원자화 및 부동 유체학을 위한 두께 모드 압전 장치의 제조 및 특성화
Summary
리튬 니오바테상 플레이트 전극의 직류 스퍼터링을 통한 압전 두께 모드 트랜스듀서의 제조가 설명된다. 또한, 트랜스듀서 홀더와 유체 공급 시스템으로 안정적인 작동을 달성하고 특성화는 임피던스 분석, 레이저 도플러 진동, 고속 이미징 및 레이저 산란을 이용한 액적 크기 분포를 통해 입증된다.
Abstract
우리는 리튬 니오바테 (LN)를 사용하여 간단한 두께 모드 압전 장치를 제조하는 기술을 제시한다. 이러한 장치는 LN 또는 납 지르코네이트 티타네이트(PZT)의 레일리 파도 및 기타 진동 모드에 의존하는 것보다 전력 입력당 유량 측면에서 액체를 보다 효율적으로 분화하는 것으로 나타났습니다. 전체 장치는 트랜스듀서, 트랜스듀서 홀더 및 유체 공급 시스템으로 구성됩니다. 음향 액체 분무의 기초는 잘 알려져 있지 않으므로 장치를 특성화하고 현상을 연구하는 기술도 설명되어 있습니다. 레이저 도플러 진동성(LDV)은 음향 변환기를 비교하는 데 필수적인 진동 정보를 제공하며, 이 경우 장치가 두께 진동에서 잘 수행될지 여부를 나타냅니다. 또한 이 정보는 임피던스 분석을 통해 더 빨리 얻어지지만 장치의 공명 빈도를 찾는 데 사용할 수도 있습니다. 연속 유체 분무는 예시 응용 프로그램으로서 신중한 유체 흐름 제어가 필요하며 레이저 산란을 통해 고속 이미징 및 액적 크기 분포 측정을 통해 이러한 방법을 제시합니다.
Introduction
초음파 분무는 거의 한 세기 동안 연구되어 왔으며 많은 응용 프로그램이 있지만 기본 물리학을 이해하는 데는 한계가 있습니다. 현상의 첫번째 설명은 1927년 나무와 루미스에 의해 만들어졌으며, 그 이후로 에어로졸화 제약 유체2를 공급하는 것에서 연료 분사3에이르는 다양한 응용 분야에 대한 개발이 있었습니다.1 이 현상은 이러한 응용 프로그램에서 잘 작동하지만, 기본 물리학은 잘 이해되지 않습니다4,,5,,6.
초음파 분무 분야의 주요 제한은 사용되는 물질의 선택, 리드 지르코네이트 티타네이트 (PZT), 가열하기 쉬운 히스테리 물질7 및 곡물 간 경계에서 사용할 수있는 원소 리드와 납 오염8,,9. 곡물 경계의 곡물 크기와 기계적 및 전자적 특성은 PZT가10을작동할 수 있는 주파수를 제한합니다. 대조적으로, 리튬 니오바테는 무연이며히스테리시스(11)를나타내지 않으며, 상업용분무기(12)보다유체의 수더를 보다 효율적으로 분화하는 데 사용할 수 있다. 두께 모드에서 동작에 사용되는 리튬 니오바테의 전통적인 컷은 36도 Y-회전 컷이지만, 일반적으로 표면 음향 파 생성에 사용되는 127.86도 Y-회전, X 전파 컷(128YX)은 36도컷13에 비해 표면 변위 진폭이 높은 것으로 나타났다. 또한 두께 모드 조작은 LN을 사용하는 경우에도 다른진동(13)모드에 비해 원자제 효율이 향상된 순서를 제공하는 것으로 나타났습니다.
두께 모드에서 작동하는 압전 장치의 공진 주파수는 두께 t에의해 제어됩니다 : 파장 λ = 2t/n 어디 n = 1, 2,… 노드 반대 노드의 수입니다. 500 μm 두께의 기판의 경우, 이는 기본 모드에 대해 1mm의 파장에 해당하며, 이는 파속도, v,알려져 있는 경우 근본적인 공명 주파수, f =v/λ를계산하는 데 사용될 수 있다.λ 128YX LN의 두께를 통한 소리의 속도는 약 7,000m/s이므로 f = 7MHz입니다. 다른 형태의 진동, 특히 표면 바운드 모드와는 달리, 250MHz 이상으로 고차 두께 모드 고조파를 자극하는 것은 간단하지만 홀수 모드만 균일한전기장(14)에의해 흥분될 수 있다. 따라서 14MHz 근처의 두 번째고조파(n= 2)는 흥분할 수 없지만 21MHz(n=3)에서 세 번째 고조파는 흥분할 수 없다.n 효율적인 두께 모드 장치의 제조는 트랜스듀서의 반대면에 전극을 증착해야 합니다. 우리는 이를 달성하기 위해 직접 전류(DC) 스퍼터링을 사용하지만 전자 빔 증착 및 기타 방법을 사용할 수 있습니다. 임피던스 분석은 특히 이러한 주파수에서 공명 주파수 및 전기 기계 결합을 찾는 데 있어 장치를 특성화하는 데 유용합니다. 레이저 도플러 진동(LDV)은 접촉또는 교정 없이 출력 진동 진폭 및 속도를 결정하는15데 유용하며, 스캐닝을 통해 LDV는 표면 변형의 공간 분포를 제공하여 주어진 주파수와 관련된 진동 모드를 드러냅니다. 마지막으로, 분무 및 유체 역학을 연구하기 위해, 고속 이미징은 세실 낙하16,,17의표면에 모세관파의 발달을 연구하는 기술로 사용될 수 있다. 원자화에서는 다른 많은 유동적 현상과 마찬가지로, 작은 물방울은 주어진 위치에서 1kHz 이상 빠른 속도로 생산되며, 고속 카메라가 충분한 충실도와 시야로 관찰할 수 없을 정도로 큰 액적 샘플 크기에 걸쳐 유용한 정보를 제공합니다. 레이저 산란은 이러한 목적을 위해 사용될 수 있으며, 확장된 레이저 빔을 통해 액적(Mie)을 반사 및 굴절로 일부 빛을 분산시켜 통계적으로 액적 크기 분포를 추정하는 데 사용될 수 있는 특징적인 신호를 생성할 수 있다.
압전 두께 모드 트랜스듀서를 제작하는 것은 간단하지만 장치 및 원자화 특성에 필요한 기술은 현재까지 문헌에 명확하게 명시되어 있지 않아 징계의 진행을 방해하고 있습니다. 두께 모드 트랜스듀서가 분무 장치에 효과적이기 위해서는 진동이 축축되지 않도록 기계적으로 분리되어야 하며 분무 속도와 동일한 유량으로 연속 유체 공급이 있어야 건조나 홍수가 발생하지 않도록 해야 합니다. 이 두 가지 실용적인 고려 사항은 그들의 해결책이 순수한 과학적 참신보다는 엔지니어링 기술의 결과이기 때문에 문학에서 철저히 다루지 않았지만 그럼에도 불구하고 현상을 연구하는 데 중요합니다. 트랜스듀서 홀더 조립과 액체 위킹 시스템을 솔루션으로 제시합니다. 이 프로토콜은 근본적인 물리학 및 무수한 응용 분야에서 추가 연구를 촉진하기 위한 원자제 제조 및 특성화에 대한 체계적인 접근 방식을 제공합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
트랜스듀서의 치수와 종횡비는 변환기가 생성하는 진동 모드에 영향을 줍니다. 측면 치수는 유한하기 때문에 원하는 두께 모드 외에 항상 측면 모드가 있습니다. 위의 LDV 메서드를 사용하여 지정된 트랜스듀서에 대해 원하는 주파수 범위에서 지배적인 모드를 결정할 수 있습니다. 치수가 10mm 미만인 사각형은 일반적으로 두께 모드에 가까운 근사치를 제공합니다. 3~10밀리미터 직사각형도 잘 작동…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 캘리포니아 대학과 UC 샌디에고의 NANO3 시설에 감사하여이 작업을 지원하는 기금과 시설을 제공했습니다. 이 작품은 국립 과학 재단 (그랜트 ECCS-1542148)에 의해 지원되는 국립 나노 기술 조정 인프라의 회원 UCSD의 샌디에고 나노 기술 인프라 (SDNI)에서 부분적으로 수행되었다. 여기에 제시 된 작품은 W.M. Keck 재단의 연구 보조금에 의해 관대하게 지원되었다. 저자는 또한 해군 연구 실 (그랜트 12368098을 통해)에 의해이 작품의 지원에 감사드립니다.
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
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