Unda acustică de suprafață - Surface acoustic wave
O undă acustică de suprafață ( SAW ) este o undă acustică care se deplasează de-a lungul suprafeței unui material care prezintă elasticitate , cu o amplitudine care de obicei se descompune exponențial cu adâncimea în material.
Descoperire
SAW-urile au fost explicate pentru prima dată în 1885 de Lord Rayleigh , care a descris modul de propagare acustică de suprafață și și-a prezis proprietățile în lucrarea sa clasică. Denumite după descoperitorul lor, undele Rayleigh au o componentă de forfecare longitudinală și verticală care se pot cupla cu orice mediu, cum ar fi straturi suplimentare în contact cu suprafața. Această cuplare afectează puternic amplitudinea și viteza undei, permițând senzorilor SAW să simtă direct masa și proprietățile mecanice.
Dispozitive SAW
Dispozitivele cu unde acustice de suprafață oferă o gamă largă de aplicații cu utilizarea sistemului electronic, inclusiv linii de întârziere , filtre, corelatoare și convertoare DC-DC . Posibilitățile acestor dispozitive SAW ar putea oferi câmp potențial în sistemul radar, sistemele de comunicații.
Aplicare în componente electronice
Acest tip de undă este utilizat în mod obișnuit în dispozitivele numite dispozitive SAW din circuitele electronice . Dispozitivele SAW sunt utilizate ca filtre , oscilatoare și transformatoare , dispozitive care se bazează pe transducția undelor acustice. Transducția de la energie electrică la energie mecanică (sub formă de SAW) se realizează prin utilizarea de materiale piezoelectrice .
Dispozitivele electronice care folosesc ferastraie utilizează în mod normal unul sau mai multe traductoare interdigitale (IDTs) pentru a converti undele acustice în semnale electrice și invers , prin exploatarea efectului piezoelectric al anumitor materiale , cum ar fi cuarț , litiu niobat , litiu tantalate , lantan galiu silicat etc. Aceste dispozitive sunt fabricate prin curățarea substratului / tratamente precum lustruirea, metalizarea, fotolitografia și fabricarea straturilor de pasivare / protecție (dielectric). Acestea sunt etape tipice de proces utilizate în fabricarea semiconductoarelor precum circuitele integrate din siliciu .
Toate părțile dispozitivului (substrat, suprafața acestuia, tipul materialului de metalizare, grosimea metalizării, marginile sale formate prin fotolitografie, straturi - cum ar fi pasivarea care acoperă metalizarea) au efect asupra performanței dispozitivelor SAW, deoarece propagarea undelor Rayleigh este foarte dependentă pe suprafața materialului substratului, calitatea acestuia și toate straturile în contact cu substratul. De exemplu, în filtrele SAW, frecvența de eșantionare depinde de lățimea degetelor IDT, capacitatea de manipulare a puterii este legată de grosimea și materialele degetelor IDT, iar stabilitatea temperaturii depinde nu numai de comportamentul la temperatură al substratului, ci și de pe metalele selectate pentru electrozii IDT și straturile dielectrice posibile care acoperă substratul și electrozii.
Filtrele SAW sunt acum utilizate în telefoanele mobile și oferă avantaje tehnice în ceea ce privește performanța, costul și dimensiunea față de alte tehnologii de filtrare, cum ar fi cristalele de cuarț (bazate pe unde în vrac), filtrele LC și filtrele de ghidare a undelor, în mod specific la frecvențe sub 1,5-2,5 GHz, în funcție de puterea RF necesară filtrării. Tehnologia complementară la SAW pentru frecvențe peste 1,5-2,5 GHz se bazează pe rezonatoare acustice în vrac cu film subțire (TFBAR sau FBAR).
S-au făcut multe cercetări în ultimii 20 de ani în domeniul senzorilor de undă acustică de suprafață . Aplicațiile senzorilor includ toate domeniile de detectare (cum ar fi chimice, optice, termice, presiune , accelerație , cuplu și biologice). Senzorii SAW au înregistrat până acum un succes comercial relativ modest, dar sunt de obicei disponibili comercial pentru unele aplicații, cum ar fi afișajele cu ecran tactil .
Aplicații de dispozitive SAW în radio și televiziune
Rezonatoarele SAW sunt utilizate în multe dintre aceleași aplicații în care sunt utilizate cristale de cuarț , deoarece pot funcționa la o frecvență mai mare. Acestea sunt adesea utilizate în emițătoare radio unde tunabilitatea nu este necesară. Acestea sunt adesea folosite în aplicații cum ar fi telecomenzile deschizătorului ușii de garaj , legăturile de frecvență radio cu rază scurtă de acces la perifericele computerului și alte dispozitive în care canalizarea nu este necesară. În cazul în care o legătură radio ar putea folosi mai multe canale, oscilatoarele cu cristale de cuarț sunt mai frecvent utilizate pentru a conduce o buclă blocată în fază . Deoarece frecvența de rezonanță a unui dispozitiv SAW este stabilită de proprietățile mecanice ale cristalului, acesta nu derivă la fel de mult ca un simplu oscilator LC, unde condiții precum performanța condensatorului și tensiunea bateriei vor varia substanțial în funcție de temperatură și vârstă.
Filtrele SAW sunt adesea folosite la receptoarele radio, deoarece pot avea benzi de trecere determinate și înguste. Acest lucru este util în aplicațiile în care o singură antenă trebuie partajată între un emițător și un receptor care funcționează la frecvențe distanțate. Filtrele SAW sunt de asemenea utilizate frecvent la receptoarele de televiziune , pentru extragerea subpurtătorilor din semnal; până la oprirea analogică , extragerea subpurtătorilor audio digitale de pe banda de frecvență intermediară a unui receptor de televiziune sau a unui video recorder a fost una dintre piețele principale pentru filtrele SAW.
Pionierul timpuriu Jeffery Collins a încorporat dispozitive de undă acustică de suprafață într-un receptor Skynet pe care l-a dezvoltat în anii 1970. A sincronizat semnalele mai repede decât tehnologia existentă.
Ele sunt, de asemenea, adesea utilizate în receptoarele digitale și sunt potrivite pentru aplicații superhet . Acest lucru se datorează faptului că semnalul de frecvență intermediară este întotdeauna la o frecvență fixă după ce oscilatorul local a fost amestecat cu semnalul primit, și astfel un filtru cu o frecvență fixă și Q ridicat oferă o eliminare excelentă a semnalelor nedorite sau de interferență.
În aceste aplicații, filtrele SAW sunt aproape întotdeauna utilizate cu un oscilator local sintetizat cu buclă blocată în fază sau cu un oscilator cu varicap .
SAW în geofizică
În seismologie , undele acustice de suprafață ar putea deveni cel mai distructiv tip de undă seismică produsă de cutremure , care se propagă în medii mai complexe, cum ar fi fundul oceanului, roci etc., astfel încât trebuie să fie observat și monitorizat de oameni pentru a proteja mediul de viață.
SAW în microfluidice
În ultimii ani, s-a atras atenția asupra utilizării SAW-urilor pentru a conduce acționarea microfluidică și o varietate de alte procese. Datorită nepotrivirii vitezelor sonore în substratul și fluidul SAW, SAW-urile pot fi transferate eficient în fluid, creând forțe inerțiale și viteze semnificative ale fluidului. Acest mecanism poate fi exploatat pentru a conduce acțiuni de fluid, cum ar fi pomparea , amestecarea și jetul . [8] Pentru a conduce aceste procese, există o schimbare a modului undei la interfața lichid-substrat. În substrat, unda SAW este o undă transversală și la intrarea în picătură unda devine o undă longitudinală . [9] Această undă longitudinală creează fluxul de fluid în picătura microfluidică, permițând amestecarea să aibă loc. Această tehnică poate fi utilizată ca alternativă la microcanale și microvalve pentru manipularea substraturilor, permițând un sistem deschis.
Acest mecanism a fost, de asemenea, utilizat în microfluidice pe bază de picături pentru manipularea picăturilor. În special, folosind SAW ca mecanism de acționare, picăturile au fost împinse spre două sau mai multe ieșiri pentru sortare. Mai mult decât atât, SAW-urile au fost utilizate pentru modularea dimensiunii picăturilor, divizarea, prinderea, penseta și pipetarea nanofluidică. Impactul picăturilor pe suprafețe plane și înclinate a fost manipulat și controlat folosind SAW.
PDMS ( polidimetilsiloxan ) este un material care poate fi utilizat pentru a crea microcanale și cipuri microfluidice. Are multe utilizări, inclusiv în experimente în care celulele vii urmează să fie testate sau procesate. Dacă organismele vii trebuie menținute în viață, este important să le monitorizăm și să le controlăm mediul, cum ar fi nivelurile de căldură și pH; cu toate acestea, dacă aceste elemente nu sunt reglate, celulele pot muri sau pot duce la reacții nedorite. S-a descoperit că PDMS absoarbe energia acustică, determinând încălzirea rapidă a PDMS (depășind 2000 Kelvin / secundă). Utilizarea SAW ca modalitate de încălzire a acestor dispozitive PDMS, împreună cu lichide în microcanale, este acum o tehnică care poate fi realizată într-un mod controlat, cu capacitatea de a manipula temperatura la 0,1 ° C.
SAW în măsurarea debitului
Undele acustice de suprafață pot fi utilizate pentru măsurarea debitului. SAW se bazează pe propagarea unui front de undă, care pare similar activităților seismice. Undele sunt generate la centrul de excitație și se întind de-a lungul suprafeței unui material solid. Un impuls electric îi induce să genereze SAW-uri care se propagă ca valurile unui cutremur . Interdigital traductor acționează ca expeditor și ca receptor . Când unul este în modul expeditor, cei mai îndepărtați doi acționează ca receptoare. SAW-urile se deplasează de-a lungul suprafeței tubului de măsurare, dar o porțiune se va cupla la lichid. Unghiul de decuplare depinde de lichid, respectiv de viteza de propagare a undei, specifică lichidului. Pe cealaltă parte a tubului de măsurare, porțiuni ale undei se vor cupla în tub și își vor continua drumul de-a lungul suprafeței sale până la următorul traductor interdigital. O altă porțiune va fi cuplată din nou și se deplasează înapoi către cealaltă parte a tubului de măsurare, unde efectul se repetă și traductorul de pe această parte detectează unda. Asta înseamnă că excitația oricărui traductor de aici va duce la o secvență de semnale de intrare pe alți doi traductori la distanță. Două dintre traductoare își trimit semnalele în direcția fluxului, două în cealaltă direcție.