, G. Modeling of multiple scattering effects in Fraunhofer diffraction particle size analysis. Optical Particle Sizing. , 159-175 (1988).
