ייצור ואפיון של מכשירי פיזואלקטריים במצב עובי לאטוביזציה
Summary
ייצור של התמרה במצב עובי פיזואלקטריים באמצעות התזה הנוכחי ישיר של אלקטרודות צלחת על ליתיום niobate מתואר. בנוסף, הפעולה המהימנה מושגת עם בעל מתמר ומערכת אספקת נוזלים ואפיון מומחש באמצעות ניתוח עכבה, דופלר לייזר וויברמטריה, הדמיה במהירות גבוהה, ו-droplet גודל התפלגות באמצעות פיזור לייזר.
Abstract
אנו מציגים טכניקה כדי להמציא במצב פשוט עובי מכשירים פיזואלקטריים באמצעות ליתיום niobate (in). התקנים כאלה הוכחו נוזלי האטוציזציה ביעילות רבה יותר, במונחים של שיעור הזרימה לכל קלט כוח, מאשר אלה המסתמכים על גלי ריילי ומצבים אחרים של רטט ב-LN או להוביל בחומצה טיטנאט (PZT). המכשיר המלא מורכב מתמר, בעל מתמר, ומערכת אספקת נוזלים. היסודות של הידוד נוזלי אקוסטי אינם ידועים, ולכן טכניקות לאפיון המכשירים וללימוד התופעות מתוארות גם. דופלר לייזר ויברמטריה (LDV) מספק מידע רטט חיוני השוואת מתמרים אקוסטיים, במקרה זה, מציין אם המכשיר יבצע גם רטט עובי. זה יכול לשמש גם כדי למצוא את תדירות התהודה של המכשיר, אם כי מידע זה מתקבל במהירות רבה יותר באמצעות ניתוח עכבה. האטומיזציה של נוזלים רציפה, כיישום לדוגמה, דורשת בקרת זרימה זהירה, ואנו מציגים שיטה כזו עם הדמיה במהירות גבוהה והפצת מדידות בגודל droplet באמצעות פיזור לייזר.
Introduction
האטווניזציה אולטרסאונד כבר נחקרו כמעט מאה ולמרות שיש יישומים רבים, יש מגבלות להבנת הפיסיקה הבסיסית. התיאור הראשון של התופעה נעשתה על ידי ווד ולומיס ב 19271, ומאז היו התפתחויות בתחום עבור יישומים החל אספקת נוזלים aerosolized2 כדי הזרקת דלק3. למרות שהתופעה פועלת היטב ביישומים אלה, הפיסיקה הבסיסית אינה מובנת היטב4,5,6.
מגבלה מפתח בתחום של אולטראסאונד אטוזציה היא הבחירה של חומר בשימוש, להוביל זיקונוס החומצה (pzt), חומר היסטראטי נוטה חימום7 ולהוביל זיהום עם עופרת אלמנטלים הזמינים מגבולות בין-דגנים8,9. גודל הדגנים מאפיינים מכניים ואלקטרוניים של גבולות הדגן גם להגביל את התדירות שבה PZT יכול להפעיל10. לעומת זאת, ליתיום niobate היא ללא עופרת ומציג ללא היסטרזיס11, והוא יכול לשמש כדי להפוך את הנוזלים לסדר גודל ביעילות רבה יותר מאשר אחרים רססים מסחרי12. החתך המסורתי של ליתיום niobate המשמש לתפעול במצב עובי הוא מ36-מעלות Y לגזור מראש, אבל 127.86-מעלות Y מסובבת, X-הפצת לחתוך (128YX), בדרך כלל משמש הדור גל אקוסטי לפני השטח, הוכח שיש הזחה משטח גבוה יותר בהשוואהלגזור 36 -מעלות זה גם הוכח כי הפעולה מצב עובי מציע סדר של שיפור בגודל ביעילות atomizer ב על מצבים אחרים של רטט13, גם בעת שימוש ב-LN.
תדירות התהודה של מכשיר פיזואלקטריים הפעלה במצב עובי נשלטת על ידי עובי שלה t: את אורך הגל λ = 2t/n כאשר n = 1, 2,… הוא מספר הצמתים. עבור מצע עבה 500 יקרומטר, זה מתאים לאורך הגל של 1 מ”מ עבור מצב היסוד, אשר ניתן להשתמש בו כדי לחשב את תדירות התהודה הבסיסית, f = v/λ אם מהירות הגל, v, ידוע. מהירות הקול באמצעות עובי של 128YX LN היא כ 7,000, ולכן f = 7 MHz. בניגוד לצורות אחרות של רטט, במיוחד מצבים מאוגדים למשטח, זה פשוט לרגש גבוה יותר הרמוניה מצב עובי הרמוני לתדרים גבוהים בהרבה, כאן כדי 250 MHz או יותר, אם כי רק מצבים אי-זוגיים ממוספרים יכול להיות נרגש על ידי שדות חשמליים אחיד14. כתוצאה מכך, ההרמוניה השני (n = 2) ליד 14 mhz לא יכול להיות נרגש, אבל הרמוני השלישי ב 21 mhz (n = 3) יכול. ייצור של התקנים יעילים במצב עובי מחייב הפקדת אלקטרודות על פרצופים מנוגדים של מתמר. אנו משתמשים הזרם הנוכחי (DC) העומס כדי להשיג את זה, אבל העדות קרן אלקטרון ושיטות אחרות ניתן להשתמש. ניתוח עכבה שימושי כדי לאפיין את המכשירים, במיוחד במציאת תדרי התהודה וצימוד אלקטרו-מכאני בתדרים אלה. דופלר לייזר ויברמטריה (LDV) שימושי כדי לקבוע את משרעת רטט הפלט ומהירות ללא מגע או כיול15, ו, באמצעות סריקה, ldv מספק את ההתפלגות המרחבית של המשטח דפורמציה, חשיפת מצב של רטט הקשורים תדר נתון. בסופו של דבר, למטרות לימוד הדינמיקה האטומית ומתן, הדמיה במהירות גבוהה יכול להיות מועסק כטכניקה כדי ללמוד את ההתפתחות של גלי קפילר על פני השטח של שחרור sessile16,17. ב האטומיזציה, כמו תופעות רבות אחרות, טיפות קטנות מיוצרות בקצב מהיר, למעלה מ-kHz במיקום נתון, מהר מדי עבור מצלמות במהירות גבוהה כדי להתבונן בנאמנות מספקת ובשדה התצוגה כדי לספק מידע שימושי על פי גודל מספיק גדול של droplet. פיזור לייזר עשוי לשמש למטרה זו, העברת טיפות דרך קרן לייזר מורחבת (Mie) פיזור כמה אור בהשתקפות ושבירה כדי לייצר אות אופייני שעשוי לשמש להערכת סטטיסטית התפלגות גודל droplet.
זה פשוט להמציא פיזואלקטריים במצב עובי מדידה, אבל את הטכניקות הדרושות המכשיר ואפיון האטווניזציה לא הוכרז בבירור בספרות עד היום, התקדמות מתוך המשמעת. על מנת מתמר מצב עובי להיות יעיל במכשיר האטווניזציה, זה חייב להיות מבודד מכני, כך הרטט שלה הוא לא החומר הנוזלי והוא חייב להיות אספקת נוזלים רציפה עם קצב הזרימה שווה לקצב האטווניזציה, כך שאין התייבשות או הצפה להתרחש. שני שיקולים מעשיים אלה לא היו מכוסים ביסודיות בספרות משום שהפתרונות שלהם הם תוצאה של טכניקות הנדסיות ולא חדשנות מדעית טהורה, אך הם מאוד קריטיים לחקר התופעה. אנו מציגים מחזיק מתמר הרכבה ומערכת החירור נוזל כפתרונות. פרוטוקול זה מציע גישה שיטתית לייצור ואפיון ה, להקלה על מחקר נוסף בפיסיקה הבסיסית ובמגוון יישומים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הממדים ואת יחס הגובה של מתמר משפיע על מצבי רטט שהוא מייצר. בגלל הממדים לרוחב הם סופיים, יש תמיד מצבי לרוחב בנוסף מצבי עובי הרצוי. ניתן להשתמש בשיטות LDV לעיל כדי לקבוע מצבים דומיננטיים בטווח התדרים הרצוי עבור מתמר נתון. ריבוע עם ממדים מתחת 10 מ”מ בדרך כלל נותן קירוב קרוב למצב עובי. שלושה על ידי ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים אסירי תודה לאוניברסיטת קליפורניה ולמתקן NANO3 ב-UC בסן דייגו לאספקת כספים ומתקנים לתמיכה בעבודה זו. עבודה זו בוצעה בחלקו בתשתית הננו-טכנולוגיה של סן דיאגו (SDNI) של UCSD, חברה בתשתיות הלאומיות ננוטכנולוגיה מתואמת, אשר נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעים (גרנט ECCS ל1542148). העבודה המוצגת כאן נתמכת בנדיבות על ידי מלגת מחקר מקרן W.M. קק. המחברים גם אסירי תודה על התמיכה של העבודה הזאת על ידי משרד המחקר הימי (דרך גרנט 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).
