Fabbricazione e caratterizzazione dei dispositivi piezoelettrici della modalità Thickness per atomizzazione e acoustofluidica
Summary
Viene descritta la fabbricazione di trasduttori in modalità spessore piezoelettrico tramite sputtering a corrente diretta di elettrodi a piastre su niobate al litio. Inoltre, un funzionamento affidabile è ottenuto con un supporto trasduttore e un sistema di alimentazione dei fluidi e la caratterizzazione è dimostrato tramite l’analisi dell’impedimento, la vibrometria del doppler laser, l’imaging ad alta velocità e la distribuzione delle dimensioni delle goccioline utilizzando la dispersione laser.
Abstract
Vi presentiamo una tecnica per fabbricare dispositivi piezoelettrici in modalità spessore semplice utilizzando il litio niobate (LN). Tali dispositivi hanno dimostrato di atomizzare il liquido in modo più efficiente, in termini di portata per ingresso di potenza, rispetto a quelli che si basano sulle onde di Rayleigh e altre modalità di vibrazione in LN o piombo zirconato titanate (P-T). Il dispositivo completo è composto da un trasduttore, un supportoere e un sistema di alimentazione dei fluidi. I fondamenti dell’atomizzazione acustica dei liquidi non sono ben noti, quindi vengono descritte anche le tecniche per caratterizzare i dispositivi e studiare i fenomeni. La vibrometria laser Doppler (LDV) fornisce informazioni sulle vibrazioni essenziali per confrontare i trasduttori acustici e, in questo caso, indica se un dispositivo funzionerà bene nelle vibrazioni dello spessore. Può anche essere utilizzato per trovare la frequenza di risonanza del dispositivo, anche se queste informazioni si ottengono più rapidamente tramite l’analisi impedibile. L’atomizzazione fluida continua, come esempio di applicazione, richiede un attento controllo del flusso fluido, e presentiamo un tale metodo con misurazioni di imaging ad alta velocità e distribuzione delle dimensioni delle goccioline tramite la dispersione laser.
Introduction
L’atomizzazione ad ultrasuoni è stata studiata per quasi un secolo e anche se ci sono molte applicazioni, ci sono limitazioni nella comprensione della fisica sottostante. La prima descrizione del fenomeno è stata fatta da Wood e Loomis nel 19271, e da allora ci sono stati sviluppi nel campo per applicazioni che vanno dalla fornitura di fluidi farmaceutici aerosolizzati2 all’iniezione di carburante3. Anche se il fenomeno funziona bene in queste applicazioni, la fisica sottostante non è ben compresa4,5,6.
Una limitazione fondamentale nel campo dell’atomizzazione ad ultrasuoni è la scelta del materiale utilizzato, piombo zirconaate titanate (P -T), un materiale isterico incline al riscaldamento7 e contaminazione del piombo con piombo elementare disponibile dai confini inter-grano8,9. La dimensione del grano e le proprietà meccaniche ed elettroniche dei confini dei grani limitano anche la frequenza con cui la P-T può operare10. Al contrario, il litio niobate è privo di piombo e non presenta isteresi11e può essere utilizzato per atomizzare i fluidi in modo più efficiente rispetto agli atomizzatori commerciali12. Il taglio tradizionale del niobate al litio utilizzato per il funzionamento in modalità spessore è il taglio ruotato a Y a 36 gradi, ma il taglio a 127,86 gradi lungo-Y ruotato, X-propagazione (128YX), tipicamente utilizzato per la generazione di onde acustiche superficiali, è stato dimostrato di avere un’ampiezza di spostamento della superficie più alta rispetto al taglio13 di 36 gradi quando azionato in risonanza e perdita bassa. È stato anche dimostrato che il funzionamento della modalità spessore offre un miglioramento dell’ordine di grandezza nell’efficienza dell’atomizzatore rispetto ad altre modalità divibrazione 13, anche quando si utilizza LN.
La frequenza di risonanza di un dispositivo piezoelettrico che opera in modalità spessore è regolata dal suo spessore t: la lunghezza d’onda è 2t/n dove n s 1, 2,… è il numero di anti-nodi. Per un substrato spesso 500 m, questo corrisponde a una lunghezza d’onda di 1 mm per la modalità fondamentale, che può vquindi essere utilizzata per calcolare la frequenza di risonanza fondamentale, f .λ La velocità del suono attraverso lo spessore di 128YX LN è di circa 7.000 m/s, e quindi f 7 MHz. A differenza di altre forme di vibrazione, in particolare le modalità legate alla superficie, è semplice eccitare le armoniche della modalità di spessore di ordine superiore a frequenze molto più alte, qui a 250 MHz o più, anche se solo le modalità dispari possono essere eccitate da campi elettrici uniformi14. Di conseguenza, la seconda armonica(n n – 2) vicino a 14 MHz non può essere eccitata, ma la terza armonica a 21 MHz(n – 3) può. La fabbricazione di dispositivi efficienti in modalità spessore richiede il deposito di elettrodi sulle facce opposte del trasduttore. Usiamo la corrente diretta (DC) sputtering per raggiungere questo obiettivo, ma la deposizione del fascio di elettroni e altri metodi potrebbero essere utilizzati. L’analisi impedibile è utile per caratterizzare i dispositivi, in particolare nel trovare le frequenze di risonanza e l’accoppiamento elettromeccanico a queste frequenze. La vibrometria di Doppler laser (LDV) è utile per determinare l’ampiezza e la velocità della vibrazione in uscita senza contatto o calibrazione15e, tramite scansione, l’LDV fornisce la distribuzione spaziale della deformazione superficiale, rivelando la modalità di vibrazione associata a una determinata frequenza. Infine, ai fini dello studio dell’atomizzazione e della fluidodinamica, l’imaging ad alta velocità può essere impiegato come tecnica per studiare lo sviluppo di onde capillari sulla superficie di una goccia sessile16,17. Nell’atomizzazione, come molti altri fenomeni acoustofluidici, piccole goccioline vengono prodotte ad una velocità rapida, oltre 1 kHz in una determinata posizione, troppo rapidamente per i videocamere ad alta velocità per osservare con sufficiente fedeltà e campo visivo per fornire informazioni utili su una dimensione del campione di goccioline sufficientemente grande. La dispersione laser può essere utilizzata a questo scopo, passando le goccioline attraverso un raggio laser espanso per (Mie) disperdere parte della luce in riflessione e rifrazione per produrre un segnale caratteristico che può essere utilizzato per stimare statisticamente la distribuzione delle dimensioni delle goccioline.
È semplice fabbricare trasduttori in modalità di spessore piezoelettrico, ma le tecniche richieste nella caratterizzazione dei dispositivi e dell’atomizzazione non sono state chiaramente indicate nella letteratura fino ad oggi, ostacolando i progressi nella disciplina. Affinché un trasduttore in modalità spessore sia efficace in un dispositivo di atomizzazione, deve essere isolato meccanicamente in modo che la sua vibrazione non sia smorzata e debba avere una fornitura di fluidi continua con una portata pari al tasso di atomizzazione in modo che non si verifichino né disidratazione né inondazioni. Queste due considerazioni pratiche non sono state trattate a fondo nella letteratura perché le loro soluzioni sono il risultato di tecniche ingegneristiche piuttosto che di pura novità scientifica, ma sono comunque fondamentali per studiare il fenomeno. Presentiamo un supporto per trasduttori e un sistema di stoppinità liquida come soluzioni. Questo protocollo offre un approccio sistematico alla fabbricazione e alla caratterizzazione degli atomizzatori per facilitare ulteriori ricerche nella fisica fondamentale e nella miriade di applicazioni.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le dimensioni e le proporzioni di un trasduttore influiscono sulle modalità di vibrazione che produce. Poiché le quote laterali sono finite, esistono sempre modalità laterali oltre alle modalità di spessore desiderate. I metodi LDV di cui sopra possono essere utilizzati per determinare le modalità dominanti nell’intervallo di frequenza desiderato per un determinato trasduttore. Un quadrato con dimensioni inferiori a 10 mm fornisce in genere una stretta approssimazione a una modalità di spessore. Anche i rettangoli …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori sono grati alla struttura dell’Università della California e alla struttura NANO3 dell’UNIVERSITÀ di San Diego per la fornitura di fondi e strutture a sostegno di questo lavoro. Questo lavoro è stato eseguito in parte presso la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) dell’UCSD, un membro della National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, che è supportata dalla National Science Foundation (Grant ECC-1542148). Il lavoro qui presentato è stato generosamente sostenuto da una sovvenzione di ricerca della W.M. Keck Foundation. Gli autori sono anche grati per il sostegno di questo lavoro da parte dell’Ufficio di Ricerca Navale (tramite 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).
