Изготовление и характеристика режима толщины Piezoelectric устройства для атомизации и acoustofluidics
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.
Protocol
Representative Results
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 доминирую…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
