Felületi akusztikai hullám - Surface acoustic wave
A felszíni akusztikus hullám ( SAW ) olyan akusztikus hullám , amely rugalmassággal rendelkező anyag felszínén halad , és amelynek amplitúdója jellemzően exponenciálisan csökken az anyag mélységével.
Felfedezés
A SAW -okat először 1885 -ben magyarázta Lord Rayleigh , aki klasszikus dolgozatában leírta a felszíni akusztikus terjedési módot, és megjósolta annak tulajdonságait. Elnevezett felfedezője, Rayleigh hullámok egy hosszanti és egy függőleges nyírási összetevő, amely pár minden média, mint a további rétegek érintkezik a felülettel. Ez a csatolás erősen befolyásolja a hullám amplitúdóját és sebességét, lehetővé téve a SAW érzékelők számára a tömeg és a mechanikai tulajdonságok közvetlen érzékelését.
SAW eszközök
A felszíni akusztikus hullámberendezések széles körű alkalmazásokat kínálnak elektronikus rendszer használatával, beleértve a késleltető vezetékeket , szűrőket, korrelátorokat és DC-DC átalakítókat . Ezeknek a SAW -eszközöknek a lehetőségei potenciális mezőt nyújthatnak a radarrendszerekben, kommunikációs rendszerekben.
Alkalmazás elektronikus alkatrészekben
Ezt a fajta hullámot általában az elektromos áramkörökben SAW -eszközöknek nevezett eszközökben használják . A SAW -eszközöket szűrőként , oszcillátorként és transzformátorként használják, amelyek akusztikus hullámok átvitelén alapulnak . Az elektromos energiából a mechanikai energiába történő átvitel (SAW -k formájában) piezoelektromos anyagok felhasználásával valósul meg .
A SAW -kat használó elektronikus eszközök általában egy vagy több interdigital jeladót (IDT) használnak az akusztikus hullámok elektromos jelekké alakítására, és fordítva, bizonyos anyagok , például kvarc , lítium -niobát , lítium -tantalat , lantán -gallium -szilikát stb. Piezoelektromos hatásának kihasználásával . szubsztrát tisztítással/kezeléssel, például polírozással, fémezéssel, fotolitográfiával és passziválás/védő (dielektromos) réteggyártással készülnek . Ezek tipikus eljárási lépések a félvezetőhöz hasonló szilícium integrált áramkörök gyártásában .
A készülék minden része (aljzat, felülete, fémezőanyag típusa, fémesedés vastagsága, élei fotolitográfiával képződnek, rétegek - mint a fémesítés bevonata) - hatással vannak a SAW eszközök teljesítményére, mivel a Rayleigh hullámok terjedése nagymértékben függ a hordozóanyag felületére, annak minőségére és az aljzatgal érintkező minden rétegre. Például a SAW szűrőkben a mintavételi gyakoriság az IDT ujjak szélességétől függ, a teljesítménykezelési képesség az IDT ujjak vastagságától és anyagaitól függ, és a hőmérsékleti stabilitás nemcsak az aljzat hőmérsékleti viselkedésétől függ, hanem az IDT elektródákhoz kiválasztott fémeken és az aljzatot és az elektródákat bevonó lehetséges dielektromos rétegekben.
A SAW szűrőket ma már mobiltelefonokban is használják , és technikai előnyöket nyújtanak teljesítményükben, költségükben és méretükben más szűrőtechnológiákkal szemben, mint például a kvarckristályok (tömeges hullámok alapján), az LC szűrők és a hullámvezető szűrők, kifejezetten 1,5-2,5 GHz alatti frekvenciákon az RF teljesítményen szűrni kell. Az 1,5-2,5 GHz feletti frekvenciákhoz a SAW-t kiegészítő technológia vékonyrétegű, ömlesztett akusztikus rezonátorokon (TFBAR vagy FBAR) alapul.
Az elmúlt 20 évben sok kutatás történt a felszíni akusztikus hullámérzékelők területén . Az érzékelőalkalmazások az érzékelés minden területét tartalmazzák (például kémiai, optikai, termikus, nyomás , gyorsulás , nyomaték és biológiai). A SAW érzékelők a mai napig viszonylag szerény kereskedelmi sikereket értek el, de általában kereskedelmi forgalomban kaphatók egyes alkalmazásokhoz, például az érintőképernyős kijelzőkhöz.
SAW -eszközök alkalmazása rádióban és televízióban
A SAW rezonátorokat ugyanabban az alkalmazásban használják, ahol kvarckristályokat használnak, mert magasabb frekvencián működhetnek. Gyakran használják rádióadókban, ahol nincs szükség hangolhatóságra. Gyakran használják olyan alkalmazásokban, mint a garázskapu -nyitó távirányítók, a számítógépek perifériáinak rövid hatótávolságú rádiófrekvenciás kapcsolatai és más eszközök, ahol nincs szükség csatornázásra . Ahol egy rádiókapcsolat több csatornát is használhat, a kvarckristályos oszcillátorokat gyakrabban használják fáziszárolt hurok meghajtására . Mivel a SAW eszköz rezonanciafrekvenciáját a kristály mechanikai tulajdonságai határozzák meg, nem sodródik annyira, mint egy egyszerű LC oszcillátor, ahol olyan körülmények, mint a kondenzátor teljesítménye és az akkumulátor feszültsége lényegesen változnak a hőmérséklettől és az életkortól függően.
A SAW szűrőket gyakran használják a rádióvevőkben is, mivel pontosan meghatározott és keskeny átviteli sávokkal rendelkezhetnek. Ez hasznos azokban az alkalmazásokban, ahol egyetlen antennát kell megosztani az adó és a vevőegység között, amelyek egymáshoz közeli frekvenciákon működnek. A SAW szűrőket gyakran használják a televíziós vevőkészülékekben is, hogy kivonják az alvivőket a jelből; az analóg lekapcsolásig a digitális audio alhordozók kinyerése a televíziókészülék vagy videofelvevő közbenső frekvenciasávjáról a SAW szűrők egyik fő piaca volt.
A korai úttörő, Jeffery Collins beépítette a felszíni akusztikus hullámú eszközöket az 1970 -es években kifejlesztett Skynet vevőkészülékbe. Gyorsabban szinkronizálja a jeleket, mint a meglévő technológia.
Gyakran használják digitális vevőkészülékekben is, és kiválóan alkalmasak szuper alkalmazásokhoz. Ennek oka az, hogy a közbenső frekvencia jel mindig rögzített frekvencián van, miután a helyi oszcillátort összekeverik a vett jellel, és így egy fix frekvenciájú és magas Q szűrő kiválóan eltávolítja a nem kívánt vagy interferencia jeleket.
Ezekben az alkalmazásokban a SAW szűrőket szinte mindig fáziszárolt hurok szintetizált helyi oszcillátorral vagy varicap hajtású oszcillátorral használják.
SAW a geofizikában
A szeizmológiában a felszíni akusztikus hullámok válhatnak a földrengések által előidézett szeizmikus hullámok legpusztítóbb típusává , amelyek bonyolultabb közegekben terjednek, például óceánfenéken, sziklákban stb.
SAW a mikrofluidikában
Az elmúlt években felhívták a figyelmet a SAW -k használatára a mikrofluidikus működtetéshez és számos más folyamathoz. A SAW hordozó és a folyadék hangsebességeinek eltérése miatt a SAW -k hatékonyan átvihetők a folyadékba, jelentős tehetetlenségi erőket és folyadéksebességeket hozva létre. Ez a mechanizmus kihasználható olyan folyadékműveletek hajtására, mint például szivattyúzás , keverés és vízsugár . [8] Ezeknek a folyamatoknak a meghajtásához a folyadék-szubsztrát határfelületen változik a hullám üzemmódja. Az aljzatban a SAW hullám keresztirányú hullám, és a cseppbe való belépéskor a hullám hosszirányú hullámmá válik . [9] Ez a hosszanti hullám az, ami a folyadék áramlását hozza létre a mikrofluidikus cseppben, lehetővé téve a keverést. Ez a technika a mikrocsatornák és a mikroszelepek alternatívájaként használható az aljzatok kezelésére, lehetővé téve a nyitott rendszert.
Ezt a mechanizmust csepp-alapú mikrofluidikában is alkalmazták cseppmanipulációra. Nevezetesen, a SAW -t működtető mechanizmusként használva a cseppeket két vagy több kilépőnyílás felé tolták a válogatáshoz. Ezenkívül a SAW -kat cseppméret -modulációhoz, hasításhoz, csapdázáshoz, csípéshez és nanofluidikus pipettázáshoz használták. A lapos és ferde felületeken fellépő cseppeket SAW -val manipulálták és szabályozták.
A PDMS ( polidimetil -sziloxán ) olyan anyag, amely felhasználható mikrocsatornák és mikrofluidikus chipek létrehozására. Számos felhasználási módja van, beleértve azokat a kísérleteket is, amelyek során élő sejteket kell tesztelni vagy feldolgozni. Ha az élő szervezeteket életben kell tartani, fontos megfigyelni és ellenőrizni környezetüket, például a hőt és a pH -szintet; azonban, ha ezeket az elemeket nem szabályozzák, a sejtek elpusztulhatnak, vagy nemkívánatos reakciókat okozhatnak. A PDMS -ről kiderült, hogy elnyeli az akusztikus energiát, ami miatt a PDMS gyorsan felmelegszik (meghaladja a 2000 Kelvin/másodpercet). A SAW használata ezen PDMS -eszközök fűtésére, valamint a mikrocsatornákban lévő folyadékok ma már olyan technika, amely szabályozott módon végezhető, és képes a hőmérséklet 0,1 ° C -on belüli szabályozására.
SAW az áramlásmérésben
Felszíni akusztikus hullámok használhatók áramlásmérésre. A SAW a hullámfront terjedésén alapul, ami a szeizmikus tevékenységekhez hasonlónak tűnik. A hullámok a gerjesztőközpontban keletkeznek, és eloszlanak egy szilárd anyag felülete mentén. Az elektromos impulzus SAW -ket generál, amelyek úgy terjednek, mint a földrengés hullámai . Az interdigital jeladó feladóként és fogadóként működik . Amikor az egyik küldő módban van, a két legtávolabbi vevőként működik. A fűrészek a mérőcső felszíne mentén haladnak, de egy rész a folyadékhoz kapcsolódik. A leválasztási szög a folyadéktól, illetve a folyadékra jellemző hullám terjedési sebességétől függ. A mérőcső másik oldalán a hullám egyes részei beilleszkednek a csőbe, és a felületük mentén folytatják útjukat a következő interdigitális jelátalakítóhoz. Egy másik része ismét összekapcsolódik, és visszamegy a mérőcső másik oldalára, ahol a hatás megismétlődik, és az ezen az oldalon lévő jelátalakító érzékeli a hullámot. Ez azt jelenti, hogy bármelyik jelátalakító gerjesztése itt két másik jelátalakító bemeneti jelsorozatához vezet. A jelátalakítók közül kettő az áramlás irányába, kettő a másik irányba küldi jeleit.