Powierzchniowa fala akustyczna - Surface acoustic wave
Powierzchniowych fal akustycznych ( SAW ) jest fala akustyczna przemieszcza się wzdłuż powierzchni materiału wykazującego sprężystość , z amplitudą , która rozpada się wykładniczo zazwyczaj z głębokością w materiale.
Odkrycie
SAW zostały po raz pierwszy wyjaśnione w 1885 roku przez Lorda Rayleigha , który opisał sposób propagacji powierzchni akustycznej i przewidział jego właściwości w swoim klasycznym artykule. Nazwane na cześć ich odkrywcy, fale Rayleigha mają podłużną i pionową składową ścinania, która może łączyć się z dowolnymi ośrodkami, takimi jak dodatkowe warstwy w kontakcie z powierzchnią. To sprzężenie silnie wpływa na amplitudę i prędkość fali, umożliwiając czujnikom SAW bezpośrednią detekcję masy i właściwości mechanicznych.
Urządzenia PIŁY
Urządzenia powierzchniowej fali akustycznej zapewniają szeroki zakres zastosowań z wykorzystaniem układu elektronicznego, w tym linii opóźniających , filtrów, korelatorów i przetworników DC-DC . Możliwości tych urządzeń SAW mogłyby zapewnić potencjalne pole w systemie radarowym, systemach łączności.
Zastosowanie w komponentach elektronicznych
Ten rodzaj fali jest powszechnie stosowany w urządzeniach zwanych urządzeniami SAW w obwodach elektronicznych . Urządzenia SAW wykorzystywane są jako filtry , oscylatory i transformatory , urządzenia oparte na transdukcji fal akustycznych. Przekształcenie energii elektrycznej w energię mechaniczną (w postaci SAW) odbywa się za pomocą materiałów piezoelektrycznych .
Urządzenia elektroniczne wykorzystujące Piły normalnie wykorzystywać jedną lub więcej międzypalcowa przetworniki (IDTs) do przetwarzają fale akustyczne sygnałów elektrycznych i na odwrót, przez wykorzystanie efektu piezoelektrycznego niektórych materiałów , takich jak kwarc , litu niobianu , litu tantalan , lantan galu krzemianu itd Urządzenia te są wytwarzane przez czyszczenie/obróbkę podłoża, taką jak polerowanie, metalizacja, fotolitografia i wytwarzanie warstw pasywacyjnych/ochronnych (dielektrycznych). Są to typowe etapy procesu stosowane w produkcji półprzewodnikowych, takich jak krzemowe układy scalone .
Wszystkie części urządzenia (podłoże, jego powierzchnia, rodzaj materiału metalizacji, grubość metalizacji, jego krawędzie utworzone przez fotolitografię, warstwy - jak pasywacja pokrywająca metalizację) mają wpływ na wydajność urządzeń SAW, ponieważ propagacja fal Rayleigha jest silnie zależna na powierzchni materiału podłoża, jego jakości i wszystkich warstwach mających kontakt z podłożem. Na przykład w filtrach SAW częstotliwość próbkowania zależy od szerokości palców IDT, zdolność przenoszenia mocy jest powiązana z grubością i materiałami palców IDT, a stabilność temperatury zależy nie tylko od temperatury podłoża, ale także na metalach wybranych na elektrody IDT i ewentualnych warstwach dielektrycznych pokrywających podłoże i elektrody.
Filtry SAW są obecnie stosowane w telefonach komórkowych i zapewniają przewagę techniczną pod względem wydajności, kosztów i rozmiaru w porównaniu z innymi technologiami filtrowania, takimi jak kryształy kwarcu (oparte na falach masowych), filtry LC i filtry falowodowe, szczególnie przy częstotliwościach poniżej 1,5-2,5 GHz w zależności od na mocy RF, którą należy przefiltrować. Technologia uzupełniająca SAW dla częstotliwości powyżej 1,5-2,5 GHz oparta jest na cienkowarstwowych rezonatorach akustycznych (TFBAR lub FBAR).
W ciągu ostatnich 20 lat przeprowadzono wiele badań w obszarze czujników powierzchniowych fal akustycznych . Zastosowania czujników obejmują wszystkie obszary wykrywania (takie jak chemiczne, optyczne, termiczne, ciśnienia , przyspieszenia , momentu obrotowego i biologiczne). Czujniki SAW odniosły do tej pory stosunkowo niewielki sukces komercyjny, ale są powszechnie dostępne w niektórych zastosowaniach, takich jak ekrany dotykowe .
Zastosowania urządzenia SAW w radiu i telewizji
Rezonatory SAW są używane w wielu tych samych zastosowaniach, w których wykorzystywane są kryształy kwarcu , ponieważ mogą działać z wyższą częstotliwością. Są często używane w nadajnikach radiowych, gdzie nie jest wymagana przestrajanie. Są często używane w aplikacjach, takich jak piloty do otwierania drzwi garażowych , łącza radiowe krótkiego zasięgu do komputerowych urządzeń peryferyjnych i innych urządzeń, w których nie jest wymagana kanałowość . Tam, gdzie łącze radiowe może wykorzystywać kilka kanałów, do sterowania pętlą synchronizacji fazowej częściej stosuje się oscylatory kwarcowe . Ponieważ częstotliwość rezonansowa urządzenia SAW jest ustalana przez mechaniczne właściwości kryształu, nie dryfuje on tak bardzo, jak prosty oscylator LC, w którym warunki, takie jak wydajność kondensatora i napięcie akumulatora, będą się znacznie różnić w zależności od temperatury i wieku.
Filtry SAW są również często stosowane w odbiornikach radiowych, ponieważ mogą mieć precyzyjnie określone i wąskie pasma przepuszczania. Jest to pomocne w zastosowaniach, w których pojedyncza antena musi być współdzielona między nadajnikiem a odbiornikiem działającym na blisko siebie oddalonych częstotliwościach. Filtry SAW są również często używane w odbiornikach telewizyjnych do wyodrębniania podnośnych z sygnału; aż do wyłączenia analogowego , ekstrakcja cyfrowych podnośnych audio z pasma częstotliwości pośredniej odbiornika telewizyjnego lub magnetowidu była jednym z głównych rynków zbytu filtrów SAW.
Wczesny pionier, Jeffery Collins, włączył urządzenia do powierzchniowych fal akustycznych w odbiorniku Skynet , który opracował w latach 70. XX wieku. Synchronizuje sygnały szybciej niż istniejąca technologia.
Są również często używane w odbiornikach cyfrowych i dobrze nadają się do zastosowań superhet . Dzieje się tak, ponieważ sygnał o częstotliwości pośredniej ma zawsze stałą częstotliwość po zmieszaniu lokalnego oscylatora z odebranym sygnałem, a więc filtr o stałej częstotliwości i wysokim współczynniku Q zapewnia doskonałe usuwanie niechcianych lub zakłócających sygnałów.
W tych zastosowaniach filtry SAW są prawie zawsze używane z oscylatorem lokalnym zsyntetyzowanym w pętli fazowej lub oscylatorem sterowanym varicapem .
SAW w geofizyce
W sejsmologii powierzchniowe fale akustyczne mogą stać się najbardziej destrukcyjnym typem fali sejsmicznej wytwarzanej przez trzęsienia ziemi , która rozchodzi się w bardziej złożonych ośrodkach, takich jak dno oceanu, skały itp., dlatego musi być zauważona i monitorowana przez ludzi w celu ochrony środowiska.
PIŁA w mikroprzepływach
W ostatnich latach zwrócono uwagę na wykorzystanie SAW do sterowania mikroprzepływami i różnymi innymi procesami. Ze względu na niedopasowanie prędkości dźwięku w podłożu SAW i płynie, SAW mogą być skutecznie przenoszone do płynu, tworząc znaczne siły bezwładności i prędkości płynu. Mechanizm ten można wykorzystać do kierowania czynnościami płynów, takimi jak pompowanie , mieszanie i rozpylanie . [8] Aby sterować tymi procesami, następuje zmiana modu fali na granicy faz ciecz-podłoże. W podłożu fala SAW jest falą poprzeczną, a po wejściu do kropli fala staje się falą podłużną . [9] To właśnie ta podłużna fala powoduje przepływ płynu w mikrocieczowej kropelce, umożliwiając zachodzenie mieszania. Ta technika może być stosowana jako alternatywa dla mikrokanalików i mikrozaworów do manipulacji substratami, umożliwiając system otwarty.
Mechanizm ten został również wykorzystany w mikroprzepływach opartych na kroplach do manipulacji kroplami. Warto zauważyć, że wykorzystując SAW jako mechanizm uruchamiający, kropelki były popychane w kierunku dwóch lub więcej wylotów w celu sortowania. Ponadto SAW były wykorzystywane do modulacji wielkości kropel, rozdzielania, wychwytywania, pęsetowania i pipetowania nanocieczowego. Wpływ kropel na płaskie i pochyłe powierzchnie manipulowano i kontrolowano za pomocą SAW.
PDMS ( polidimetylosiloksan ) to materiał, który można wykorzystać do tworzenia mikrokanalików i chipów mikroprzepływowych. Ma wiele zastosowań, m.in. w eksperymentach, w których bada się lub przetwarza żywe komórki. Jeśli żywe organizmy muszą być utrzymywane przy życiu, ważne jest monitorowanie i kontrolowanie ich środowiska, takiego jak poziom ciepła i pH; Jeśli jednak te elementy nie zostaną uregulowane, komórki mogą obumrzeć lub wywołać niepożądane reakcje. Stwierdzono, że PDMS absorbuje energię akustyczną, powodując szybkie nagrzewanie się PDMS (przekraczające 2000 Kelwinów na sekundę). Wykorzystanie SAW jako sposobu podgrzewania tych urządzeń PDMS, wraz z płynami w mikrokanalikach, jest obecnie techniką, którą można wykonywać w sposób kontrolowany z możliwością manipulowania temperaturą z dokładnością do 0,1°C.
SAW w pomiarze przepływu
Powierzchniowe fale akustyczne mogą być wykorzystywane do pomiaru przepływu. SAW opiera się na propagacji czoła fali, która wydaje się podobna do aktywności sejsmicznej. Fale są generowane w centrum wzbudzenia i rozchodzą się po powierzchni materiału stałego. Impuls elektryczny pobudza je do generowania SAW, które rozchodzą się jak fale trzęsienia ziemi . Przetwornik międzycyfrowy pełni rolę nadawcy i odbiorcy . Gdy jeden jest w trybie nadawcy, dwa najbardziej odległe działają jako odbiorcy. Piły poruszają się po powierzchni rurki pomiarowej, ale część przedostanie się do cieczy. Kąt odsprzęgania zależy od cieczy lub od prędkości propagacji fali, która jest specyficzna dla cieczy. Po drugiej stronie rurki pomiarowej fragmenty fali sprzęgają się z rurką i kontynuują swoją drogę wzdłuż jej powierzchni do następnego przetwornika międzypalcowego. Kolejna część zostanie ponownie sprzęgnięta i wróci na drugą stronę rury pomiarowej, gdzie efekt się powtarza, a przetwornik po tej stronie wykrywa falę. Oznacza to, że wzbudzenie dowolnego przetwornika w tym miejscu doprowadzi do sekwencji sygnałów wejściowych na dwóch innych przetwornikach w oddali. Dwa z przetworników wysyłają swoje sygnały w kierunku przepływu, dwa w przeciwnym kierunku.