Fabricage en karakterisering van thicknessmodus Piëzo-elektrische apparaten voor verneveling en acoustofluidics
Summary
Fabricage van piëzo-elektrische dikte modus transducers via gelijkstroom sputteren van plaatelektroden op lithium niobate wordt beschreven. Bovendien wordt een betrouwbare werking bereikt met een transducerhouder en vloeistoftoevoersysteem en wordt karakterisering aangetoond via impedantieanalyse, laserdrolbaarheid, snelle beeldvorming en druppelgrootteverdeling met behulp van laserverstrooiing.
Abstract
We presenteren een techniek om eenvoudige dikte modus piëzo-elektrische apparaten te fabriceren met behulp van lithium niobate (LN). Dergelijke apparaten hebben aangetoond dat vloeistof efficiënter te vernevelen, in termen van stroomsnelheid per stroominvoer, dan die die vertrouwen op Rayleigh golven en andere vormen van trillingen in LN of lood zirconate titanaat (PZT). Het volledige apparaat bestaat uit een transducer, een transducerhouder en een vloeistoftoevoersysteem. De fundamenten van akoestische vloeibare verneveling zijn niet bekend, dus technieken om de apparaten te karakteriseren en de verschijnselen te bestuderen worden ook beschreven. Laser Doppler vibrometrie (LDV) biedt trillingsinformatie die essentieel is voor het vergelijken van akoestische transducers en geeft in dit geval aan of een apparaat goed zal presteren in diktetrillingen. Het kan ook worden gebruikt om de resonantiefrequentie van het apparaat te vinden, hoewel deze informatie sneller wordt verkregen via impedantieanalyse. Continue vloeistofverneveling, als voorbeeldtoepassing, vereist een zorgvuldige vloeistofstroomcontrole, en we presenteren een dergelijke methode met snelle beeldvorming en druppelgrootteverdelingsmetingen via laserverstrooiing.
Introduction
Echografie is bestudeerd voor bijna een eeuw en hoewel er vele toepassingen, zijn er beperkingen in het begrijpen van de onderliggende fysica. De eerste beschrijving van het fenomeen werd gemaakt door Wood en Loomis in 19271, en sindsdien zijn er ontwikkelingen op het gebied van toepassingen variërend van het leveren van aerosolized farmaceutische vloeistoffen2 tot brandstofinjectie3. Hoewel het fenomeen goed werkt in deze toepassingen, is de onderliggende fysica niet goed begrepen4,5,6.
Een belangrijke beperking op het gebied van ultrasone verneveling is de keuze van het gebruikte materiaal, loodzirconaat titanaat (PZT), een hysteretisch materiaal gevoelig voor verwarming7 en loodverontreiniging met elementair lood beschikbaar vanaf de internerfelijke grenzen8,9. Korrelgrootte en mechanische en elektronische eigenschappen van graangrenzen beperken ook de frequentie waarmee PZT10kan bedienen. Lithium niobate daarentegen is zowel loodvrij als vertoont geen hysterese11, en kan worden gebruikt om vloeistoffen een orde van grootte efficiënter te vernevelen dan commerciële verstuivers12. De traditionele snede van lithium niobate gebruikt voor de werking in de dikte modus is de 36-graden Y-geroteerde snede, maar de 127,86-graden Y-gedraaide, X-properende snede (128YX), meestal gebruikt voor oppervlakte akoestische golf generatie, is aangetoond dat een hogere oppervlakte verplaatsing amplitude in vergelijking met de 36-graden gesneden13 bij gebruik in resonantie en laag verlies. Het is ook aangetoond dat de werking van de diktemodus een orde van grootteverbetering in verstuiverefficiëntie ten opzichte van andere trillingsmodi13biedt, zelfs bij het gebruik van LN.
De resonantiefrequentie van een piëzo-elektrisch apparaat dat in de diktemodus werkt, wordt bepaald door de dikte t:de golflengte λ = 2t/nwaar n = 1, 2,…n is het aantal anti-knooppunten. Voor een 500 μm dik substraat komt dit overeen met een golflengte van 1 mm voor de fundamentele modus, die vervolgens kan worden gebruikt om de fundamentele resonantiefrequentie te berekenen, f = v/λ als de golfsnelheid, v, bekend is. De snelheid van het geluid door de dikte van 128YX LN is ongeveer 7.000 m/s, en dus f = 7 MHz. In tegenstelling tot andere vormen van trillingen, met name oppervlaktegebonden modi, is het eenvoudig om hogere-orde dikte modus harmonischen prikkelen om veel hogere frequenties, hier tot 250 MHz of meer, hoewel alleen de oneven-genummerde modi kunnen worden opgewekt door uniforme elektrische velden14. Bijgevolg kan de tweede harmonische(n = 2) in de buurt van 14 MHz niet worden opgewekt, maar de derde harmonische op 21 MHz(n = 3) wel. Fabricage van efficiënte dikte modus apparaten vereist het deponeren van elektroden op tegengestelde gezichten van de transducer. We gebruiken gelijkstroom (DC) sputteren om dit te bereiken, maar elektronen-beam depositie en andere methoden kunnen worden gebruikt. Impedantieanalyse is nuttig om de apparaten te karakteriseren, met name bij het vinden van de resonantiefrequenties en elektromechanische koppeling op deze frequenties. Laser Doppler vibrometrie (LDV) is nuttig om de output trillingsamplitude en snelheid te bepalen zonder contact of kalibratie15, en via scannen, de LDV biedt de ruimtelijke verdeling van de oppervlakte vervorming, het onthullen van de wijze van trillingen in verband met een bepaalde frequentie. Ten slotte kan voor het bestuderen van verneveling en vloeistofdynamica high-speed imaging worden gebruikt als een techniek om de ontwikkeling van capillaire golven op het oppervlak van een sessile druppel16,17te bestuderen . Bij verneveling worden, net als veel andere acoustofluidische verschijnselen, kleine druppeltjes geproduceerd in een snel tempo, meer dan 1 kHz op een bepaalde locatie, te snel voor hogesnelheidscamera’s om met voldoende getrouwheid en gezichtsveld te observeren om nuttige informatie te verstrekken over een voldoende grote druppelmonstergrootte. Laserverstrooiing kan worden gebruikt voor dit doel, het passeren van de druppels door middel van een uitgebreide laserstraal (Mie) verstrooien een deel van het licht in reflectie en breking om een karakteristiek signaal dat kan worden gebruikt om statistisch te schatten van de druppelgrootte verdeling te produceren.
Het is eenvoudig om piëzo-elektrische dikte modus transducers te fabriceren, maar de technieken die nodig zijn in apparaat en verneveling karakterisering zijn niet duidelijk vermeld in de literatuur tot nu toe, belemmeren de vooruitgang in de discipline. Om een reductie-in-diktemodus effectief te laten zijn in een vernevelingsapparaat, moet deze mechanisch worden geïsoleerd, zodat de trilling niet wordt gedempt en moet het een continue vloeistoftoevoer hebben met een stroomsnelheid die gelijk is aan de vernevelingssnelheid, zodat er geen uitdroging of overstromingen optreden. Deze twee praktische overwegingen zijn niet grondig behandeld in de literatuur, omdat hun oplossingen zijn het resultaat van technische technieken in plaats van pure wetenschappelijke nieuwigheid, maar ze zijn niettemin van cruciaal belang voor het bestuderen van het fenomeen. We presenteren een transducer houder assemblage en een vloeibaar wicking systeem als oplossingen. Dit protocol biedt een systematische benadering van verstuiverfabricage en karakterisering voor het vergemakkelijken van verder onderzoek in fundamentele fysica en talloze toepassingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De afmetingen en beeldverhouding van een transducer zijn van invloed op de trillingsmodi die het produceert. Omdat de laterale afmetingen eindig zijn, zijn er altijd laterale modi naast de gewenste diktemodi. De bovenstaande LDV-methoden kunnen worden gebruikt om dominante modi in het gewenste frequentiebereik voor een bepaalde transducer te bepalen. Een vierkant met afmetingen van minder dan 10 mm geeft doorgaans een nauwe benadering van een diktemodus. Drie bij tien millimeter rechthoeken werken ook goed. Film …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs zijn dankbaar voor de Universiteit van Californië en de NANO3 faciliteit aan de UC San Diego voor de levering van fondsen en faciliteiten ter ondersteuning van dit werk. Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd bij de San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) van UCSD, een lid van de National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die wordt ondersteund door de National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). Het hier gepresenteerde werk werd royaal ondersteund door een onderzoekssubsidie van de W.M. Keck Foundation. De auteurs zijn ook dankbaar voor de steun van dit werk door het Office of Naval Research (via Grant 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).
