Overflate akustisk bølge - Surface acoustic wave
En akustisk overflatebølge ( SAW ) er en akustisk bølge som beveger seg langs overflaten av et materiale som viser elastisitet , med en amplitude som vanligvis forfaller eksponensielt med dybden inn i materialet.
Oppdagelse
SAWs ble først forklart i 1885 av Lord Rayleigh , som beskrev den akustiske formen for forplantning på overflaten og spådde dens egenskaper i sitt klassiske papir. Rayleigh -bølgene er oppkalt etter oppdageren, og har en langsgående og en vertikal skjærkomponent som kan koble seg sammen med alle medier som flere lag i kontakt med overflaten. Denne koblingen påvirker bølgens amplitude og hastighet sterkt, slik at SAW -sensorer direkte kan registrere masse og mekaniske egenskaper.
SAW -enheter
Overflate akustiske bølgeenheter gir et bredt spekter av applikasjoner med bruk av elektronisk system, inkludert forsinkelseslinjer , filtre, korrelatorer og DC til DC-omformere . Mulighetene for denne SAW -enheten kan gi potensielle felt i radarsystem, kommunikasjonssystemer.
Søknad i elektroniske komponenter
Denne typen bølger brukes ofte i enheter som kalles SAW -enheter i elektroniske kretser . SAW -enheter brukes som filtre , oscillatorer og transformatorer , enheter som er basert på transduksjon av akustiske bølger. Transduksjonen fra elektrisk energi til mekanisk energi (i form av SAW) oppnås ved bruk av piezoelektriske materialer.
Elektroniske enheter som bruker SAW bruker vanligvis en eller flere interdigitale transdusere (IDT) for å konvertere akustiske bølger til elektriske signaler og omvendt ved å utnytte den piezoelektriske effekten av visse materialer , som kvarts , litiumniobat , litiumtantalat , lantan galliumsilikat , etc. Disse enhetene er produsert av substratrensing/behandlinger som polering, metallisering, fotolitografi og passivering/beskyttelse (dielektrisk) lagproduksjon. Dette er typiske prosesstrinn som brukes i produksjon av halvleder som silisiumintegrerte kretser .
Alle deler av enheten (underlag, overflate, metalliseringstype, metalliseringstykkelse, kantene dannet av fotolitografi, lag - som passiveringsbelegg, metallisering) påvirker ytelsen til SAW -enhetene fordi spredning av Rayleigh -bølger er sterkt avhengig på underlagets overflate, kvaliteten og alle lagene i kontakt med underlaget. For eksempel i SAW -filtre er samplingsfrekvensen avhengig av bredden på IDT -fingrene, evnen til effekthåndtering er relatert til tykkelsen og materialene til IDT -fingrene, og temperaturstabiliteten avhenger ikke bare av underlagets temperaturatferd, men også på metallene som er valgt for IDT -elektrodene og de mulige dielektriske lagene som dekker substratet og elektrodene.
SAW-filtre brukes nå i mobiltelefoner , og gir tekniske fordeler i ytelse, kostnader og størrelse i forhold til andre filterteknologier som kvartskrystaller (basert på bulkbølger), LC-filtre og bølgelederfiltre spesielt ved frekvenser under 1,5-2,5 GHz avhengig på RF -strømmen måtte filtreres. Komplementeringsteknologi til SAW for frekvenser over 1,5-2,5 GHz er basert på tynnfilms bulk akustiske resonatorer (TFBAR eller FBAR).
Mye forskning har blitt gjort de siste 20 årene på området akustiske bølgesensorer . Sensorapplikasjoner inkluderer alle områder av sensing (som kjemisk, optisk, termisk, trykk , akselerasjon , dreiemoment og biologisk). SAW -sensorer har sett relativt beskjedne kommersielle suksesser til dags dato, men er vanligvis kommersielt tilgjengelige for noen applikasjoner som berøringsskjerm .
SAW -apparatapplikasjoner i radio og fjernsyn
SAW -resonatorer brukes i mange av de samme applikasjonene der kvartskrystaller brukes, fordi de kan operere med høyere frekvens. De brukes ofte i radiosendere der avstemning ikke er nødvendig. De brukes ofte i applikasjoner som fjernkontroller for garasjeporter , kortdistanse radiofrekvensforbindelser for datamaskinutstyr og andre enheter der kanalisering ikke er nødvendig. Hvor en radiokobling kan bruke flere kanaler, brukes kvartskrystalloscillatorer oftere for å drive en faselåst sløyfe . Siden resonansfrekvensen til en SAW -enhet er satt av krystallets mekaniske egenskaper, driver den ikke så mye som en enkel LC -oscillator, der forhold som kondensatorytelse og batterispenning vil variere vesentlig med temperatur og alder.
SAW -filtre brukes også ofte i radiomottakere, ettersom de kan ha nøyaktig bestemte og smale passbånd. Dette er nyttig i applikasjoner der en enkelt antenne må deles mellom en sender og en mottaker som opererer på tett mellomrom. SAW -filtre brukes også ofte i fjernsynsmottakere for å trekke ut bærere fra signalet; inntil den analoge utkoblingen , var ekstraksjonen av digitale lydunderstellere fra mellomfrekvensstrimmelen til en TV -mottaker eller videoopptaker et av hovedmarkedene for SAW -filtre.
Tidlig pioner Jeffery Collins innlemmet akustiske bølgeenheter i overflaten i en Skynet -mottaker han utviklet på 1970 -tallet. Den synkroniserte signaler raskere enn eksisterende teknologi.
De brukes også ofte i digitale mottakere, og er godt egnet for superhet -applikasjoner. Dette er fordi mellomfrekvenssignalet alltid er på en fast frekvens etter at den lokale oscillatoren har blitt blandet med det mottatte signalet, og derfor gir et filter med en fast frekvens og høy Q utmerket fjerning av uønskede eller interferenssignaler.
I disse applikasjonene brukes SAW -filtre nesten alltid med en faselåst sløyfe syntetisert lokal oscillator, eller en varicap -drevet oscillator.
SAW i geofysikk
I seismologien kan akustiske bølger bli den mest ødeleggende typen seismisk bølge produsert av jordskjelv , som forplanter seg i mer komplekse medier, for eksempel havbunn, bergarter, etc.
SAW i mikrofluidikk
De siste årene har oppmerksomheten blitt trukket til bruk av SAW for å drive mikrofluidisk aktivering og en rekke andre prosesser. På grunn av feil tilpasning av lydhastigheter i SAW -substratet og væsken, kan SAWs effektivt overføres til væsken, noe som skaper betydelige treghetskrefter og væskehastigheter. Denne mekanismen kan utnyttes til å drive væskehandlinger som pumping , blanding og jetting . [8] For å drive disse prosessene er det en endring av bølgemodus ved væske-substratgrensesnittet. I substratet er SAW -bølgen en tverrgående bølge, og når den kommer inn i dråpen blir bølgen til en langsgående bølge . [9] Det er denne langsgående bølgen som skaper strømmen av væske i mikrofluiddråpen, slik at blanding kan finne sted. Denne teknikken kan brukes som et alternativ til mikrokanaler og mikroventiler for manipulering av underlag, noe som åpner for et åpent system.
Denne mekanismen har også blitt brukt i dråpe-baserte mikrofluidika for dråpemanipulering. Spesielt ved å bruke SAW som en aktiveringsmekanisme, ble dråper presset mot to eller flere utsalgssteder for sortering. Videre ble SAWs brukt til dråpestørrelsesmodulering, splitting, fangst, tweezing og nanofluidisk pipettering. Dråpepåvirkning på flate og skrånende overflater har blitt manipulert og kontrollert ved bruk av SAW.
PDMS ( polydimethylsiloxane ) er et materiale som kan brukes til å lage mikrokanaler og mikrofluidiske chips. Den har mange bruksområder, blant annet i eksperimenter der levende celler skal testes eller behandles. Hvis levende organismer må holdes i live, er det viktig å overvåke og kontrollere miljøet, for eksempel varme og pH -nivåer; Men hvis disse elementene ikke er regulert, kan cellene dø eller det kan føre til uønskede reaksjoner. PDMS har funnet å absorbere akustisk energi, noe som får PDMS til å varme opp raskt (over 2000 Kelvin/sekund). Bruken av SAW som en måte å varme opp disse PDMS -enhetene, sammen med væsker inne i mikrokanaler, er nå en teknikk som kan utføres på en kontrollert måte med evnen til å manipulere temperaturen til innenfor 0,1 ° C.
SAW i strømningsmåling
Akustiske bølger på overflaten kan brukes til strømningsmåling. SAW er avhengig av forplantning av en bølgefront, som ligner på seismiske aktiviteter. Bølgene genereres ved eksitasjonssenteret og spres utover overflaten av et fast materiale. En elektrisk puls får dem til å generere SAWer som forplanter seg som bølgene til et jordskjelv . Interdigital transduser fungerer som sender og som mottaker . Når en er i avsendermodus, fungerer de to fjerneste som mottakere. SAW -ene går langs overflaten av målerøret, men en del vil koble seg ut til væsken. Frakoblingsvinkelen avhenger av væsken henholdsvis forplantningshastigheten til bølgen som er spesifikk for væsken. På den andre siden av målerøret vil deler av bølgen koble seg inn i røret og fortsette veien langs overflaten til den neste interdigitale transduseren. En annen del kobles ut igjen og beveger seg tilbake til den andre siden av målerøret der effekten gjentar seg og transduseren på denne siden oppdager bølgen. Det betyr at eksitasjon av en transduser her vil føre til en sekvens av inngangssignaler på to andre transdusere i det fjerne. To av transduserne sender signalene sine i strømningsretningen, to i den andre retningen.