Atomizasyon ve Acoustofluidics için Kalınlık Modu Piezoelektrik Cihazların İmalatı ve Karakterizasyonu
Summary
Lityum niyobat üzerindeki plaka elektrotlarının doğru akım püskürtmesi ile piezoelektrik kalınlık modu transdüserlerinin imalatı anlatılmaktadır. Ayrıca transdüser tutucu ve sıvı besleme sistemi ile güvenilir bir çalışma sağlanır ve epitendans analizi, lazer doppler vibrometri, yüksek hızlı görüntüleme ve lazer saçılma kullanılarak damlacık boyutu dağılımı ile karakterizasyon gösterilmiştir.
Abstract
Biz lityum niyobat (LN) kullanarak basit kalınlık modu piezoelektrik cihazlar imal etmek için bir teknik saçın. Bu tür cihazların, güç girişi başına akış hızı açısından, LN’deki Rayleigh dalgalarına ve diğer titreşim modlarına (PZT) dayananlara göre sıvıyı daha verimli bir şekilde atomize ettiği gösterilmiştir. Komple cihaz bir dönüştürücü, bir dönüştürücü tutucu ve bir sıvı besleme sisteminden oluşur. Akustik sıvı atomizasyonunun temelleri iyi bilinmemektedir, bu nedenle cihazları karakterize etme ve fenomenleri inceleme teknikleri de açıklanmıştır. Lazer Doppler vibrometri (LDV) akustik transdüserlerin karşılaştırılmasında gerekli titreşim bilgilerini sağlar ve bu durumda, bir cihazın kalınlıkta titreşimde iyi performans gösterip göstermeyeceğini gösterir. Ayrıca cihazın rezonans frekansını bulmak için de kullanılabilir, ancak bu bilgiler empedans analizi ile daha hızlı elde edilir. Sürekli sıvı atomizasyonu, örnek bir uygulama olarak, dikkatli sıvı akış kontrolü gerektirir ve lazer saçılma yoluyla yüksek hızlı görüntüleme ve damlacık boyutu dağılımı ölçümleri ile böyle bir yöntem salıyoruz.
Introduction
Ultrason atomize neredeyse bir yüzyıl için çalışılmıştır ve birçok uygulama olmasına rağmen, altta yatan fizik anlamada sınırlamalar vardır. Fenomenin ilk açıklaması Wood ve Loomis tarafından 1927 yılında yapıldı1, ve o zamandan beri aerosolize farmasötik sıvılar teslim arasında değişen uygulamalar için alanında gelişmeler olmuştur2 yakıtenjeksiyonu 3. Fenomen bu uygulamalarda iyi çalışsa da, altta yatan fizik iyi anlaşılamamıştır4,5,6.
Ultrasonik atomizasyon alanında önemli bir sınırlama kullanılan malzeme seçimidir, kurşun zirkonate titanat (PZT), ısıtma yatkın bir histeri malzeme7 ve elementel kurşun ile kurşun kontaminasyon inter-tahıl sınırları mevcut8,9. Tane boyutu ve tane sınırlarının mekanik ve elektronik özellikleri dePZT’nin 10’uçalıştırabildiği frekansı sınırlar. Buna karşılık, lityum niyobat hem kurşunsuz ve hiçbir histeri sergiler11, ve sıvılar daha verimli ticari atomizers daha verimli bir sipariş atomize için kullanılabilir12. Kalınlık modunda çalışma için kullanılan lityum niyobat geleneksel kesim 36 derece Y-döndürülmüş kesim, ancak 127.86 derece Y-döndürülen, X-propagating kesim (128YX), genellikle yüzey akustik dalga üretimi için kullanılan, rezonans ve düşük çalıştırıldığında 36 derece lik kesim13 ile karşılaştırıldığında daha yüksek bir yüzey deplasman genliği olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, kalınlık modu çalışmasının, LN kullanırken bile diğer titreşim modları13’egöre atomizer verimliliğinde büyüklük artışı sağladığı gösterilmiştir.
Kalınlık modunda çalışan bir piezoelektrik cihazın rezonans frekansı kalınlığı ttarafından yönetilir : dalga boyu λ = 2t/n nerede n = 1, 2,… anti-düğüm lerin sayısıdır. 500 μm kalınlığında bir substrat için bu, temel mod için 1 mm’lik bir dalga boyuna karşılık gelir ve bu dalga hızı biliniyorsa, f = v/λ temel rezonans frekansını hesaplamak için kullanılabilir. v 128YX LN kalınlığındases hızı yaklaşık 7.000 m/s ve f = 7 MHz’dir. Titreşim diğer formları aksine, özellikle yüzeye bağlı modları, çok daha yüksek frekanslarda yüksek sıralı kalınlık modu harmonik heyecanlandırmak için basit, burada 250 MHz veya daha fazla, ancak sadece tek numaralı modları tek tip elektrik alanları tarafından heyecanlı olabilir14. Sonuç olarak, 14 MHz’e yakın ikinci harmonik(n = 2) heyecanlı olamaz, ancak 21 MHz’deki üçüncü harmonik(n = 3) olabilir. Verimli kalınlık modu cihazlarının imalatı, elektrotların transdüserin karşıt yüzlerine birikmesini gerektirir. Bunu başarmak için doğru akım (DC) püskürtme kullanırız, ancak elektron ışını birikimi ve diğer yöntemler kullanılabilir. Empedans analizi cihazları karakterize etmek için yararlıdır, özellikle bu frekanslarda rezonans frekansları ve elektromekanik bağlantı bulma. Lazer Doppler vibrometri (LDV) temas veya kalibrasyon olmadan çıkış titreşim genliği ve hızını belirlemek için yararlıdır15, ve, tarama yoluyla, LDV yüzey deformasyonmekansal dağılımını sağlar, belirli bir frekans ile ilişkili titreşim modunu ortaya. Son olarak, atomizasyon ve akışkanlar dinamiği çalışma amacıyla, yüksek hızlı görüntüleme bir sessile damla yüzeyinde kılcal dalgaların gelişimini incelemek için bir teknik olarak istihdam edilebilir16,17. Atomizasyonda, diğer birçok akozözakışkan fenomen gibi, küçük damlacıklar da hızlı bir oranda, belirli bir yerde 1 kHz’den fazla, yüksek hızlı kameraların yeterli doğruluk ve görüş alanı yla gözlemleyebilmek için yeterince hızlı bir şekilde üretilir. Lazer saçılma bu amaçla, genişletilmiş bir lazer ışını ile damlacıkları geçirerek (Mie) damlacık boyutu dağılımını istatistiksel olarak tahmin etmek için kullanılabilecek karakteristik bir sinyal üretmek için yansıma ve kırılma Bazı ışık dağılım.
Piezoelektrik kalınlık modu dönüştürücülerinin imalatı kolaydır, ancak cihaz ve atomizasyon karakterizasyonunda gerekli teknikler literatürde bugüne kadar açıkça belirtilmemiş olup, disiplindeki ilerlemeyi engellemektedir. Bir kalınlık modu transdüserinin bir atomizasyon cihazında etkili olabilmesi için, titreşiminin sönümlenmemesi için mekanik olarak izole edilmesi ve atomizasyon hızına eşit akış hızına sahip sürekli bir akışkan beslemesine sahip olması gerekir, böylece ne kurutma ne de su baskını meydana gelir. Bu iki pratik husus literatürde tam olarak ele alınmamıştır, çünkü çözümleri saf bilimsel yenilikten ziyade mühendislik tekniklerinin bir sonucudur, ancak yine de bu fenomenin incelenmesi için kritik öneme sahiptirler. Biz çözüm olarak bir transdüser tutucu montaj ve sıvı wicking sistemi sunuyoruz. Bu protokol, temel fizik ve sayısız uygulamalarda daha fazla araştırma yapılmasını kolaylaştırmak için atomizer üretim ve karakterizasyona sistematik bir yaklaşım sunmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bir transdüserin boyutları ve en boy oranı ürettiği titreşim modlarını etkiler. Yanal boyutlar sonlu olduğundan, istenilen kalınlık modlarına ek olarak her zaman yanal modlar vardır. Yukarıdaki LDV yöntemleri belirli bir transdüser için istenilen frekans aralığında baskın modları belirlemek için kullanılabilir. Boyutları 10 mm’nin altında olan bir kare genellikle kalınlık moduna yakın bir yaklaşım sağlar. Üç on milimetrelik dikdörtgenler de iyi çalışır. Film 1 ve <s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar California Üniversitesi ve UC San Diego nano3 tesisi için fon ve bu çalışmayı destekleyen tesislerin sağlanması için müteşekkir. Bu çalışma kısmen, Ulusal Bilim Vakfı (Grant ECCS−1542148) tarafından desteklenen Ulusal Nanoteknoloji Eşgüdümlü Altyapı üyesi UCSD’nin San Diego Nanoteknoloji Altyapısı’nda (SDNI) gerçekleştirilmiştir. Burada sunulan çalışma, W.M. Keck Vakfı’nın araştırma bursu ile cömertçe desteklenmiştir. Yazarlar da Deniz Araştırma Ofisi (Grant 12368098 ile) tarafından bu çalışmanın desteği için müteşekkir.
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).
