Fabrikasjon og karakterisering av tykkelse modus Piezoelektriske enheter for forstøvning og acoustofluidics
Summary
Fabrikasjon av piezoelektrisk tykkelse modus transdusere via direkte strøm sputtering av plate elektroder på litium niobate er beskrevet. I tillegg oppnås pålitelig drift med en transduserholder og væskeforsyningssystem og karakterisering er demonstrert via impedansanalyse, laser doppler vibrometry, høyhastighets bildebehandling og dråpestørrelsesfordeling ved hjelp av laserspredning.
Abstract
Vi presenterer en teknikk for å fremstille enkle tykkelse modus piezoelektriske enheter ved hjelp av litium niobate (LN). Slike enheter har vist seg å forstøve væske mer effektivt, når det gjelder strømningshastighet per strøminngang, enn de som er avhengige av Rayleigh-bølger og andre vibrasjonsformer i LN eller bly zirkonat titanat (PZT). Den komplette enheten består av en svinger, en svingerholder og et væskeforsyningssystem. Det grunnleggende ved akustisk flytende forstøvning er ikke godt kjent, så teknikker for å karakterisere enhetene og å studere fenomenene er også beskrevet. Laser Doppler vibrometry (LDV) gir vibrasjonsinformasjon som er viktig for å sammenligne akustiske transdusere, og i dette tilfellet indikerer om en enhet vil fungere godt i tykkelse vibrasjon. Den kan også brukes til å finne resonansfrekvensen til enheten, selv om denne informasjonen hentes raskere via impedansanalyse. Kontinuerlig væskeforstøvning, som et eksempel påføring, krever forsiktig væskestrømningskontroll, og vi presenterer en slik metode med høyhastighets avbildning og dråpestørrelsesfordelingsmålinger via laserspredning.
Introduction
Ultralyd forstøvning har blitt studert i nesten et århundre, og selv om det er mange applikasjoner, er det begrensninger i å forstå den underliggende fysikken. Den første beskrivelsen av fenomenet ble laget av Wood og Loomis i 19271, og siden da har det vært utviklingen i feltet for applikasjoner som spenner fra å levere aerosoliserte farmasøytiske væsker2 til drivstoffinnsprøytning3. Selv om fenomenet fungerer bra i disse programmene, er den underliggende fysikken ikke godt forstått4,5,6.
En viktig begrensning innen ultralyd forstøvning er valget av materiale som brukes, bly zirkonat titanate (PZT), et hysteretisk materiale utsatt for oppvarming7 og blyforurensning med elementær bly tilgjengelig fra inter-korn grenser8,9. Kornstørrelse og mekaniske og elektroniske egenskaper av korn grenser begrenser også frekvensen der PZT kan operere10. Derimot er litiumniobate både blyfri og viser ingen hysterese11, og kan brukes til å forstøve væsker en størrelsesorden mer effektivt enn kommersielle forstøvere12. Den tradisjonelle kutt av litium niobate som brukes til drift i tykkelse modus er 36-graders Y-rotert kutt, men 127.86-graders Y-rotert, X-forplantning kutt (128YX), vanligvis brukt for overflaten akustisk bølge generasjon, har vist seg å ha en høyere overflate forskyvning amplitude i forhold til 36-graders kutt13 når den drives i resonans og lavt tap. Det har også vist seg at tykkelse modus drift gir en størrelsesorden forbedring i forstøver effektivitet over andre vibrasjonsformer13,selv når du bruker LN.
Resonansfrekvensen til en piezoelektrisk enhet som opererer i tykkelsesmodus styres av tykkelsen t:bølgelengden λ = 2t/n der n = 1, 2,… er antall anti-noder. For et 500 μm tykt substrat tilsvarer dette en bølgelengde på 1 mm for den grunnleggende modusen, som deretter kan brukes til å beregne den grunnleggende resonansfrekvensen, f = v/λ hvis bølgehastigheten, v, er kjent. Lydens hastighet gjennom tykkelsen på 128YX LN er ca. 7000 m/s, og det f = 7 MHz. I motsetning til andre former for vibrasjon, spesielt overflatebundne moduser, er det enkelt å opphisse høyere rekkefølge tykkelse modus harmonics til mye høyere frekvenser, her til 250 MHz eller mer, selv om bare oddetallsmoduser kan være begeistret av ensartede elektriske felt14. Følgelig kan den andre harmoniske (n = 2) nær 14 MHz ikke være begeistret, men den tredje harmoniske på 21 MHz (n = 3) kan. Fabrikasjon av effektive tykkelse modus enheter krever deponering elektroder på motsatte ansikter av transduseren. Vi bruker direkte strøm (DC) sputtering for å oppnå dette, men elektronstråledeponering og andre metoder kan brukes. Impedansanalyse er nyttig for å karakterisere enhetene, spesielt når det gjelder å finne resonansfrekvenser og elektromekanisk kobling ved disse frekvensene. Laser Doppler vibrometry (LDV) er nyttig for å bestemme utgangvibrasjon amplitude og hastighet uten kontakt eller kalibrering15, og via skanning gir LDV romlig fordeling av overflatedeformasjon, som avslører vibrasjonsmodusen forbundet med en gitt frekvens. Til slutt, for å studere forstøvning og væskedynamikk, kan høyhastighetsavbildning brukes som en teknikk for å studere utviklingen av kapillære bølger på overflaten av en sessile dråpe16,17. I forstøvning, som mange andre akøtofluidiske fenomener, produseres små dråper med en rask hastighet, over 1 kHz på et gitt sted, for raskt for høyhastighetskameraer å observere med tilstrekkelig gjengivelse og synsfelt for å gi nyttig informasjon over en tilstrekkelig stor dråpeprøvestørrelse. Laserspredning kan brukes til dette formålet, og sender dråpene gjennom en utvidet laserstråle til (Mie) spre noe av lyset i refleksjon og brytning for å produsere et karakteristisk signal som kan brukes til statistisk å estimere dråpestørrelsesfordelingen.
Det er enkelt å fremstille piezoelektrisk tykkelse modus transdusere, men teknikkene som kreves i enheten og forstøvning karakterisering har ikke blitt tydelig angitt i litteraturen til dags dato, hemme fremgang i disiplinen. For at en tykkelsesmodus transduser skal være effektiv i en forstøvningsenhet, må den isoleres mekanisk slik at vibrasjonen ikke dempes, og den må ha en kontinuerlig væskeforsyning med en strømningshastighet lik forstøvningshastigheten, slik at verken uttørking eller flom oppstår. Disse to praktiske hensynene har ikke blitt grundig dekket i litteraturen fordi deres løsninger er et resultat av tekniske teknikker i stedet for ren vitenskapelig nyhet, men de er likevel kritiske til å studere fenomenet. Vi presenterer en transduserholdermontering og et flytende fuktesystem som løsninger. Denne protokollen gir en systematisk tilnærming til forstøverfabrikasjon og karakterisering for å legge til rette for videre forskning i grunnleggende fysikk og utallige applikasjoner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dimensjonene og sideforholdet til en svinger påvirker vibrasjonsmodusene den produserer. Fordi sidedimensjonene er begrensede, er det alltid laterale moduser i tillegg til de ønskede tykkelsesmodusene. Ovennevnte LDV-metoder kan brukes til å bestemme dominerende moduser i ønsket frekvensområde for en gitt transduser. En firkant med dimensjoner under 10 mm gir vanligvis en nær tilnærming til en tykkelsesmodus. Tre og ti millimeter rektangler fungerer også bra. Film 1 og Movie 2 vi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er takknemlige til University of California og NANO3 anlegget ved UC San Diego for levering av midler og fasiliteter til støtte for dette arbeidet. Dette arbeidet ble delvis utført ved San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) i UCSD, medlem av National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som støttes av National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). Arbeidet som ble presentert her ble sjenerøst støttet av et forskningsstipend fra W.M. Keck Foundation. Forfatterne er også takknemlige for støtten til dette arbeidet av 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).
