Name: fabrication and characterization of thickness mode piezoelectric devices for atomization and acoustofluidics
Uploaded: 2020-08-05T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication and Characterization of Thickness Mode Piezoelectric Devices for Atomization and Acoustofluidics at JoVE.com

De auteurs zijn dankbaar voor de Universiteit van Californië en de NANO3 faciliteit aan de UC San Diego voor de levering van fondsen en faciliteiten ter ondersteuning van dit werk. Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd bij de San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) van UCSD, een lid van de National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die wordt ondersteund door de National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). Het hier gepresenteerde werk werd royaal ondersteund door een onderzoekssubsidie van de W.M. Keck Foundation. De auteurs zijn ook dankbaar voor de steun van dit werk door het Office of Naval Research (via Grant 12368098).

1. Thickness mode transducer fabricage via DC sputteren
<ol><li>Wafer voorbereiding<ol>
<li>Plaats een 100 mm 128YX LN wafer in een schone glazen schaal met een diameter van ten minste 125 mm. Soniceer de wafer in minstens 200 mL aceton gedurende 5 minuten.</li>
		<li>Herhaal sonicatie met isopropylalcohol en opnieuw met gedeïioniseerd water gedurende 5 minuten per stuk.</li>
		<li>Verwijder zichtbaar water van het oppervlak met behulp van droge stikstof.</li>
		<li>Verwijder het water volledig van het oppervlak door ...

<ol>
	<li>Wood, R. W., Loomis, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=XXXVIII.physical+and+biological+effects+of+high-frequency+sound-waves+of+great+intensity.">XXXVIII.physical and biological effects of high-frequency sound-waves of great intensity.</a> The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 4 (22), 417-436 (1927).</li><li>Dalmoro, A., Barba, A. A., Lambert, G., d'Amore, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intensifying+the+microencapsulation+process:+Ultrasonic+atomization+as+an+innovative+approach.">Intensifying the microencapsulation process: Ultrasonic atomization as an innovative approach.</a> European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 80 (3), 471-477 (2012).</li><li>Namiyama, K., Nakamura, H., Kokubo, K., Hosogai, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+ultrasonic+atomizer+and+its+application+to+S.I.+engines.">Development of ultrasonic atomizer and its application to S.I. engines.</a> SAE Transactions. , 701-711 (1989).</li><li>Qi, A., Yeo, L. Y., Friend, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interfacial+destabilization+and+atomization+driven+by+surface+acoustic+waves.">Interfacial destabilization and atomization driven by surface acoustic waves.</a> Physics of Fluids. 20 (7), 074103 (2008).</li><li>Wang, J., Hu, H., Ye, A., Chen, J., Zhang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+investigation+of+surface+acoustic+wave+atomization.">Experimental investigation of surface acoustic wave atomization.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 238, 1-7 (2016).</li><li>James, A., Vukasinovic, B., Smith, M. K., Glezer, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vibration-induced+drop+atomization+and+bursting.">Vibration-induced drop atomization and bursting.</a> Journal of Fluid Mechanics. 476, 1-28 (2003).</li><li>Randall, C. A., Kim, N., Kucera, J. P., Cao, W., Shrout, T. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intrinsic+and+extrinsic+size+effects+in+fine-grained+morphotropic-phase-boundary+lead+zirconate+titanate+ceramics.">Intrinsic and extrinsic size effects in fine-grained morphotropic-phase-boundary lead zirconate titanate ceramics.</a> Journal of the American Ceramic Society. 81 (3), 677-688 (1998).</li><li>Tsai, S. C., Lin, S. K., Mao, R. W., Tsai, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ejection+of+uniform+micrometer-sized+droplets+from+Faraday+waves+on+a+millimeter-sized+water+drop.">Ejection of uniform micrometer-sized droplets from Faraday waves on a millimeter-sized water drop.</a> Physical Review Letters. 108 (15), 154501 (2012).</li><li>Jeng, Y. R., Su, C. C., Feng, G. H., Peng, Y. Y., Chien, G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+PZT-driven+atomizer+based+on+a+vibrating+flexible+membrane+and+a+micro-machined+trumpet-shaped+nozzle+array.">A PZT-driven atomizer based on a vibrating flexible membrane and a micro-machined trumpet-shaped nozzle array.</a> Microsystem Technologies. 15 (6), 865-873 (2009).</li><li>Lupascu, D., R&#246;del, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fatigue+in+bulk+lead+zirconate+titanate+actuator+materials.">Fatigue in bulk lead zirconate titanate actuator materials.</a> Advanced Engineering Materials. 7 (10), 882-898 (2005).</li><li>Kawamata, A., Hosaka, H., Morita, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-hysteresis+and+perfect+linear+piezoelectric+performance+of+a+multilayered+lithium+niobate+actuator.">Non-hysteresis and perfect linear piezoelectric performance of a multilayered lithium niobate actuator.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 135 (2), 782-786 (2007).</li><li>Qi, A., Yeo, L., Friend, J., Ho, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Extraction+of+Liquid,+Protein+Molecules+and+Yeast+Cells+from+Paper+Through+Surface+Acoustic+Wave+Atomization.">The Extraction of Liquid, Protein Molecules and Yeast Cells from Paper Through Surface Acoustic Wave Atomization.</a> Lab on a Chip. 10 (4), 470-476 (2010).</li><li>Collignon, S., Manor, O., Friend, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+and+Predicting+Fluid+Atomization+via+Hysteresis-Free+Thickness+Vibration+of+Lithium+Niobate.">Improving and Predicting Fluid Atomization via Hysteresis-Free Thickness Vibration of Lithium Niobate.</a> Advanced Functional Materials. 28 (8), 1704359 (2018).</li><li>Lawson, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+vibration+of+piezoelectric+plates.">The vibration of piezoelectric plates.</a> Physical Review. 62 (1-2), 71 (1942).</li><li>Fukushima, Y., Nishizawa, O., Sato, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+performance+study+of+a+laser+doppler+vibrometer+for+measuring+waveforms+from+piezoelectric+transducers.">A performance study of a laser doppler vibrometer for measuring waveforms from piezoelectric transducers.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 56 (7), 1442-1450 (2009).</li><li>Thoroddsen, S., Etoh, T., Takehara, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+imaging+of+drops+and+bubbles.">High-speed imaging of drops and bubbles.</a> Annual Reviews in Fluid Mechanics. 40, 257-285 (2008).</li><li>Yule, A., Al-Suleimani, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+droplet+formation+from+capillary+waves+on+a+vibrating+surface.">On droplet formation from capillary waves on a vibrating surface.</a> Proceedings of the Royal Society of London Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 456 (1997), 1069-1085 (2000).</li><li>Hirleman, E. D., Gouesbet, G., Gr&#233;han, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+of+multiple+scattering+effects+in+Fraunhofer+diffraction+particle+size+analysis.">Modeling of multiple scattering effects in Fraunhofer diffraction particle size analysis.</a> Optical Particle Sizing. , 159-175 (1988).</li></ol>

De afmetingen en beeldverhouding van een transducer zijn van invloed op de trillingsmodi die het produceert. Omdat de laterale afmetingen eindig zijn, zijn er altijd laterale modi naast de gewenste diktemodi. De bovenstaande LDV-methoden kunnen worden gebruikt om dominante modi in het gewenste frequentiebereik voor een bepaalde transducer te bepalen. Een vierkant met afmetingen van minder dan 10 mm geeft doorgaans een nauwe benadering van een diktemodus. Drie bij tien millimeter rechthoeken werken ook goed. Film ...

Echografie is bestudeerd voor bijna een eeuw en hoewel er vele toepassingen, zijn er beperkingen in het begrijpen van de onderliggende fysica. De eerste beschrijving van het fenomeen werd gemaakt door Wood en Loomis in 19271, en sindsdien zijn er ontwikkelingen op het gebied van toepassingen variërend van het leveren van aerosolized farmaceutische vloeistoffen2 tot brandstofinjectie3. Hoewel het fenomeen goed werkt in deze toepassingen, is de onderliggende fysica niet goed begrepen4,5,6.
Een belangrijke beperking op het gebied van ultrasone verneveling is de keuze van het gebruikte materiaal, loodzirconaat titanaat (PZT), een hysteretisch materiaal gevoelig voor verwarming7 en loodverontreiniging met elementair lood beschikbaar vanaf de internerfelijke grenzen8,9. Korrelgrootte en mechanische en elektronische eigenschappen van graangrenzen beperken ook de frequentie waarmee PZT10kan bedienen. Lithium niobate daarentegen is zowel loodvrij als vertoont geen hysterese11, en kan worden gebruikt om vloeistoffen een orde van grootte efficiënter te vernevelen dan commerciële verstuivers12. De traditionele snede van lithium niobate gebruikt voor de werking in de dikte modus is de 36-graden Y-geroteerde snede, maar de 127,86-graden Y-gedraaide, X-properende snede (128YX), meestal gebruikt voor oppervlakte akoestische golf generatie, is aangetoond dat een hogere oppervlakte verplaatsing amplitude in vergelijking met de 36-graden gesneden13 bij gebruik in resonantie en laag verlies. Het is ook aangetoond dat de werking van de diktemodus een orde van grootteverbetering in verstuiverefficiëntie ten opzichte van andere trillingsmodi13biedt, zelfs bij het gebruik van LN.
De resonantiefrequentie van een piëzo-elektrisch apparaat dat in de diktemodus werkt, wordt bepaald door de dikte t:de golflengte λ = 2t/nwaar n = 1, 2,...n is het aantal anti-knooppunten. Voor een 500 μm dik substraat komt dit overeen met een golflengte van 1 mm voor de fundamentele modus, die vervolgens kan worden gebruikt om de fundamentele resonantiefrequentie te berekenen, f = v/λ als de golfsnelheid, v, bekend is. De snelheid van het geluid door de dikte van 128YX LN is ongeveer 7.000 m/s, en dus f = 7 MHz. In tegenstelling tot andere vormen van trillingen, met name oppervlaktegebonden modi, is het eenvoudig om hogere-orde dikte modus harmonischen prikkelen om veel hogere frequenties, hier tot 250 MHz of meer, hoewel alleen de oneven-genummerde modi kunnen worden opgewekt door uniforme elektrische velden14. Bijgevolg kan de tweede harmonische(n = 2) in de buurt van 14 MHz niet worden opgewekt, maar de derde harmonische op 21 MHz(n = 3) wel. Fabricage van efficiënte dikte modus apparaten vereist het deponeren van elektroden op tegengestelde gezichten van de transducer. We gebruiken gelijkstroom (DC) sputteren om dit te bereiken, maar elektronen-beam depositie en andere methoden kunnen worden gebruikt. Impedantieanalyse is nuttig om de apparaten te karakteriseren, met name bij het vinden van de resonantiefrequenties en elektromechanische koppeling op deze frequenties. Laser Doppler vibrometrie (LDV) is nuttig om de output trillingsamplitude en snelheid te bepalen zonder contact of kalibratie15, en via scannen, de LDV biedt de ruimtelijke verdeling van de oppervlakte vervorming, het onthullen van de wijze van trillingen in verband met een bepaalde frequentie. Ten slotte kan voor het bestuderen van verneveling en vloeistofdynamica high-speed imaging worden gebruikt als een techniek om de ontwikkeling van capillaire golven op het oppervlak van een sessile druppel16,17te bestuderen . Bij verneveling worden, net als veel andere acoustofluidische verschijnselen, kleine druppeltjes geproduceerd in een snel tempo, meer dan 1 kHz op een bepaalde locatie, te snel voor hogesnelheidscamera's om met voldoende getrouwheid en gezichtsveld te observeren om nuttige informatie te verstrekken over een voldoende grote druppelmonstergrootte. Laserverstrooiing kan worden gebruikt voor dit doel, het passeren van de druppels door middel van een uitgebreide laserstraal (Mie) verstrooien een deel van het licht in reflectie en breking om een karakteristiek signaal dat kan worden gebruikt om statistisch te schatten van de druppelgrootte verdeling te produceren.
Het is eenvoudig om piëzo-elektrische dikte modus transducers te fabriceren, maar de technieken die nodig zijn in apparaat en verneveling karakterisering zijn niet duidelijk vermeld in de literatuur tot nu toe, belemmeren de vooruitgang in de discipline. Om een reductie-in-diktemodus effectief te laten zijn in een vernevelingsapparaat, moet deze mechanisch worden geïsoleerd, zodat de trilling niet wordt gedempt en moet het een continue vloeistoftoevoer hebben met een stroomsnelheid die gelijk is aan de vernevelingssnelheid, zodat er geen uitdroging of overstromingen optreden. Deze twee praktische overwegingen zijn niet grondig behandeld in de literatuur, omdat hun oplossingen zijn het resultaat van technische technieken in plaats van pure wetenschappelijke nieuwigheid, maar ze zijn niettemin van cruciaal belang voor het bestuderen van het fenomeen. We presenteren een transducer houder assemblage en een vloeibaar wicking systeem als oplossingen. Dit protocol biedt een systematische benadering van verstuiverfabricage en karakterisering voor het vergemakkelijken van verder onderzoek in fundamentele fysica en talloze toepassingen.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1452px;" width="1452">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Amplifier</td>
			<td style="width:345px;">Amplifier Research, Souderton, PA, USA</td>
			<td style="width:412px;">5U1000</td>
			<td style="width:483px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Articulating arm</td>
			<td style="width:345px;">Fisso, Zurich, Switzerland</td>
			<td style="width:412px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">CF4 Objective</td>
			<td style="width:345px;">Edmund Optics, Barrington, NJ, USA</td>
			<td></td>
			<td>Objective used for high speed imaging</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Dicing saw</td>
			<td style="width:345px;">Disco, Tokyo, Japan</td>
			<td>Disco Automatic Dicing Saw 3220</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Fiber Fragrance Diffuser Wick</td>
			<td style="width:345px;">Weihai Industry Co., Ltd., Weihai, Shandong, China</td>
			<td colspan="2">https://www.weihaisz.com/Fiber-Fragrance-Diffuser-Wick_p216.html</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">High Speed Camera</td>
			<td style="width:345px;">Photron, San Diego, USA</td>
			<td style="width:412px;">Fastcam Mini</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Laser Doppler Vibrometer</td>
			<td style="width:345px;">Polytec, Waldbronn, Germany</td>
			<td style="width:412px;">UHF120</td>
			<td>Non-contact laser doppler vibrometer</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:212px;">Laser Scattering Droplet size measurement system</td>
			<td style="width:345px;">Malvern Panalytical, Malvern, UK</td>
			<td style="width:412px;">STP5315</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Lithium niobate substrate</td>
			<td style="width:345px;">PMOptics,Burlington, MA, USA</td>
			<td style="width:412px;">PWLN-431232</td>
			<td style="width:483px;">4&#8221; double-side polished 0.5 mm thick 128&#176;Y-rotated cut lithium niobate</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Luer-lock syringes</td>
			<td style="width:345px;">Becton Dickingson, New Jersey, USA</td>
			<td style="width:412px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Nano3 cleanroom facility</td>
			<td style="width:345px;">UCSD, La Jolla, CA, USA</td>
			<td style="width:412px;"></td>
			<td>Fabrication process is performed in it.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Network Analyzer</td>
			<td style="width:345px;">Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA</td>
			<td style="width:412px;">5061B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Oscilloscope</td>
			<td style="width:345px;">Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA</td>
			<td style="width:412px;">InfiniiVision 2000 X-Series</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">PSV Acquistion Software</td>
			<td style="width:345px;">Polytec, Waldbronn, Germany</td>
			<td style="width:412px;">Version 9.4</td>
			<td>LDV Software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">PSV Presentation Software</td>
			<td style="width:345px;">Polytec, Waldbronn, Germany</td>
			<td style="width:412px;">Version 9.4</td>
			<td>LDV Software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Signal generator</td>
			<td style="width:345px;">NF Corporation, Yokohama, Japan</td>
			<td style="width:412px;">WF1967 multifunction generator</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Single Post Connector</td>
			<td style="width:345px;">DigiKey, Thief River Falls, MN</td>
			<td>ED1179-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Sputter deposition</td>
			<td style="width:345px;">Denton Vacuum, NJ, USA</td>
			<td style="width:412px;">Denton 18</td>
			<td>Denton Discovery 18 Sputter System</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Surface Mount Spring Contacts</td>
			<td style="width:345px;">DigiKey, Thief River Falls, MN</td>
			<td style="width:412px;">70AAJ-2-M0GCT-ND</td>
			<td style="width:483px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">Teflon wafer dipper</td>
			<td style="width:345px;">ShapeMaster, Ogden, IL, USA</td>
			<td style="width:412px;">SM4WD1</td>
			<td>Wafer Dipper 4&#34;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:212px;">XYZ Stage</td>
			<td style="width:345px;">Thor Labs, Newton, New Jersey, USA</td>
			<td style="width:412px;">MT3</td>
			<td>Optical table stages</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication and characterization of thickness mode piezoelectric devices for atomization and acoustofluidics

We presenteren een techniek om eenvoudige dikte modus piëzo-elektrische apparaten te fabriceren met behulp van lithium niobate (LN). Dergelijke apparaten hebben aangetoond dat vloeistof efficiënter te vernevelen, in termen van stroomsnelheid per stroominvoer, dan die die vertrouwen op Rayleigh golven en andere vormen van trillingen in LN of lood zirconate titanaat (PZT). Het volledige apparaat bestaat uit een transducer, een transducerhouder en een vloeistoftoevoersysteem. De fundamenten van akoestische vloeibare verneveling zijn niet bekend, dus technieken om de apparaten te karakteriseren en de verschijnselen te bestuderen worden ook beschreven. Laser Doppler vibrometrie (LDV) biedt trillingsinformatie die essentieel is voor het vergelijken van akoestische transducers en geeft in dit geval aan of een apparaat goed zal presteren in diktetrillingen. Het kan ook worden gebruikt om de resonantiefrequentie van het apparaat te vinden, hoewel deze informatie sneller wordt verkregen via impedantieanalyse. Continue vloeistofverneveling, als voorbeeldtoepassing, vereist een zorgvuldige vloeistofstroomcontrole, en we presenteren een dergelijke methode met snelle beeldvorming en druppelgrootteverdelingsmetingen via laserverstrooiing.

Dikte modus piëzo-elektrische apparaten werden vervaardigd uit 128YX lithium niobate. Figuur 1 toont een volledige assemblage om de transducer op zijn plaats te houden met een aangepaste transducerhouder die wordt gebruikt met het passieve vloeistofleveringssysteem dat is ontwikkeld voor continue verneveling. De karakteriseringsstappen voor deze apparaten omvatten de bepaling van de resonerende frequentie en harmonischen met behulp van een impedantieanalyzer (figuur 2</...

Watch this Scientific Journal Video about Fabrication and Characterization of Thickness Mode Piezoelectric Devices for Atomization and Acoustofluidics at JoVE.com

Fabrication and Characterization of Thickness Mode Piezoelectric Devices for Atomization and Acoustofluidics

Fabricage van piëzo-elektrische dikte modus transducers via gelijkstroom sputteren van plaatelektroden op lithium niobate wordt beschreven. Bovendien wordt een betrouwbare werking bereikt met een transducerhouder en vloeistoftoevoersysteem en wordt karakterisering aangetoond via impedantieanalyse, laserdrolbaarheid, snelle beeldvorming en druppelgrootteverdeling met behulp van laserverstrooiing.

Fabricage en karakterisering van thicknessmodus Piëzo-elektrische apparaten voor verneveling en acoustofluidics

We present a technique to fabricate simple thickness mode piezoelectric devices using lithium niobate (LN). Such devices have been shown to atomize liquid ...

Deze technieken kunnen worden gebruikt om vragen te beantwoorden over resonantiefrequentie, opwinding in de trillingsmodus, trillingsamplitude en hoe transducers met deze kenmerken als verstuivers presteren. Met informatie die door deze analyses wordt verstrekt, is het mogelijk om de effecten van onafhankelijke variabelen en experimenten met thickness mode transducers rigoureus te kwantificeren. Deze techniek maakt de ontwikkeling mogelijk van apparaten die kunnen worden gebruikt om geneesmiddelen te vernevelen voor de behandeling van aandoeningen van de luchtwegen, zoals longontsteking.Deze methoden zijn nuttig voor het karakteriseren van vernevelingsverschijnselen en kunnen worden toegepast op de studie van capillaire golven op het oppervlak van een druppel. Omdat veel concurrerende factoren in evenwicht moeten zijn, kan het moeilijk zijn om continue verneveling te bereiken. Pas de stroominvoer, wick positie en wick oriëntatie en observeren hoe het gedrag verandert.Veel van deze technieken zijn eenvoudig uit te voeren na demonstratie, maar vereist enige behendigheid en ruimtelijk bewustzijn die niet over komen in tekst. Om een aangepaste transducerhouder te monteren, soldeer twee oppervlaktemountveercontacten aan elk van twee aangepaste gedrukte printplaten en knipt de buitenste contacten, zodat ze het circuit niet kortsluiten. Druk past de spikes in de vergulde gaten op de aangepaste planken zodanig dat de spikes punt uit de buurt van elkaar.Gebruik board spacers en schroeven om de twee aangepaste printplaten aan te sluiten, zodat de contacten zijn gewoon in contact met elkaar. Pas de afstand zo nodig in met kunststof ringen. Schuif vervolgens een 3 x 10 millimeter transducer tussen het binnenste paar contacten.Om de resonantiefrequentie te identificeren door middel van impedantieanalyse, verbindt u een transducer met de open poort van de netwerkanalyzer en selecteert u de parameter S11-reflectiecoëfficiënt via de gebruikersinterface van de netwerkanalyzer. Selecteer het frequentiebereik en voer de frequentiesveger uit. Selecteer vervolgens terugroepen opslaan en traceergegevens opslaan om de gegevens te exporteren naar een geschikt softwareprogramma voor gegevensverwerking om de exacte minimale locaties te identificeren.Om de trilling door LDV te karakteriseren, plaatst u een transducer in pogoplaatcontact op het LDV-stadium en sluit u de pogosonde aan op de signaalgenerator. Zorg ervoor dat de juiste doelstelling wordt geselecteerd in de acquisitiesoftware en richt de microscoop op het oppervlak van de transducer. Selecteer scanpunten en -instellingen definiëren.Een enkele puntscan geeft de gebruiker trillingsamplitude op één punt. Om de trillingsmodus en resonantie te bepalen, moet een gebiedsscan worden uitgevoerd. Selecteer onder het algemene tabblad de FFT- of tijdoptie, afhankelijk van of de scan wordt uitgevoerd in het frequentie- of tijddomein en stel het aantal gemiddelden in.Controleer op het kanaaltabblad of de actieve vakjes zijn ingeschakeld en pas de referentie- en incidentkanalen aan om de maximale signaalsterkte uit het substraat te selecteren. Als de meting onder één frequentiesignaal wordt uitgevoerd, selecteert u Sine in de lijst met de uittreklijst van de golfvorm. Als deze onder één band valt, selecteert u MultiCarrierCW.Wijzig vervolgens in het frequentietabblad de bandbreedte en FFT-regels om de scanresolutie voor een frequentiedomeinscan aan te passen. Als de tijddomeinmetingen worden uitgevoerd, wijzigt u de monsterfrequentie op het tabblad Tijd. Om het vloeistoftoevoersysteem te creëren, selecteert u een 25 millimeter lange 2 millimeter diameter lont bestaande uit een bundel vezels van een hydrofiele polymeer ontworpen om berusting vloeistof te vervoeren.Snijd het ene uiteinde van de lont zo in elkaar dat het een asymmetrische punt vormt en steek het vervolgens in een Luer-sluisspuit met de gewenste capaciteit, waardoor de lont zich kan uitstrekken tot 15 millimeter na het einde. Vergrendel een spuittip op de spuit en zorg voor een knusse pasvorm rond de lont en monteer de montage zodanig dat de lont 10 tot 90 graden van horizontaal is en de punt van de lont is gewoon in contact met de rand van de transducer. Vul vervolgens de spuit met water.Stel de spanning in op nul en breng een continu spanningssignaal aan op de resonantiefrequentie die wordt bepaald met behulp van de impedantieanalyzer. Verhoog de spanning totdat de vloeistof continu wordt geatomiseerd zonder dat het apparaat overstroomt of uitdroogt. Als de voorgestelde aanpassingen mislukken, ruw het goudoppervlak van de transducer in de buurt van de lont contactpunt met fijn schuurpapier zonder het goud volledig te verwijderen.Om de dynamiek van het apparaat te observeren via high-speed imaging, stevig monteren van een hoge flitser horizontaal op een optische tafel en plaats een transducer in pogo plaat contact op een XYZ stadium in de buurt van de brandpuntsafstand van de camera. Plaats een diffuse lichtbron ten minste één brandpuntsafstand aan de andere kant van de transducer van de camera en gebruik een pipet om een sessile druppel op het oppervlak van de transducer te plaatsen. Pas de camerafocus en de XYZ-positie aan om het vloeistofmonster scherp te stellen en selecteer een framesnelheid die minstens twee keer zo groot is als deze frequentie volgens de Nyquist-snelheid om aliasing te voorkomen.Pas de lichtintensiteit, de camerasluiter of beide aan om het contrast tussen de vloeistof en de achtergrond te optimaliseren. Sluit vervolgens alligatorclips van de versterkte signaalgenerator aan op de pogosonde en leg het fenomeen vast door tegelijkertijd de video in de camerasoftware te activeren en het spanningssignaal toe te passen. Voor laserverstrooiingsanalyse van de druppelgrootte, pas de laser zend- en laservervangende modules langs de rail van het laserverstrooiingssysteem aan met een kloof van 20 tot 25 centimeter tussen de twee modules.Monteer een platform in deze kloof zodanig dat wanneer de transducer en vloeistoftoevoer assemblages worden geplaatst op het, geatomiseerde mist zal worden uitgeworpen in de laserstraal pad. Om deze uitlijning te vergemakkelijken, schakelt u de laserstraal in en selecteer gereedschappen, laserbesturing en laser aan. Bevestig het transducergat op het platform.Bevestig de vloeistoftoevoerassemblage aan een gelede arm. Plaats de vloeistoftoevoer montage, zodat de punt van de lont is net in contact met de rand van de transducer en gebruik alligator clips om het signaal bron aan te sluiten op de spike terminals op de transducer houder en klik op nieuwe standaard procedure in de laser verstrooiing systeem software. Stel de sjabloon in op standaard continu en de bemonsteringsperiode op 1.Klik onder gegevensverwerking op sproeiprofiel om de padlengte in te stellen op 20 millimeter. Klik op alarmen om de standaardwaarden uit te zetten en de minimale transmissie in te stellen op 5 en 1% en de minimale verstrooiing op 50 en 10. Wanneer alle parameters zijn ingesteld, klikt u op de standaardbesturingssysteem starten en selecteert u de gemaakte procedure.Vul het vloeistoftoevoerreservoir met water tot het gewenste niveau en let op het volume. Zodra de meting is gestart, schakelt u het spanningssignaal in en start u de stopwatch zodra de verneveling begint. Zodra het gewenste volume vloeistof is geatomiseerd, schakelt u het spanningssignaal uit terwijl u de stopwatch stopt en registreert u het uiteindelijke volume.Selecteer in het resulterende histogram het gedeelte van de gegevens waarin de verneveling plaatsvond zoals verwacht en het signaal bij de ontvanger was sterk genoeg om statistisch significant te zijn. Klik op gemiddeld en oke om een distributie te genereren op basis van de geselecteerde gegevens. Kopieer en de gegevens vervolgens in een tekstbestand en sla deze op met een toepasselijke bestandsnaam.De karakterisering van deze apparaten omvat de bepaling van de resonerende frequentie en harmonischen met behulp van een impedantie analyzer. In deze representatieve analyse bleek de fundamentele frequentie van de apparaten bijna zeven megahertz te zijn, zoals voorspeld door de dikte van het substraat. Verdere karakterisering met behulp van contactloze laser Doppler vibrometrie kan worden gebruikt om de omvang en verplaatsing van het substraat, die meestal in de nanometer bereik te bepalen.Bovendien kan de druppeltrillingen worden geëvalueerd door middel van high-speed imaging en de vernevelingsdynamiek kan worden bepaald door de druppelgrootteverdeling te meten. Vergeet niet dat om verneveling te bereiken, de transducer moet werken op een dikte modus resonantie frequentie. Als het apparaat ondermaats presteert, dan bent u mogelijk niet op de juiste frequentie.Met behulp van dit protocol als een stichting, veel dikte modus parameters kunnen worden gevarieerd en vergeleken, zoals elektrode dikte of laterale afmetingen. Na het vaststellen van dit protocol met water, dikte modus transducers kunnen nu worden gebruikt met andere vloeistoffen voor toepassingen zoals longgeneesmiddel levering, koeling en codering.

Research

JoVE Journal

Engineering

Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers

Simulatie, fabricage en karakterisering van THz Metamateriaal Absorbers

Metamaterials (MM),  artificial materials engineered to have properties that may not be found in  nature, have been widely explored since the first ...

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Fabricage en karakterisering van fotonische kristallen Slow lichtgolfgeleiders en holtes

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

Patroonvorming via Optical Verzadigbare Transitions - fabricage en karakterisering

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities

Fabricage van Gate-afstembare Grafeen Inrichtingen voor Scanning Tunneling Microscopy Studies met Coulomb Verontreinigingen

Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees ...

Characterization of Full Set Material Constants and Their Temperature Dependence for Piezoelectric Materials Using Resonant Ultrasound Spectroscopy

Karakterisering van de volledige set Material constanten en hun Temperatuur Afhankelijkheid van piëzo-elektrische materialen met behulp van Resonant Ultrasound Spectroscopie

During the operation of high power electromechanical devices, a temperature rise is unavoidable due to mechanical and electrical losses, causing the ...

Fabrication and Operation of Acoustofluidic Devices Supporting Bulk Acoustic Standing Waves for Sheathless Focusing of Particles

Fabricage en werking van Acoustofluidic Devices Ondersteunend Bulk Acoustic Staande golven voor Sheathless scherpstellen van Deeltjes

Acoustophoresis refers to the displacement of suspended objects in response to directional forces from sound energy. Given that the suspended objects must ...

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Fabricage en karakterisering van Supergeleidende Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

Characterization of Anisotropic Leaky Mode Modulators for Holovideo

Karakterisering van Anisotropisch Leaky Mode Modulators voor Holovideo

Holovideo displays are based on light-bending spatial light modulators.  One such spatial light modulator is the anisotropic leaky mode modulator.  This ...

Fabrication of Fully Solution Processed Inorganic Nanocrystal Photovoltaic Devices

Fabricage van Fully Solution Verwerkte Anorganische Nanocrystal Fotovoltaïsche apparaten

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal ...

Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices

Oplosmiddel Bonding voor de productie van PMMA en COP microfluïdische apparaten

Thermoplastic microfluidic devices offer many advantages over those made from silicone elastomers, but bonding procedures must be developed for each ...