Onda acústica de superficie - Surface acoustic wave

Imagen experimental de ondas acústicas superficiales en un cristal de óxido de telurio

Una onda acústica de superficie ( SAW ) es una onda acústica que viaja a lo largo de la superficie de un material que exhibe elasticidad , con una amplitud que típicamente decae exponencialmente con la profundidad en el material.

Descubrimiento

Los SAW fueron explicados por primera vez en 1885 por Lord Rayleigh , quien describió el modo de propagación acústico de la superficie y predijo sus propiedades en su artículo clásico. Las ondas de Rayleigh , que llevan el nombre de su descubridor, tienen un componente de cizallamiento longitudinal y uno vertical que pueden acoplarse con cualquier medio, como capas adicionales en contacto con la superficie. Este acoplamiento afecta fuertemente la amplitud y velocidad de la onda, permitiendo que los sensores SAW detecten directamente la masa y las propiedades mecánicas.

Dispositivos SAW

Los dispositivos de ondas acústicas de superficie proporcionan una amplia gama de aplicaciones con el uso de sistemas electrónicos, incluidas líneas de retardo , filtros, correlacionadores y convertidores de CC a CC . Las posibilidades de estos dispositivos SAW podrían proporcionar un campo potencial en el sistema de radar, sistemas de comunicación.

Aplicación en componentes electrónicos

Este tipo de onda se usa comúnmente en dispositivos llamados dispositivos SAW en circuitos electrónicos . Los dispositivos SAW se utilizan como filtros , osciladores y transformadores , dispositivos que se basan en la transducción de ondas acústicas. La transducción de energía eléctrica a energía mecánica (en forma de SAW) se logra mediante el uso de materiales piezoeléctricos .

Imagen esquemática de un diseño típico de dispositivo SAW

Los dispositivos electrónicos que emplean SAWs normalmente usar uno o más transductores interdigitales (IDT) para convertir ondas acústicas en señales eléctricas y viceversa mediante la explotación del efecto piezoeléctrico de ciertos materiales , como cuarzo , litio niobato , litio tantalato , lantano galio silicato , etc. Estos dispositivos se fabrican mediante tratamientos / limpieza de sustratos como pulido, metalización, fotolitografía y fabricación de capas de pasivación / protección (dieléctricas). Estos son pasos de proceso típicos utilizados en la fabricación de semiconductores como circuitos integrados de silicio .

Todas las partes del dispositivo (sustrato, su superficie, tipo de material de metalización, espesor de metalización, sus bordes formados por fotolitografía, capas, como la pasivación que recubre la metalización) tienen efecto sobre el rendimiento de los dispositivos SAW porque la propagación de las ondas de Rayleigh es muy dependiente sobre la superficie del material del sustrato, su calidad y todas las capas en contacto con el sustrato. Por ejemplo, en los filtros SAW, la frecuencia de muestreo depende del ancho de los dedos IDT, la capacidad de manejo de potencia está relacionada con el grosor y los materiales de los dedos IDT, y la estabilidad de la temperatura depende no solo del comportamiento de temperatura del sustrato sino también sobre los metales seleccionados para los electrodos IDT y las posibles capas dieléctricas que recubren el sustrato y los electrodos.

Los filtros SAW ahora se usan en teléfonos móviles y brindan ventajas técnicas en rendimiento, costo y tamaño sobre otras tecnologías de filtro como cristales de cuarzo (basados ​​en ondas masivas), filtros LC y filtros de guía de ondas específicamente en frecuencias por debajo de 1.5-2.5 GHz dependiendo en la potencia de RF necesitaba ser filtrada. La tecnología complementaria de SAW para frecuencias por encima de 1,5-2,5 GHz se basa en resonadores acústicos masivos de película fina (TFBAR o FBAR).

Se han realizado muchas investigaciones en los últimos 20 años en el área de los sensores de ondas acústicas de superficie . Las aplicaciones de los sensores incluyen todas las áreas de detección (como química, óptica, térmica, presión , aceleración , par y biológica). Los sensores SAW han tenido un éxito comercial relativamente modesto hasta la fecha, pero comúnmente están disponibles comercialmente para algunas aplicaciones como pantallas táctiles.

Aplicaciones del dispositivo SAW en radio y televisión

Los resonadores SAW se utilizan en muchas de las mismas aplicaciones en las que se utilizan cristales de cuarzo , porque pueden funcionar a una frecuencia más alta. A menudo se utilizan en transmisores de radio donde no se requiere sintonización. A menudo se utilizan en aplicaciones tales como controles remotos de abre-puertas de garaje , enlaces de radiofrecuencia de corto alcance para periféricos de computadora y otros dispositivos donde no se requiere canalización . Cuando un enlace de radio puede usar varios canales, los osciladores de cristal de cuarzo se usan más comúnmente para impulsar un bucle de bloqueo de fase . Dado que la frecuencia de resonancia de un dispositivo SAW se establece por las propiedades mecánicas del cristal, no se desvía tanto como un oscilador LC simple, donde las condiciones como el rendimiento del condensador y el voltaje de la batería variarán sustancialmente con la temperatura y la edad.

Los filtros SAW también se utilizan a menudo en receptores de radio, ya que pueden tener bandas de paso estrechas y determinadas con precisión. Esto es útil en aplicaciones en las que se debe compartir una sola antena entre un transmisor y un receptor que operan a frecuencias poco espaciadas. Los filtros SAW también se utilizan con frecuencia en los receptores de televisión , para extraer subportadoras de la señal; hasta la desconexión analógica , la extracción de subportadoras de audio digital de la banda de frecuencia intermedia de un receptor de televisión o grabadora de vídeo era uno de los principales mercados de los filtros SAW.

El pionero Jeffery Collins incorporó dispositivos de ondas acústicas de superficie en un receptor Skynet que desarrolló en la década de 1970. Sincroniza señales más rápido que la tecnología existente.

También se utilizan a menudo en receptores digitales y son muy adecuados para aplicaciones superhet . Esto se debe a que la señal de frecuencia intermedia está siempre en una frecuencia fija después de que el oscilador local se haya mezclado con la señal recibida, por lo que un filtro con una frecuencia fija y Q alta proporciona una excelente eliminación de señales no deseadas o de interferencia.

En estas aplicaciones, los filtros SAW casi siempre se utilizan con un oscilador local sintetizado de bucle de bloqueo de fase o un oscilador controlado por varicap .

SAW en geofísica

En sismología , las ondas acústicas superficiales podrían convertirse en el tipo de onda sísmica más destructiva producida por los terremotos , que se propagan en medios más complejos, como el fondo del océano, rocas, etc., por lo que las personas deben notarlo y monitorearlo para proteger el entorno de vida.

SAW en microfluídica

En los últimos años, se ha llamado la atención sobre el uso de SAW para impulsar la activación de microfluidos y una variedad de otros procesos. Debido al desajuste de las velocidades del sonido en el sustrato y el fluido de SAW, los SAW se pueden transferir de manera eficiente al fluido, creando fuerzas de inercia y velocidades de fluido significativas. Este mecanismo se puede aprovechar para impulsar acciones de fluidos como bombear , mezclar y lanzar a chorro . [8] Para impulsar estos procesos, hay un cambio de modo de la onda en la interfaz líquido-sustrato. En el sustrato, la onda SAW es una onda transversal y al entrar en la gota, la onda se convierte en una onda longitudinal . [9] Es esta onda longitudinal la que crea el flujo de fluido dentro de la gota de microfluidos, lo que permite que se produzca la mezcla. Esta técnica se puede utilizar como alternativa a los microcanales y microválvulas para la manipulación de sustratos, lo que permite un sistema abierto.

Este mecanismo también se ha utilizado en microfluidos basados en gotas para la manipulación de gotas. En particular, al usar SAW como mecanismo de actuación, las gotas se empujaron hacia dos o más salidas para clasificarlas. Además, los SAW se utilizaron para la modulación del tamaño de las gotas, dividir, atrapar, pinzar y pipetear nanofluidos. El impacto de las gotas en superficies planas e inclinadas se ha manipulado y controlado mediante SAW.

El PDMS ( polidimetilsiloxano ) es un material que se puede utilizar para crear microcanales y chips de microfluidos. Tiene muchos usos, incluso en experimentos en los que se van a probar o procesar células vivas. Si es necesario mantener vivos los organismos vivos, es importante vigilar y controlar su entorno, como los niveles de calor y pH; sin embargo, si estos elementos no están regulados, las células pueden morir o pueden resultar en reacciones no deseadas. Se ha descubierto que el PDMS absorbe energía acústica, lo que hace que el PDMS se caliente rápidamente (superando los 2000 Kelvin / segundo). El uso de SAW como una forma de calentar estos dispositivos PDMS, junto con líquidos dentro de microcanales, es ahora una técnica que se puede realizar de manera controlada con la capacidad de manipular la temperatura dentro de 0,1 ° C.

SAW en medición de caudal

Las ondas acústicas de superficie se pueden utilizar para medir el flujo. SAW se basa en la propagación de un frente de onda, que parece similar a las actividades sísmicas. Las ondas se generan en el centro de excitación y se extienden a lo largo de la superficie de un material sólido. Un pulso eléctrico los induce a generar SAW que se propagan como las ondas de un terremoto . El transductor interdigital actúa como emisor y receptor . Cuando uno está en modo emisor, los dos más distantes actúan como receptores. Las sierras viajan a lo largo de la superficie del tubo de medición, pero una parte se acoplará al líquido. El ángulo de desacoplamiento depende del líquido respectivamente de la velocidad de propagación de la onda que es específica del líquido. En el otro lado del tubo de medición, partes de la onda se acoplarán al tubo y continuarán su camino a lo largo de su superficie hasta el siguiente transductor interdigital. Otra parte se volverá a acoplar y viajará de regreso al otro lado del tubo de medición donde el efecto se repite y el transductor de este lado detecta la onda. Eso significa que la excitación de cualquier transductor aquí conducirá a una secuencia de señales de entrada en otros dos transductores en la distancia. Dos de los transductores envían sus señales en la dirección del flujo, dos en la otra dirección.

Ver también

Referencias

enlaces externos