Name: fabrication and characterization of thickness mode piezoelectric devices for atomization and acoustofluidics
Uploaded: 2020-08-05T12:30:00
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Os autores agradecem à Universidade da Califórnia e às instalações nano3 da UC San Diego pelo fornecimento de fundos e instalações em apoio a este trabalho. Este trabalho foi realizado em parte na San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) da UCSD, membro da National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, que é apoiada pela National Science Foundation (Grant ECCS−1542148). O trabalho aqui apresentado foi generosamente apoiado por uma bolsa de pesquisa da Fundação W.M. Keck. Os autores também agradecem o apoio deste trabalho pelo Escritório de Pesquisa Naval (via Grant 12368098).

1. Fabricação de transdutores do modo de espessura via sputtering DC
<ol><li>Preparação de wafer<ol>
<li>Coloque um wafer 100 mm 128YX LN em um prato de vidro limpo de pelo menos 125 mm de diâmetro. Sonicar o wafer em pelo menos 200 mL de acetona por 5 min.</li>
		<li>Repita a sônica com álcool isopropílico e novamente com água deionizada por 5 min cada.</li>
		<li>Remova a água visível da superfície usando nitrogênio seco.</li>
		<li>Remova completamente a água da superfície colocando o wafer em uma pla...

<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>

As dimensões e a proporção de um transdutor afetam os modos de vibração que produz. Como as dimensões laterais são finitas, há sempre modos laterais, além dos modos de espessura desejados. Os métodos LDV acima podem ser usados para determinar os modos dominantes na faixa de frequência desejada para um determinado transdutor. Um quadrado com dimensões abaixo de 10 mm normalmente dá uma aproximação próxima a um modo de espessura. Três por dez milímetros de retângulos também funcionam bem. O film...

A atomização do ultrassom tem sido estudada há quase um século e, embora existam muitas aplicações, há limitações na compreensão da física subjacente. A primeira descrição do fenômeno foi feita por Wood e Loomis em 19271, e desde então houve desenvolvimentos no campo para aplicações que vão desde a entrega de fluidos farmacêuticos aerossolizados2 até a injeção de combustível3. Embora o fenômeno funcione bem nessas aplicações, a física subjacente não é bem compreendida4,,5,6.
Uma limitação fundamental no campo da atomização ultrassônica é a escolha do material utilizado, titanato de zircônio de chumbo (PZT), um material histerético propenso ao aquecimento7 e contaminação por chumbo com chumbo elementar disponível a partir dos limites interordonas8,,9. O tamanho do grão e as propriedades mecânicas e eletrônicas dos limites dos grãos também limitam a frequência em que o PZT pode operar10. Em contraste, o niobato de lítio é livre de chumbo e não exibe histerese11, e pode ser usado para atomizar fluidos uma ordem de magnitude mais eficiente do que os atomizadores comerciais12. O corte tradicional do niobato de lítio usado para operação no modo de espessura é o corte rotativo de 36 graus Y, mas o corte de 127,86 graus Y-rotatado, X-propagante (128YX), normalmente usado para geração de ondas acústicas superficiais, tem sido mostrado ter uma amplitude de deslocamento superficial mais alta em comparação com o corte de 36 graus13 quando operado em ressonância e baixa perda. Também foi demonstrado que a operação do modo de espessura oferece uma ordem de melhoria de magnitude na eficiência atomizadora em relação a outros modos de vibração13,mesmo quando se usa LN.
A frequência de ressonância de um dispositivo piezoelétrico que opera no modo de espessura é regida por sua espessura t: o comprimento de onda λ = 2t/n onde n = 1, 2,... é o número de anti-nodes. Para um substrato de 500 μm de espessura, isso corresponde a um comprimento de onda de 1 mm para o modo fundamental, que pode então ser usado para calcular a frequência de ressonância fundamental, f = v/λ se a velocidade de onda, v,é conhecida. A velocidade do som através da espessura de 128YX LN é de aproximadamente 7.000 m/s, e assim f = 7 MHz. Ao contrário de outras formas de vibração, particularmente modos ligados à superfície, é simples excitar os harmônicos do modo de espessura de ordem superior a frequências muito mais altas, aqui a 250 MHz ou mais, embora apenas os modos numerados ímpares possam ser animados por campos elétricos uniformes14. Consequentemente, o segundo harmônico (n = 2) perto de 14 MHz não pode ser animado, mas o terceiro harmônico a 21 MHz (n = 3) pode. A fabricação de dispositivos eficientes do modo de espessura requer o depósito de eletrodos em faces opostas do transdutor. Usamos sputtering de corrente direta (DC) para conseguir isso, mas a deposição de feixe de elétrons e outros métodos poderiam ser usados. A análise de impedância é útil para caracterizar os dispositivos, particularmente na localização das frequências de ressonância e acoplamento eletromecânico nessas frequências. A vibrometria laser Doppler (LDV) é útil para determinar a amplitude e velocidade da vibração de saída sem contato ou calibração15, e, através da varredura, o LDV fornece a distribuição espacial da deformação da superfície, revelando o modo de vibração associado a uma determinada frequência. Finalmente, para fins de estudo da atomização e dinâmica dos fluidos, a imagem de alta velocidade pode ser empregada como técnica para estudar o desenvolvimento de ondas capilares na superfície de uma gota de sessile16,17. Na atomização, como muitos outros fenômenos acoustofluidos, pequenas gotículas são produzidas a uma velocidade rápida, acima de 1 kHz em um determinado local, muito rapidamente para câmeras de alta velocidade para observar com fidelidade e campo de visão suficientes para fornecer informações úteis sobre um tamanho amostral gotícula suficientemente grande. A dispersão a laser pode ser usada para este fim, passando as gotículas através de um raio laser expandido para (Mie) espalhar parte da luz em reflexão e refração para produzir um sinal característico que pode ser usado para estimar estatisticamente a distribuição do tamanho da gotícula.
É simples fabricar transdutores do modo piezoelétrico, mas as técnicas exigidas na caracterização de dispositivos e atomização não foram claramente declaradas na literatura até o momento, dificultando o progresso na disciplina. Para que um transdutor de modo de espessura seja eficaz em um dispositivo de atomização, ele deve ser mecanicamente isolado para que sua vibração não seja amortecida e deve ter um suprimento contínuo de fluidos com uma taxa de fluxo igual à taxa de atomização para que nem a dessecação nem inundações ocorram. Essas duas considerações práticas não foram completamente abordadas na literatura porque suas soluções são resultado de técnicas de engenharia e não de pura novidade científica, mas são, no entanto, críticas para o estudo do fenômeno. Apresentamos um conjunto de portadores de transdutores e um sistema de pavio líquido como soluções. Este protocolo oferece uma abordagem sistemática para a fabricação e caracterização atomizadora para facilitar mais pesquisas em física fundamental e aplicações miríades.

<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

Apresentamos uma técnica para fabricar dispositivos piezoelétricos modo de espessura simples usando niobato de lítio (LN). Tais dispositivos têm sido mostrados para atomizar o líquido de forma mais eficiente, em termos de taxa de fluxo por entrada de energia, do que aqueles que dependem de ondas de Rayleigh e outros modos de vibração em LN ou titanato de zircônio de chumbo (PZT). O dispositivo completo é composto por um transdutor, um suporte de transdutor e um sistema de fornecimento de fluidos. Os fundamentos da atomização líquida acústica não são bem conhecidos, por isso técnicas para caracterizar os dispositivos e estudar os fenômenos também são descritas. A vibrometria laser Doppler (LDV) fornece informações de vibração essenciais na comparação de transdutores acústicos e, neste caso, indica se um dispositivo terá um bom desempenho em vibração de espessura. Ele também pode ser usado para encontrar a frequência de ressonância do dispositivo, embora essas informações sejam obtidas mais rapidamente através da análise de impedância. A atomização contínua do fluido, como exemplo, requer um controle cuidadoso do fluxo de fluidos, e apresentamos esse método com imagens de alta velocidade e medições de distribuição de tamanho de gotículas através da dispersão a laser.

Os dispositivos piezoelétricos do modo de espessura foram fabricados a partir de nióbio de lítio 128YX. A Figura 1 mostra um conjunto completo para manter o transdutor no lugar com um suporte transdutor personalizado usado com o sistema de entrega de fluidos passivos desenvolvido para a atomização contínua. As etapas de caracterização desses dispositivos incluem a determinação da frequência ressonante e harmônicas utilizando um analisador de impedância(Figur...

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

A fabricação de transdutores do modo de espessura piezoelétrica através da corrente direta de eletrodos de placas em nióbio de lítio é descrita. Além disso, a operação confiável é alcançada com um suporte de transdutor e sistema de fornecimento de fluidos e a caracterização é demonstrada através de análise de impedância, vibrometria doppler laser, imagem de alta velocidade e distribuição do tamanho de gotículas usando dispersão a laser.

Fabricação e caracterização de dispositivos piezoelétricos do modo de espessura para atomização e acoustofluidos

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

Essas técnicas podem ser usadas para responder perguntas sobre frequência de ressonância, excitação do modo vibracional, amplitude de vibração e como transdutores com essas características funcionam como atomizadores. Com as informações fornecidas por essas análises, é possível quantificar rigorosamente os efeitos de variáveis independentes e experimentos envolvendo transdutores do modo de espessura. Essa técnica permite o desenvolvimento de dispositivos que podem ser usados para atomizar drogas para o tratamento de doenças respiratórias, como pneumonia.Esses métodos são úteis para caracterizar fenômenos de atomização e podem ser aplicados ao estudo de ondas capilares na superfície de uma gotícula. Como muitos fatores concorrentes devem ser equilibrados, pode ser difícil alcançar a atomização contínua. Ajuste a entrada de energia, a posição do pavio e a orientação do pavio e observe como o comportamento muda.Muitas dessas técnicas são simples de serem exetreem após a demonstração, mas exigem alguma destreza e consciência espacial que não se deparam no texto. Para montar um suporte de transdutor personalizado, soldar dois contatos de mola de montagem de superfície para cada uma das duas placas de circuito impresso personalizados e cortar os contatos externos para que eles não curtom o circuito. Pressione encaixar os espinhos nos orifícios banhados nas placas personalizadas, de tal forma que os espinhos se afastem um do outro.Use espaçadores de placa e parafusos para conectar as duas placas de circuito personalizadas para que os contatos estejam apenas em contato entre si. Ajuste o espaçamento com arruelas plásticas conforme necessário. Em seguida, deslize um transdutor de 3 x 10 milímetros entre o par interno de contatos.Para identificar a frequência de ressonância por análise de impedância, conecte um transdutor à porta aberta do analisador de rede e selecione o parâmetro de coeficiente de reflexão S11 através da interface de usuário do analisador de rede. Selecione a faixa de frequência de interesse e realize a varredura de frequência. Em seguida, selecione salvar dados de rastreamento e salvar dados de rastreamento para exportar os dados para um programa de software de processamento de dados apropriado para identificar os locais mínimos precisos.Para caracterizar a vibração por LDV, coloque um transdutor em contato com a placa de pogo no estágio LDV e conecte a sonda pogo ao gerador de sinal. Certifique-se de que o objetivo correto seja selecionado no software de aquisição e concentre o microscópio na superfície do transdutor. Selecione definir pontos de varredura e configurações.Uma única varredura de ponto dá ao usuário amplitude de vibração em um único ponto. Para determinar o modo de vibração e ressonância, uma varredura de área deve ser realizada. Na guia geral, selecione a opção FFT ou tempo, dependendo se a varredura está sendo realizada em frequência ou domínio de tempo e defina o número de médias.Na guia do canal, certifique-se de que as caixas ativas sejam verificadas e ajuste os canais de referência e incidente para selecionar a força máxima do sinal do substrato. Na guia geradora, se a medição for realizada sob sinal de frequência única, selecione Sine na lista de retirada de forma de onda. Se estiver sob uma única banda, selecione MultiCarrierCW.Em seguida, na guia de frequência, altere a largura de banda e as linhas FFT para ajustar a resolução de varredura para uma varredura de domínio de frequência. Se as medições de domínio de tempo estiverem sendo realizadas, altere a frequência da amostra na guia de tempo. Para criar o sistema de fornecimento de fluidos, selecione um pavio de 2 milímetros de comprimento de 2 milímetros de comprimento composto por um feixe de fibras de um polímero hidrofílico projetado para transportar líquido de aquiesce.Apare uma extremidade do pavio para formar uma ponta assimétrica e, em seguida, insira-a em uma seringa de bloqueio Luer com a capacidade desejada, permitindo que o pavio se estenda a 15 milímetros além do final. Coloque uma ponta de seringa na seringa fornecendo um ajuste confortável ao redor do pavio e monte o conjunto de tal forma que o pavio esteja a 10 a 90 graus da horizontal e a ponta do pavio esteja apenas em contato com a borda do transdutor. Em seguida, encha a seringa com água.Coloque a tensão a zero e aplique um sinal de tensão contínua na frequência de ressonância determinada pelo analisador de impedância. Aumente a tensão até que o líquido seja atomizado continuamente sem que o dispositivo alague ou seque. Se os ajustes sugeridos falharem, endureça a superfície de ouro do transdutor perto do ponto de contato do pavio com lixa fina sem remover totalmente o ouro.Para observar a dinâmica do dispositivo através de imagens de alta velocidade, monte rigidamente uma câmera de alta velocidade horizontalmente em uma tabela óptica e coloque um transdutor em contato com a placa pogo em um estágio XYZ perto da distância focal da câmera. Posicione uma fonte de luz difusa pelo menos uma distância focal no lado oposto do transdutor da câmera e use uma pipeta para colocar uma gota de sessile na superfície do transdutor. Ajuste o foco da câmera e a posição XYZ para trazer a amostra de fluido em foco nítido e selecione uma taxa de quadros que seja pelo menos duas vezes maior que esta frequência de acordo com a taxa de Nyquist para evitar o aliasing.Ajuste a intensidade da luz, o obturador da câmera ou ambos para otimizar o contraste entre o fluido e o fundo. Em seguida, conecte clipes de jacaré do gerador de sinal amplificado aos condutores da sonda pogo e capture o fenômeno acionando simultaneamente o vídeo no software da câmera e aplicando o sinal de tensão. Para análise de dispersão a laser do tamanho da gotícula, ajuste os módulos de transmissão a laser e receptor a laser ao longo do trilho do sistema de dispersão a laser com uma distância de 20 a 25 centímetros entre os dois módulos.Montar rigidamente uma plataforma nesta lacuna de tal forma que quando os conjuntos de alimentação de transdutores e fluidos forem colocados sobre ele, a névoa atomizada será ejetada no caminho do feixe de laser. Para facilitar esse alinhamento, ligue o raio laser e selecione ferramentas, controle a laser e laser ligado. Conserte o buraco do transdutor na plataforma.Fixar o conjunto de suprimentos de fluidos em um braço articulado. Posicione o conjunto de alimentação de fluidos para que a ponta do pavio esteja apenas em contato com a borda do transdutor e use clipes de jacaré para conectar a fonte de sinal aos terminais de espeto no suporte do transdutor e clique em novo procedimento operacional padrão no software do sistema de dispersão a laser. Defina o modelo como contínuo padrão e o período de amostragem para 1.Em manuseamento de dados, clique no perfil spray para definir o comprimento do caminho para 20 milímetros. Clique em alarmes para desmarcar os valores padrão de uso e definir a transmissão mínima para 5 e 1% e a dispersão mínima para 50 e 10. Quando todos os parâmetros tiverem sido definidos, clique em iniciar o procedimento operacional padrão e selecione o procedimento criado.Encha o reservatório de abastecimento de fluidos com água até o nível desejado e observe o volume. Uma vez iniciada a medição, ligue o sinal de tensão e inicie o cronômetro assim que a atomização começar. Uma vez que o volume desejado de fluido tenha sido atomizado, desligue o sinal de tensão enquanto pára o cronômetro e regise o volume final.No histograma de medição resultante, selecione a porção dos dados durante os quais a atomização estava ocorrendo como esperado e o sinal no receptor era forte o suficiente para ser estatisticamente significativo. Clique em média e bem para gerar uma distribuição com base nos dados selecionados. Em seguida, copie e os dados em um arquivo de texto e salve com um nome de arquivo apropriado.A caracterização desses dispositivos inclui determinação da frequência ressonante e harmônica utilizando um analisador de impedância. Nesta análise representativa, verificou-se que a frequência fundamental dos dispositivos era próxima de sete mega-hertz, como previsto pela espessura do substrato. Outra caracterização usando vibrometria doppler laser não contato pode ser usada para determinar a magnitude e o deslocamento do substrato, que geralmente está na faixa de nanômetros.Além disso, a vibração da gotícula pode ser avaliada por imagens de alta velocidade e a dinâmica de atomização pode ser determinada medindo a distribuição do tamanho da gotícula. Lembre-se que para alcançar a atomização, o transdutor deve estar operando em uma frequência de ressonância do modo de espessura. Se o dispositivo estiver com baixo desempenho, então você pode não estar na frequência correta.Usando este protocolo como base, muitos parâmetros de modo de espessura podem ser variados e comparados, como espessura de eletrodos ou dimensões laterais. Tendo estabelecido este protocolo com água, transdutores do modo de espessura agora podem ser usados com outros fluidos para aplicações como entrega de drogas pulmonares, resfriamento e codificação.

Research

JoVE Journal

Engineering

Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers

Fabricação de simulação, e Caracterização de THz Absorvedores de metamateriais

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

Engenharia

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Fabricação e caracterização de guias de onda de luz de cristal fotônico lentas e cavidades

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

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

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