Overflade akustisk bølge - Surface acoustic wave
En overfladeakustisk bølge ( SAW ) er en akustisk bølge, der bevæger sig langs overfladen af et materiale, der udviser elasticitet , med en amplitude, der typisk henfalder eksponentielt med dybden ind i materialet.
Opdagelse
SAW'er blev først forklaret i 1885 af Lord Rayleigh , som beskrev den akustiske former for overfladeformering og forudsagde dens egenskaber i sit klassiske papir. Opkaldt efter deres opdager, Rayleigh -bølger har en langsgående og en lodret forskydningskomponent, der kan kobles med ethvert medie som yderligere lag i kontakt med overfladen. Denne kobling påvirker i høj grad amplituden og hastigheden af bølgen, så SAW -sensorer direkte kan registrere masse og mekaniske egenskaber.
SAW -enheder
Overfladeakustiske bølgeenheder giver en bred vifte af applikationer med brug af elektronisk system, herunder forsinkelseslinjer , filtre, korrelatorer og DC til DC-omformere . Mulighederne for denne SAW -enhed kan give et potentielt felt i radarsystem, kommunikationssystemer.
Anvendelse i elektroniske komponenter
Denne form for bølge bruges almindeligvis i enheder kaldet SAW -enheder i elektroniske kredsløb . SAW -enheder bruges som filtre , oscillatorer og transformatorer , enheder, der er baseret på transduktion af akustiske bølger. Transduktionen fra elektrisk energi til mekanisk energi (i form af SAW'er) opnås ved brug af piezoelektriske materialer.
Elektroniske apparater, der anvender SAW'er, bruger normalt en eller flere interdigitale transducere (IDT'er) til at konvertere akustiske bølger til elektriske signaler og omvendt ved at udnytte den piezoelektriske effekt af visse materialer , såsom kvarts , lithiumniobat , lithiumtantalat , lanthan galliumsilicat , etc. Disse enheder er fremstillet ved substratrensning/behandlinger som polering, metallisering, fotolitografi og passivering/beskyttelse (dielektrisk) lagfremstilling. Dette er typiske procestrin, der bruges til fremstilling af halvleder som silicium integrerede kredsløb .
Alle dele af enheden (substrat, dets overflade, metalliseringsmaterialetype, tykkelse af metallisering, dets kanter dannet ved fotolitografi, lag - som passiveringsbelægning af metalliseringen) har indvirkning på SAW -anordningernes ydeevne, fordi udbredelse af Rayleigh -bølger er stærkt afhængig på substratmaterialoverfladen, dens kvalitet og alle lag i kontakt med substratet. For eksempel i SAW -filtre er prøvetagningsfrekvensen afhængig af bredden af IDT -fingrene, kapaciteten til effekthåndtering er relateret til IDT -fingrenes tykkelse og materialer, og temperaturstabiliteten afhænger ikke kun af substratets temperaturadfærd, men også på de metaller, der er valgt til IDT -elektroderne, og de mulige dielektriske lag, der dækker substratet og elektroderne.
SAW-filtre bruges nu i mobiltelefoner og giver tekniske fordele i ydeevne, pris og størrelse i forhold til andre filterteknologier såsom kvartskrystaller (baseret på bulkbølger), LC-filtre og bølgelederfiltre specifikt ved frekvenser under 1,5-2,5 GHz afhængigt på RF -strømmen skulle filtreres. Supplerende teknologi til SAW for frekvenser over 1,5-2,5 GHz er baseret på tyndfilms bulk akustiske resonatorer (TFBAR eller FBAR).
Meget forskning er blevet foretaget i de sidste 20 år inden for overfladeakustiske bølgesensorer . Sensorapplikationer omfatter alle områder af sensing (såsom kemisk, optisk, termisk, tryk , acceleration , drejningsmoment og biologisk). SAW -sensorer har hidtil set en relativt beskeden kommerciel succes, men er almindeligvis kommercielt tilgængelige til nogle applikationer, f.eks. Berøringsskærme .
SAW -enhedsapplikationer i radio og fjernsyn
SAW -resonatorer bruges i mange af de samme applikationer, hvor kvartskrystaller bruges, fordi de kan fungere ved højere frekvens. De bruges ofte i radiosendere, hvor afstemning ikke er påkrævet. De bruges ofte i applikationer såsom fjernbetjeninger til garageporteåbnere , radiofrekvensforbindelser med kort rækkevidde til computerudstyr og andre enheder, hvor kanalisering ikke er påkrævet. Hvor et radioforbindelse kan bruge flere kanaler, bruges kvartskrystaloscillatorer mere almindeligt til at drive en faselåst sløjfe . Da resonansfrekvensen for en SAW -enhed er indstillet af krystalets mekaniske egenskaber, driver den ikke så meget som en simpel LC -oscillator, hvor forhold som kondensatorydelse og batterispænding vil variere betydeligt med temperatur og alder.
SAW -filtre bruges også ofte i radiomodtagere, da de kan have præcist bestemte og snævre passbånd. Dette er nyttigt i applikationer, hvor en enkelt antenne skal deles mellem en sender og en modtager, der arbejder med frekvenser med tæt afstand. SAW -filtre bruges også hyppigt i fjernsynsmodtagere til at udtrække underbærere fra signalet; indtil den analoge afbrydelse var udtrækningen af digitale lydunderbærebånd fra mellemfrekvensstrimlen på en fjernsynsmodtager eller videooptager et af hovedmarkederne for SAW -filtre.
Tidlig pioner Jeffery Collins inkorporerede akustiske overfladebølger i en Skynet -modtager, han udviklede i 1970'erne. Det synkroniserede signaler hurtigere end eksisterende teknologi.
De bruges også ofte i digitale modtagere og er velegnede til superhet -applikationer. Dette skyldes, at mellemfrekvenssignalet altid er på en fast frekvens, efter at den lokale oscillator er blevet blandet med det modtagne signal, og derfor giver et filter med en fast frekvens og høj Q fremragende fjernelse af uønskede signaler eller interferenssignaler.
I disse applikationer bruges SAW -filtre næsten altid med en faselåst sløjfe syntetiseret lokal oscillator eller en varicap -drevet oscillator.
SAW i geofysik
I seismologi kan overfladeakustiske bølger blive den mest destruktive type seismisk bølge, der produceres af jordskælv , som formerer sig i mere komplekse medier, såsom havbund, sten osv., Så det skal bemærkes og overvåges af mennesker for at beskytte livsmiljøet.
SAW i mikrofluidik
I de senere år er der blevet gjort opmærksom på at bruge SAW'er til at drive mikrofluidaktivering og en række andre processer. På grund af uoverensstemmelse mellem lydhastigheder i SAW -substratet og væsken kan SAW'er effektivt overføres til væsken, hvilket skaber betydelige inertiekræfter og væskehastigheder. Denne mekanisme kan udnyttes til at drive væskehandlinger såsom pumpning , blanding og sprøjtning . [8] For at drive disse processer er der en ændring af bølgemodus ved væske-substrat-grænsefladen. I substratet er SAW -bølgen en tværbølge, og når den kommer ind i dråben, bliver bølgen til en langsgående bølge . [9] Det er denne langsgående bølge, der skaber strømmen af væske inden i den mikrofluidiske dråbe, så blanding kan finde sted. Denne teknik kan bruges som et alternativ til mikrokanaler og mikroventiler til manipulation af substrater, hvilket giver mulighed for et åbent system.
Denne mekanisme er også blevet brugt i dråbe-baserede mikrofluidika til manipulation af dråber. Især ved at bruge SAW som en aktiveringsmekanisme blev dråber skubbet mod to eller flere afsætningsmuligheder til sortering. Desuden blev SAW'er brugt til dråbestørrelsesmodulering, spaltning, fangst, pincet og nanofluidisk pipettering. Dråbeslag på flade og skrå overflader er blevet manipuleret og kontrolleret ved hjælp af SAW.
PDMS ( polydimethylsiloxan ) er et materiale, der kan bruges til at oprette mikrokanaler og mikrofluidiske chips. Det har mange anvendelser, herunder i forsøg, hvor levende celler skal testes eller behandles. Hvis levende organismer skal holdes i live, er det vigtigt at overvåge og kontrollere deres miljø, såsom varme og pH -niveauer; men hvis disse elementer ikke er reguleret, kan cellerne dø, eller det kan resultere i uønskede reaktioner. PDMS har vist sig at absorbere akustisk energi, hvilket får PDMS til hurtigt at varme op (over 2000 Kelvin/sekund). Brugen af SAW som en måde at opvarme disse PDMS -enheder på sammen med væsker inde i mikrokanaler er nu en teknik, der kan udføres på en kontrolleret måde med evnen til at manipulere temperaturen til inden for 0,1 ° C.
SAW i flowmåling
Overfladeakustiske bølger kan bruges til flowmåling. SAW er afhængig af spredning af en bølgefront, der ligner seismiske aktiviteter. Bølgerne genereres ved excitationscentret og spredes langs overfladen af et fast materiale. En elektrisk puls får dem til at generere SAW'er, der formerer sig som et jordskælvs bølger . Interdigital transducer fungerer som afsender og som modtager . Når man er i afsendertilstand, fungerer de to fjerneste som modtagere. SAW'erne bevæger sig langs målerørets overflade, men en del kobles ud til væsken. Frakoblingsvinklen afhænger af henholdsvis væsken udbredelseshastighed af den bølge, der er specifik for væsken. På den anden side af målerøret vil dele af bølgen koble sig ind i røret og fortsætte deres vej langs dens overflade til den næste interdigital transducer. En anden del vil blive koblet ud igen og bevæger sig tilbage til den anden side af målerøret, hvor effekten gentager sig, og transduceren på denne side registrerer bølgen. Det betyder, at excitation af en hvilken som helst transducer her vil føre til en sekvens af indgangssignaler på to andre transducere i afstanden. To af transducerne sender deres signaler i strømningsretningen, to i den anden retning.