Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Экспериментальное изображение поверхностных акустических волн на кристалле оксида теллура [1]

На поверхностных акустических волнах ( ПАВ ) является акустическая волна путешествует по поверхности материала , обладающего упругостью , с амплитудой , которая обычно затухает экспоненциально с глубиной в материале.

Открытие [ править ]

Впервые ПАВ были объяснены в 1885 году лордом Рэлеем , который описал поверхностный акустический способ распространения и предсказал его свойства в своей классической статье. [2] Названные в честь своего первооткрывателя, волны Рэлея имеют продольную и вертикальную компоненты сдвига, которые могут взаимодействовать с любыми средами, такими как дополнительные слои, контактирующие с поверхностью. Эта связь сильно влияет на амплитуду и скорость волны, позволяя датчикам на ПАВ непосредственно определять массу и механические свойства.

Устройства SAW [ править ]

Устройства на ПАВ используют ПАВ в электронных компонентах для обеспечения ряда различных функций, включая линии задержки , фильтры, корреляторы и преобразователи постоянного тока в постоянный .

Применение в электронных компонентах [ править ]

Этот вид волны обычно используется в устройствах, называемых устройствами на ПАВ в электронных схемах . Устройства на ПАВ используются как фильтры , генераторы и преобразователи , устройства, основанные на преобразовании акустических волн. Преобразование электрической энергии в механическую (в форме ПАВ) осуществляется с помощью пьезоэлектрических материалов.

Схематическое изображение типовой конструкции устройства на ПАВ

Электронные устройства , использующие обычно используют на ПАВ один или более штыревых преобразователей (ВШП) для преобразования акустических волн в электрические сигналы и наоборот за счет использования пьезоэлектрического эффекта некоторых материалов , например кварца , ниобата лития , танталат лития , лантана галлий силиката и т.д. [3 ] Эти устройства изготавливаются путем очистки / обработки подложки, такой как полировка, металлизация, фотолитография и изготовление пассивирующего / защитного (диэлектрического) слоя. Это типичные этапы процесса, используемые при производстве полупроводниковых кремниевых интегральных схем .

Все части устройства (подложка, ее поверхность, тип материала металлизации, толщина металлизации, его края, сформированные фотолитографией, слои, подобные пассивирующему покрытию металлизации) влияют на характеристики устройств на ПАВ, поскольку распространение волн Рэлея сильно зависит на поверхности материала подложки, ее качестве и всех слоях, контактирующих с подложкой. Например, в фильтрах на ПАВ частота дискретизации зависит от ширины пальцев IDT, мощность обработки зависит от толщины и материала (ов) пальцев IDT, а температурная стабильность зависит не только от температурного поведения стержня IDT. подложке, но также на металле (ах), выбранном для электродов IDT, и возможном диэлектрическом слое (ах), покрывающем подложку и электроды.

В настоящее время фильтры на ПАВ используются в мобильных телефонах и обеспечивают технические преимущества по производительности, стоимости и размеру по сравнению с другими технологиями фильтрации, такими как кварцевые кристаллы (на основе объемных волн), ЖК-фильтры и волноводные фильтры, особенно на частотах ниже 1,5-2,5 ГГц в зависимости от на ВЧ-мощность, которую нужно было фильтровать. Технология, дополняющая ПАВ для частот выше 1,5–2,5 ГГц, основана на объемных тонкопленочных акустических резонаторах (TFBAR или FBAR).

За последние 20 лет было проведено много исследований в области датчиков поверхностных акустических волн . [4] Приложения датчиков включают все области измерения (такие как химические, оптические, тепловые, давления , ускорения , крутящего момента и биологические). На сегодняшний день датчики на ПАВ имеют относительно скромный коммерческий успех, но обычно коммерчески доступны для некоторых приложений, таких как сенсорные дисплеи.

Применение устройств SAW на радио и телевидении [ править ]

Резонаторы на ПАВ используются во многих случаях, в которых используются кристаллы кварца , поскольку они могут работать на более высоких частотах. [5] Они часто используются в радиопередатчиках, где не требуется настраиваемость. Они часто используются в таких приложениях, как дистанционное управление открывателями гаражных ворот , радиочастотные линии ближнего действия для компьютерной периферии и другие устройства, где не требуется разделение каналов . Там, где радиосвязь может использовать несколько каналов, кварцевые генераторы чаще используются для управления фазовой автоподстройкой частоты.. Поскольку резонансная частота устройства SAW определяется механическими свойствами кристалла, он не дрейфует так сильно, как простой LC-генератор, где такие условия, как характеристики конденсатора и напряжение батареи, будут существенно меняться в зависимости от температуры и возраста.

Фильтры на ПАВ также часто используются в радиоприемниках, поскольку они могут иметь точно определенные и узкие полосы пропускания. Это полезно в приложениях, где одна антенна должна использоваться совместно передатчиком и приемником, работающим на близко расположенных частотах. Фильтры на ПАВ также часто используются в телевизионных приемниках для выделения поднесущих из сигнала; до отключения аналогового сигнала выделение поднесущих цифрового звука из полосы промежуточных частот телевизионного приемника или видеомагнитофона было одним из основных рынков для фильтров на ПАВ.

Первопроходец Джеффри Коллинз включил устройства на поверхностных акустических волнах в приемник Skynet, который он разработал в 1970-х годах. Он синхронизирует сигналы быстрее, чем существующие технологии. [6]

Они также часто используются в цифровых приемниках и хорошо подходят для супергетальных приложений. Это связано с тем, что сигнал промежуточной частоты всегда имеет фиксированную частоту после того, как гетеродин был смешан с принятым сигналом, и поэтому фильтр с фиксированной частотой и высокой добротностью обеспечивает отличное удаление нежелательных сигналов или сигналов помех.

В этих приложениях фильтры на ПАВ почти всегда используются с гетеродином, синтезированным в цепи фазовой автоподстройки частоты , или генератором, управляемым варикапом .

ПАВ в геофизике [ править ]

В сейсмологии поверхностные акустические волны, распространяющиеся по поверхности Земли, играют важную роль, поскольку они могут быть наиболее разрушительным типом сейсмических волн, создаваемых землетрясениями . [7]

Пила в микрофлюидике [ править ]

В последние годы внимание было обращено на использование ПАВ для управления микрожидкостным срабатыванием и множеством других процессов. Из-за несоответствия скоростей звука в подложке на ПАВ и в жидкости, ПАВ могут эффективно переноситься в жидкость, создавая значительные силы инерции и скорости жидкости. Этот механизм можно использовать для управления жидкостями, такими как перекачивание , смешивание и впрыскивание . [8] Чтобы управлять этими процессами, происходит изменение режима волны на границе раздела жидкость-подложка. В подложке волна ПАВ представляет собой поперечную волну, и при попадании в каплю волна становится продольной волной . [9] Именно эта продольная волна создает поток жидкости внутри микрожидкостной капли, позволяя происходить перемешиванию. Этот метод может использоваться как альтернатива микроканалам и микроклапанам для манипулирования субстратами, что позволяет создать открытую систему. [8]

Этот механизм также использовался в микрофлюидике на основе капель для манипулирования каплями. Примечательно, что при использовании SAW в качестве исполнительного механизма капли проталкивались к двум [9] [10] или более [11] выходным отверстиям для сортировки. Более того, ПАВ использовались для модуляции размера капель, [12] [13] расщепления, [14] [9] [15] захвата, [16] выщипывания, [17] и наножидкостного пипетирования. [15] Воздействие капель на плоские и наклонные поверхности контролировалось и контролировалось с помощью ПАВ. [18] [19]

ПДМС ( полидиметилсилоксан ) - это материал, который можно использовать для создания микроканалов и микрожидкостных чипов. Он имеет множество применений, в том числе в экспериментах, где нужно тестировать или обрабатывать живые клетки. Если живые организмы необходимо поддерживать в живых, важно контролировать и контролировать их окружающую среду, например, уровень тепла и pH; однако, если эти элементы не регулируются, клетки могут погибнуть или это может привести к нежелательным реакциям. [20] Было обнаружено, что PDMS поглощает акустическую энергию, что приводит к быстрому нагреву PDMS (более 2000 Кельвинов в секунду). [21]Использование SAW в качестве способа нагрева этих устройств PDMS вместе с жидкостями внутри микроканалов в настоящее время представляет собой методику, которая может выполняться контролируемым образом с возможностью управления температурой с точностью до 0,1 ° C. [21] [22]

Пила в измерении расхода [ править ]

Для измерения расхода можно использовать поверхностные акустические волны. ПАВ основывается на распространении волнового фронта, что похоже на сейсмическую активность. Волны генерируются в центре возбуждения и распространяются по поверхности твердого материала. Электрический импульс побуждает их генерировать ПАВ, которые распространяются как волны землетрясения . Встречно-штыревой преобразователь действует как отправитель и как получатель. Когда один находится в режиме отправителя, два самых дальних действуют как получатели. ПАВ перемещаются по поверхности измерительной трубы, но часть соприкасается с жидкостью. Угол развязки зависит от жидкости, соответственно, от скорости распространения волны, которая характерна для жидкости. На другой стороне измерительной трубки части волны будут входить в трубку и продолжать свой путь вдоль ее поверхности к следующему встречно-штыревому преобразователю. Другая часть снова соединяется и возвращается на другую сторону измерительной трубы, где эффект повторяется, а датчик на этой стороне обнаруживает волну. Это означает, что возбуждение любого одного датчика здесь приведет к появлению последовательности входных сигналов на двух других датчиках на расстоянии. Два преобразователя посылают свои сигналы в направлении потока,два в другом направлении.[23]

См. Также [ править ]

  • Линейная эластичность
  • Волна любви
  • Фонон
  • Пикосекундный ультразвук
  • УЗИ

Ссылки [ править ]

  1. ^ Лаборатория прикладной физики твердого тела - Университет Хоккайдо . Kino-ap.eng.hokudai.ac.jp (28 ноября 2013 г.). Проверено 9 декабря 2013.
  2. ^ Лорд Рэлей (1885). «О волнах, распространяющихся по плоской поверхности упругого твердого тела» . Proc. Лондонская математика. Soc . s1-17 (1): 4–11. DOI : 10.1112 / ПНИЛИ / s1-17.1.4 .
  3. ^ Weigel, R .; Морган, Д.П .; Оуэнс, JM; Ballato, A .; Лакин, КМ; Хашимото, К .; Руппель, CCW (2002). «СВЧ акустические материалы, устройства и приложения». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения . 50 (3): 738–749. Bibcode : 2002ITMTT..50..738W . DOI : 10.1109 / 22.989958 .
  4. ^ Benes, E .; Gröschl, M .; Зейферт, Ф. (1998). «Сравнение принципов работы датчиков BAW и SAW». IEEE Trans. Ультразвуковой. Ферро. Freq. Контроль . 45 : 5–20. DOI : 10.1109 / FREQ.1997.638514 . ISBN 978-0-7803-3728-2.
  5. ↑ Бирюков, С.В. Гуляев Ю.В. Крылов, В.В.; Плесский, В. П. (1995). Поверхностные акустические волны в неоднородных средах . Springer. ISBN 9783540584605.
  6. ^ "Джеффри Коллинз Некролог Геральд Газета" .
  7. ^ Аки, Кейити; Ричардс, Пол Г. (1980). Количественная сейсмология . Фримен.
  8. ^ Ян, Чун-Гуан; Сюй, Чжан-Жунь; Ван, Цзянь-Хуа (февраль 2010 г.). «Манипуляции с каплями в микрофлюидных системах». Тенденции TrAC в аналитической химии . 29 (2): 141–157. DOI : 10.1016 / j.trac.2009.11.002 .
  9. ^ a b Сесен, Мухсинкан; Алан, Тунджей; Нилд, Адриан (2015). «Микрожидкостное управление пробкой с использованием поверхностных акустических волн». Лаборатория на чипе . 15 (14): 3030–3038. DOI : 10.1039 / c5lc00468c . ISSN 1473-0197 . PMID 26079216 .  
  10. ^ Franke, Томас; Abate, Adam R .; Weitz, David A .; Виксфорт, Ахим (2009). «Капельный поток, направленный на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в микрофлюидике для устройств PDMS». Лаборатория на чипе . 9 (18): 2625–7. DOI : 10.1039 / b906819h . ISSN 1473-0197 . PMID 19704975 .  
  11. ^ Дин, Сяоюнь; Лин, С-Чин Стивен; Лэпсли, Майкл Ян; Ли, Сиксинг; Го, Сян; Чан, Чунг Ю; Чан, И-Као; Ван, Линь; Маккой, Дж. Филип (2012). «Многоканальная сортировка ячеек на основе стоячей поверхностной акустической волны (SSAW)» . Лаборатория на чипе . 12 (21): 4228–31. DOI : 10.1039 / c2lc40751e . ISSN 1473-0197 . PMC 3956451 . PMID 22992833 .   
  12. ^ Шмид, Лотар; Франке, Томас (2013). «Размер капли, управляемый SAW, для фокусировки потока». Лаборатория на чипе . 13 (9): 1691–4. DOI : 10.1039 / c3lc41233d . ISSN 1473-0197 . PMID 23515518 .  
  13. ^ Шмид, Лотар; Франке, Томас (31 марта 2014 г.). «Акустическая модуляция размера капли в Т-образном переходе». Письма по прикладной физике . 104 (13): 133501. Bibcode : 2014ApPhL.104m3501S . DOI : 10.1063 / 1.4869536 . ISSN 0003-6951 . 
  14. ^ Юнг, Джин Хо; Дестджер, Гулам; Ха, Бёнхан; Пак, Джинсу; Сон, Хён Джин (2016). «Расщепление капель по запросу с использованием поверхностных акустических волн» . Лаборатория на чипе . 16 (17): 3235–3243. DOI : 10.1039 / C6LC00648E . ISSN 1473-0197 . PMID 27435869 .  
  15. ^ a b Сесен, Мухсинкан; Девендран, Читсабехсан; Маликидес, Шон; Алан, Тунджей; Нилд, Адриан (2017). «Пипетка на чипе с поддержкой поверхностных акустических волн». Лаборатория на чипе . 17 (3): 438–447. DOI : 10.1039 / c6lc01318j . hdl : 10044/1/74636 . ISSN 1473-0197 . PMID 27995242 .  
  16. ^ Юнг, Джин Хо; Дестджер, Гулам; Пак, Джинсу; Ахмед, Хуснайн; Парк, Квансок; Сон, Хён Джин (21.02.2017). «Захват и выпуск капель по запросу с использованием поверхностных акустических волн с помощью микролунок». Аналитическая химия . 89 (4): 2211–2215. DOI : 10.1021 / acs.analchem.6b04542 . ISSN 0003-2700 . PMID 28192923 .  
  17. ^ Сесен, Мухсинкан; Алан, Тунджей; Нилд, Адриан (2014). «Микрожидкостное слияние капель по запросу с использованием поверхностных акустических волн» . Лабораторный чип . 14 (17): 3325–3333. DOI : 10.1039 / c4lc00456f . ISSN 1473-0197 . PMID 24972001 .  
  18. ^ Х. Бирун, Мехди; Рахмати, Мохаммад; Тао, Ран; Торун, Хамди; Джанги, Мехди; Фу Юнцин (07.08.2020). «Динамическое поведение капли на наклонные поверхности с акустическими волнами» . Ленгмюра . DOI : 10.1021 / acs.langmuir.0c01628 . ISSN 0743-7463 . 
  19. ^ Biroun, Mehdi H .; Ли, Цзе; Тао, Ран; Рахмати, Мохаммад; Макхейл, Глен; Донг, Линьси; Джанги, Мехди; Торун, Хамди; Фу, Юнцин (12.08.2020). «Акустические волны для активного сокращения времени контакта при ударе капли» . Применена физическая проверка . 14 (2): 024029. DOI : 10,1103 / PhysRevApplied.14.024029 .
  20. ^ Хаген, Стивен Дж; Сын Минджун (27 января 2017 г.). «Истоки неоднородности в компетенции: интерпретация чувствительного к окружающей среде сигнального пути» . Физическая биология . 14 (1): 015001. Bibcode : 2017PhBio..14a5001H . DOI : 10.1088 / 1478-3975 / aa546c . PMC 5336344 . PMID 28129205 .  
  21. ^ а б Ха, Бён Ханг; Ли, Кан Су; Дестджер, Гулам; Пак, Джинсу; Чонг, Джин Сын; Юнг, Джин Хо; Шин, Дженнифер Хёнджон; Сон, Хён Джин (3 июля 2015 г.). «Акустотермический нагрев полидиметилсилоксановой микрофлюидной системы» . Научные отчеты . 5 (1): 11851. Bibcode : 2015NatSR ... 511851H . DOI : 10.1038 / srep11851 . PMC 4490350 . PMID 26138310 .  
  22. ^ Yaralioglu, Goksen (ноябрь 2011). «Ультразвуковой нагрев и измерение температуры в микрофлюидных каналах». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 170 (1–2): 1–7. DOI : 10.1016 / j.sna.2011.05.012 .
  23. ^ Продукт от Bürkert Fluid Control Systems http://www.processindustryforum.com/article/patented-flow-meter-saw-technology-accurate-flow-measurement-hygienic-applications

Внешние ссылки [ править ]

  • История устройств на ПАВ
  • Датчик SAW
  • Наблюдая за рябью на кристаллах