Name: fabrication and characterization of thickness mode piezoelectric devices for atomization and acoustofluidics
Uploaded: 2020-08-05T12:30:00
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Los autores están agradecidos a la Universidad de California y a las instalaciones de NANO3 en UC San Diego por la provisión de fondos e instalaciones en apoyo de este trabajo. Este trabajo se realizó en parte en la Infraestructura de Nanotecnología de San Diego (SDNI) de la UCSD, miembro de la Infraestructura Coordinada Nacional de Nanotecnología, que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (Grant ECCS-1542148). El trabajo presentado aquí fue generosamente apoyado por una beca de investigación de la Fundación W.M. Keck. Los autores también agradecen el apoyo de este trabajo por parte de la Oficina de Investigación Naval (a través de Grant 12368098).

1. Fabricación del transductor de modo de espesor a través de pulverización de CC
<ol><li>Preparación de obleas<ol>
<li>Coloque una oblea LN de 100 mm 128YX en un plato de vidrio limpio de al menos 125 mm de diámetro. Sonicar la oblea en al menos 200 ml de acetona durante 5 min.</li>
		<li>Repetir sonicación con alcohol isopropílico y de nuevo con agua desionizada durante 5 minutos cada una.</li>
		<li>Retire el agua visible de la superficie con nitrógeno seco.</li>
		<li>Retire completamente el agua de la supe...

<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. 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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>

Las dimensiones y la relación de aspecto de un transductor afectan a los modos de vibración que produce. Debido a que las dimensiones laterales son finitas, siempre hay modos laterales además de los modos de espesor deseados. Los métodos LDV anteriores se pueden utilizar para determinar los modos dominantes en el rango de frecuencia deseado para un transductor determinado. Un cuadrado con dimensiones inferiores a 10 mm normalmente da una aproximación cercana a un modo de espesor. Tres por diez rectángulos milimétr...

La atomización por ultrasonido se ha estudiado durante casi un siglo y aunque hay muchas aplicaciones, hay limitaciones en la comprensión de la física subyacente. La primera descripción del fenómeno fue hecha por Wood y Loomis en 19271, y desde entonces ha habido desarrollos en el campo para aplicaciones que van desde la entrega de fluidos farmacéuticos aerosolizados2 a la inyección de combustible3. Aunque el fenómeno funciona bien en estas aplicaciones, la física subyacente no se entiende bien4,5,6.
Una limitación clave en el campo de la atomización ultrasónica es la elección del material utilizado, titanato de zirconato de plomo (PZT), un material histérico propenso a calentar7 y la contaminación por plomo con plomo elemental disponible desde los límites entre granos8,,9. El tamaño del grano y las propiedades mecánicas y electrónicas de los límites del grano también limitan la frecuencia a la que PZT puede operar10. Por el contrario, el niobato de litio no tiene plomo y no exhibe histéresis11,y se puede utilizar para atomizar fluidos un orden de magnitud más eficiente que los atomizadores comerciales12. El corte tradicional de niobato de litio utilizado para el funcionamiento en el modo de espesor es el corte girado en Y de 36 grados, pero el corte de 127,86 grados girado en Y, de propagación X (128YX), normalmente utilizado para la generación de ondas acústicas superficiales, se ha demostrado que tiene una mayor amplitud de desplazamiento de la superficie en comparación con el corte de 36 grados13 cuando se opera en resonancia y baja pérdida. También se ha demostrado que la operación en modo de espesor ofrece un orden de mejora de magnitud en la eficiencia del atomizador sobre otros modos de vibración13,incluso cuando se utiliza LN.
La frecuencia de resonancia de un dispositivo piezoeléctrico que opera en el modo de espesor se rige por su espesor t: la longitud de onda de 2t/n, donde n a 1, 2,... es el número de anti-nodos. Para un sustrato de 500 m de espesor, esto corresponde a una longitud de onda de 1 mm para el modo fundamental, que luego se puede utilizar para calcular la frecuencia de resonancia fundamental, f á v/á si se conoce la velocidad de onda, v. La velocidad del sonido a través del espesor de 128YX LN es de aproximadamente 7.000 m/s, y así f a 7 MHz. A diferencia de otras formas de vibración, particularmente los modos de superficie, es sencillo excitar los armónicos de modo de espesor de orden superior a frecuencias mucho más altas, aquí a 250 MHz o más, aunque sólo los modos de números impares pueden ser excitados por campos eléctricos uniformes14. Por lo tanto, el segundo armónico (n a 2) cerca de 14 MHz no se puede excitar, pero el tercer armónico a 21 MHz (n a 3) puede. La fabricación de dispositivos de modo de espesor eficiente requiere depositar electrodos en caras opuestas del transductor. Utilizamos el sputtering de corriente directa (DC) para lograr esto, pero se podría utilizar la deposición de haz de electrones y otros métodos. El análisis de impedancia es útil para caracterizar los dispositivos, particularmente en la búsqueda de las frecuencias de resonancia y el acoplamiento electromecánico a estas frecuencias. La vibrometría Doppler láser (LDV) es útil para determinar la amplitud y velocidad de vibración de salida sin contacto ni calibración15,y, a través del escaneo, el LDV proporciona la distribución espacial de la deformación de la superficie, revelando el modo de vibración asociado con una frecuencia dada. Por último, para estudiar la atomización y la dinámica de fluidos, se pueden emplear imágenes de alta velocidad como técnica para estudiar el desarrollo de ondas capilares en la superficie de una gota sésil16,,17. En la atomización, como muchos otros fenómenos acoustofluídicos, las pequeñas gotas se producen a una velocidad rápida, más de 1 kHz en un lugar dado, demasiado rápido para que las cámaras de alta velocidad observen con suficiente fidelidad y campo de visión para proporcionar información útil sobre un tamaño de muestra de gota suficientemente grande. La dispersión láser se puede utilizar para este propósito, pasando las gotas a través de un rayo láser expandido a (Mie) dispersar parte de la luz en la reflexión y la refracción para producir una señal característica que se puede utilizar para estimar estadísticamente la distribución del tamaño de la gota.
Es sencillo fabricar transductores de modo piezoeléctrico, pero las técnicas requeridas en la caracterización del dispositivo y la atomización no se han indicado claramente en la literatura hasta la fecha, lo que dificulta el progreso en la disciplina. Para que un transductor de modo de espesor sea eficaz en un dispositivo de atomización, debe estar aislado mecánicamente de modo que su vibración no se amortigua y debe tener un suministro de fluido continuo con un caudal igual a la tasa de atomización para que no se produzca ni desicación ni inundación. Estas dos consideraciones prácticas no han sido completamente cubiertas en la literatura porque sus soluciones son el resultado de técnicas de ingeniería más que pura novedad científica, pero sin embargo son fundamentales para el estudio del fenómeno. Presentamos un conjunto de soporte de transductor y un sistema de wicking líquido como soluciones. Este protocolo ofrece un enfoque sistemático para la fabricación y caracterización de atomizadores para facilitar la investigación adicional en la física fundamental y innumerables aplicaciones.

<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

Presentamos una técnica para fabricar dispositivos piezoeléctricos de modo de espesor simple utilizando niobato de litio (LN). Se ha demostrado que estos dispositivos atomizan el líquido de manera más eficiente, en términos de caudal por entrada de potencia, que los que dependen de las ondas de Rayleigh y otros modos de vibración en LN o titanato de zirconato de plomo (PZT). El dispositivo completo está compuesto por un transductor, un soporte de transductor y un sistema de suministro de fluidos. Los fundamentos de la atomización líquida acústica no son bien conocidos, por lo que también se describen técnicas para caracterizar los dispositivos y estudiar los fenómenos. La vibrometría Doppler láser (LDV) proporciona información de vibración esencial para comparar transductores acústicos y, en este caso, indica si un dispositivo funcionará bien en vibración de espesor. También se puede utilizar para encontrar la frecuencia de resonancia del dispositivo, aunque esta información se obtiene más rápidamente a través del análisis de impedancia. La atomización continua de fluidos, como una aplicación de ejemplo, requiere un control cuidadoso del flujo de fluidos, y presentamos un método de este tipo con mediciones de distribución de tamaño de imágenes y gotas de alta velocidad a través de la dispersión láser.

Los dispositivos piezoeléctricos en modo de espesor se fabricaron a partir de niobato de litio 128YX. La Figura 1 muestra un conjunto completo para mantener el transductor en su lugar con un soporte de transductor personalizado utilizado con el sistema de entrega pasiva de fluidos desarrollado para la atomización continua. Los pasos de caracterización para estos dispositivos incluyen la determinación de la frecuencia resonante y armónicos utilizando un analizador de impedancia (<strong ...

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

Se describe la fabricación de transductores de modo de espesor piezoeléctrico a través de pulverización de corriente directa de electrodos de placa en niobato de litio. Además, el funcionamiento confiable se logra con un soporte de transductor y el sistema de suministro de fluidos y la caracterización se demuestra mediante análisis de impedancia, vibrometría doppler láser, imágenes de alta velocidad y distribución del tamaño de gotas mediante dispersión láser.

Fabricación y caracterización de dispositivos piezoeléctricos en modo de espesor para atomización y acoustofluídicos

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

Estas técnicas se pueden utilizar para responder preguntas sobre la frecuencia de resonancia, la excitación del modo vibratorio, la amplitud de vibración y el rendimiento de los transductores con estas características como atomizadores. Con la información proporcionada por estos análisis, es posible cuantificar rigurosamente los efectos de variables independientes y experimentos que involucran transductores de modo de espesor. Esta técnica permite el desarrollo de dispositivos que se pueden utilizar para atomizar fármacos para el tratamiento de enfermedades respiratorias como la neumonía.Estos métodos son útiles para caracterizar fenómenos de atomización y se pueden aplicar al estudio de ondas capilares en la superficie de una gota. Debido a que muchos factores de la competencia deben ser equilibrados, puede ser difícil lograr la atomización continua. Ajuste la entrada de potencia, la posición de la mecha y la orientación de la mecha y observe cómo cambia el comportamiento.Muchas de estas técnicas son fáciles de realizar después de la demostración, pero requiere cierta destreza y conciencia espacial que no se encuentran en el texto. Para montar un soporte de transductor personalizado, solde dos contactos de resorte de montaje en superficie a cada una de las dos placas de circuito impresos personalizadas y sujete los contactos exteriores para que no cortocircuiten el circuito. Presione ajustar los picos en los agujeros chapados en las tablas personalizadas de tal manera que los picos apunten lejos uno del otro.Utilice espaciadores y tornillos de placa para conectar las dos placas de circuito personalizadas para que los contactos estén justo en contacto entre sí. Ajuste el espaciado con arandelas de plástico según sea necesario. A continuación, deslice un transductor de 3 x 10 milímetros entre el par interno de contactos.Para identificar la frecuencia de resonancia mediante el análisis de impedancia, conecte un transductor al puerto abierto del analizador de red y seleccione el parámetro de coeficiente de reflexión S11 a través de la interfaz de usuario del analizador de red. Seleccione el rango de frecuencia de interés y realice el barrido de frecuencia. A continuación, seleccione guardar la recuperación y guarde los datos de seguimiento para exportar los datos a un programa de software de procesamiento de datos adecuado para identificar las ubicaciones mínimas precisas.Para caracterizar la vibración por LDV, coloque un transductor en contacto con la placa pogo en la etapa LDV y conecte los cables de la sonda pogo al generador de señal. Asegúrese de seleccionar el objetivo correcto en el software de adquisición y centre el microscopio en la superficie del transductor. Seleccione definir puntos de análisis y ajustes.Un escaneo de un solo punto proporciona al usuario amplitud de vibración en un solo punto. Para determinar el modo de vibración y la resonancia, se debe realizar una exploración de área. En la pestaña general, seleccione la opción FFT o tiempo en función de si el análisis se está realizando en el dominio de frecuencia o tiempo y establezca el número de promedios.En la pestaña de canal, asegúrese de que las casillas activas están marcadas y ajuste los canales de referencia e incidentes para seleccionar la intensidad máxima de la señal del sustrato. En la pestaña generador, si la medición se lleva a cabo bajo señal de frecuencia única, seleccione Seno en la lista desplegable de forma de onda. Si está bajo una sola banda, seleccione MultiCarrierCW.A continuación, en la pestaña de frecuencia, cambie el ancho de banda y las líneas FFT para ajustar la resolución de escaneado para un análisis de dominio de frecuencia. Si se realizan las mediciones del dominio de tiempo, cambie la frecuencia de la muestra en la pestaña de tiempo. Para crear el sistema de suministro de fluidos, seleccione una mecha de 25 milímetros de largo y 2 milímetros de diámetro compuesta por un haz de fibras de un polímero hidrófilo diseñado para transportar líquido de aquiescencia.Recorte un extremo de la mecha para que forme una punta asimétrica y luego insértela en una jeringa de bloqueo Luer con la capacidad deseada, permitiendo que la mecha se extienda a 15 milímetros más allá del final. Fije una punta de jeringa en la jeringa proporcionando un ajuste ceñido alrededor de la mecha y monte el conjunto de manera que la mecha esté de 10 a 90 grados desde horizontal y la punta de la mecha esté justo en contacto con el borde del transductor. A continuación, llene la jeringa con agua.Ajuste la tensión a cero y aplique una señal de voltaje continuo a la frecuencia de resonancia determinada mediante el analizador de impedancia. Aumente la tensión hasta que el líquido se atomice continuamente sin que el dispositivo se inunde o se seque. Si los ajustes sugeridos fallan, rugosa la superficie dorada del transductor cerca del punto de contacto de la mecha con papel de lija fino sin quitar el oro por completo.Para observar la dinámica del dispositivo a través de imágenes de alta velocidad, monte rígidamente una cámara de alta velocidad horizontalmente en una mesa óptica y coloque un transductor en contacto con la placa pogo en un escenario XYZ cerca de la distancia focal de la cámara. Coloque una fuente de luz difusa al menos una distancia focal en el lado opuesto del transductor desde la cámara y utilice una pipeta para colocar una gota de sesil en la superficie del transductor. Ajuste el enfoque de la cámara y la posición XYZ para poner la muestra de fluido en un enfoque nítido y seleccione una velocidad de fotogramas que sea al menos el doble de grande que esta frecuencia según la velocidad de Nyquist para evitar el alias.Ajuste la intensidad de la luz, el obturador de la cámara o ambos para optimizar el contraste entre el fluido y el fondo. A continuación, conecte los clips de cocodrilo desde el generador de señal amplificada a los cables de la sonda pogo y capture el fenómeno activando simultáneamente el vídeo en el software de la cámara y aplicando la señal de voltaje. Para el análisis de dispersión láser del tamaño de la gota, ajuste los módulos de transmisión láser y recepción láser a lo largo del riel del sistema de dispersión láser con un espacio de 20 a 25 centímetros entre los dos módulos.Montar rígidamente una plataforma en este espacio de tal manera que cuando el transductor y los conjuntos de suministro de fluidos se colocan en él, la niebla atomizada será expulsada en la trayectoria del rayo láser. Para facilitar esta alineación, encienda el rayo láser y seleccione herramientas, control láser y láser encendido. Fije el orificio del transductor a la plataforma.Fije el conjunto de suministro de fluidos a un brazo articulado. Coloque el conjunto de suministro de fluido de modo que la punta de la mecha esté justo en contacto con el borde del transductor y utilice clips de cocodrilo para conectar la fuente de señal a los terminales de pico en el soporte del transductor y haga clic en el nuevo procedimiento de funcionamiento estándar en el software del sistema de dispersión láser. Establezca la plantilla en continuo predeterminado y el período de muestreo en 1.En El manejo de datos, haga clic en perfil de pulverización para establecer la longitud de la ruta en 20 milímetros. Haga clic en alarmas para desactivar el uso de los valores predeterminados y establezca la transmisión mínima en 5 y 1% y la dispersión mínima en 50 y 10. Una vez establecidos todos los parámetros, haga clic en Iniciar procedimiento operativo estándar y seleccione el procedimiento creado.Llene el depósito de suministro de líquido con agua hasta el nivel deseado y observe el volumen. Una vez iniciada la medición, encienda la señal de voltaje e inicie el cronómetro tan pronto como comience la atomización. Una vez que el volumen de fluido deseado ha sido atomizado, apague la señal de voltaje mientras detiene el cronómetro y registre el volumen final.En el histograma de medición resultante, seleccione la parte de los datos durante los cuales la atomización se estaba produciendo según lo esperado y la señal en el receptor fue lo suficientemente fuerte como para ser estadísticamente significativa. Haga clic en promedio y aceptar para generar una distribución basada en los datos seleccionados. A continuación, copie y los datos en un archivo de texto y guárdelos con un nombre de archivo adecuado.La caracterización de estos dispositivos incluye la determinación de la frecuencia resonante y armónicos utilizando un analizador de impedancia. En este análisis representativo, se encontró que la frecuencia fundamental de los dispositivos era cercana a siete megahercios, como predijo el espesor del sustrato. Se puede utilizar una mayor caracterización utilizando vibrometría Doppler láser sin contacto para determinar la magnitud y el desplazamiento del sustrato, que suele estar en el rango de nanómetros.Además, la vibración de las gotas se puede evaluar mediante imágenes de alta velocidad y la dinámica de atomización se puede determinar midiendo la distribución del tamaño de las gotas. Recuerde que para lograr la atomización, el transductor debe estar funcionando a una frecuencia de resonancia en modo de espesor. Si el dispositivo tiene un rendimiento bajo, es posible que no esté en la frecuencia correcta.Usando este protocolo como base, muchos parámetros de modo de espesor pueden ser variados y comparados, como el espesor del electrodo o las dimensiones laterales. Una vez establecido este protocolo con agua, los transductores de modo de espesor ahora se pueden utilizar con otros fluidos para aplicaciones como la administración de fármacos pulmonares, la refrigeración y la codificación.

Research

JoVE Journal

Engineering

Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers

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

Investigación

Ingeniería

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

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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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