Onda acústica de superfície - Surface acoustic wave

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Imagem experimental de ondas acústicas de superfície em um cristal de óxido de telúrio

Uma onda acústica de superfície ( SAW ) é uma onda acústica viajando ao longo da superfície de um material exibindo elasticidade , com uma amplitude que normalmente decai exponencialmente com a profundidade no material.

Descoberta

SAWs foram explicados pela primeira vez em 1885 por Lord Rayleigh , que descreveu o modo de propagação acústica de superfície e previu suas propriedades em seu artigo clássico. Batizadas com o nome de seu descobridor, as ondas Rayleigh têm um componente de cisalhamento longitudinal e vertical que pode se acoplar a qualquer meio, como camadas adicionais em contato com a superfície. Esse acoplamento afeta fortemente a amplitude e a velocidade da onda, permitindo que os sensores SAW detectem diretamente a massa e as propriedades mecânicas.

Dispositivos SAW

Os dispositivos de ondas acústicas de superfície fornecem uma ampla gama de aplicações com o uso de sistema eletrônico, incluindo linhas de atraso , filtros, correlacionadores e conversores DC para DC . As possibilidades desses dispositivos SAW podem fornecer campo potencial em sistema de radar, sistemas de comunicação.

Aplicação em componentes eletrônicos

Esse tipo de onda é comumente usado em dispositivos chamados dispositivos SAW em circuitos eletrônicos . Dispositivos SAW são utilizados como filtros , osciladores e transformadores , dispositivos que se baseiam na transdução de ondas acústicas. A transdução de energia elétrica em energia mecânica (na forma de SAWs) é realizada por meio de materiais piezoelétricos .

Imagem esquemática de um projeto típico de dispositivo SAW

Os dispositivos electrónicos que utilizam SAWs normalmente usar um ou mais transdutores interdigitais (ADIs) para converter as ondas acústicas em sinais eléctricos e vice-versa, explorando o efeito piezoeléctrico de certos materiais , como quartzo , niobato de lítio , lítio tantalato , lantânio gálio silicato , etc. Estes dispositivos são fabricados por limpeza / tratamentos de substrato como polimento, metalização, fotolitografia e fabricação de camada de passivação / proteção (dielétrica). Essas são etapas de processo típicas usadas na fabricação de semicondutores como circuitos integrados de silício .

Todas as partes do dispositivo (substrato, sua superfície, tipo de material de metalização, espessura da metalização, suas bordas formadas por fotolitografia, camadas - como passivação revestindo a metalização) têm efeito no desempenho dos dispositivos SAW porque a propagação de ondas de Rayleigh é altamente dependente na superfície do material do substrato, sua qualidade e todas as camadas em contato com o substrato. Por exemplo, em filtros SAW, a frequência de amostragem depende da largura dos dedos IDT, a capacidade de manuseio de energia está relacionada à espessura e material (s) dos dedos IDT e a estabilidade da temperatura não depende apenas do comportamento da temperatura do substrato, mas também no (s) metal (s) selecionado (s) para os eletrodos IDT e a (s) possível (s) camada (s) dielétrica (s) que revestem o substrato e os eletrodos.

Os filtros SAW agora são usados ​​em telefones móveis e fornecem vantagens técnicas em desempenho, custo e tamanho em relação a outras tecnologias de filtro, como cristais de quartzo (com base em ondas em massa), filtros LC e filtros de guia de ondas especificamente em frequências abaixo de 1,5-2,5 GHz, dependendo na potência de RF precisava ser filtrada. A tecnologia complementar para SAW para frequências acima de 1,5-2,5 GHz é baseada em ressonadores acústicos de película fina (TFBAR ou FBAR).

Muitas pesquisas foram feitas nos últimos 20 anos na área de sensores de ondas acústicas de superfície . As aplicações do sensor incluem todas as áreas de detecção (como química, óptica, térmica, pressão , aceleração , torque e biológica). Os sensores SAW tiveram um sucesso comercial relativamente modesto até agora, mas estão comumente disponíveis comercialmente para algumas aplicações, como telas sensíveis ao toque .

SAW aplicativos de dispositivos em rádio e televisão

Os ressonadores SAW são usados ​​em muitas das mesmas aplicações em que os cristais de quartzo são usados, porque podem operar em frequências mais altas. Eles são freqüentemente usados ​​em transmissores de rádio onde a sintonização não é necessária. Eles são freqüentemente usados ​​em aplicações como controles remotos para abridores de portas de garagem , links de frequência de rádio de curto alcance para periféricos de computador e outros dispositivos onde a canalização não é necessária. Onde um link de rádio pode usar vários canais, os osciladores de cristal de quartzo são mais comumente usados ​​para conduzir um loop de bloqueio de fase . Uma vez que a frequência ressonante de um dispositivo SAW é definida pelas propriedades mecânicas do cristal, ela não varia tanto quanto um simples oscilador LC, onde condições como o desempenho do capacitor e a voltagem da bateria variam substancialmente com a temperatura e idade.

Filtros SAW também são freqüentemente usados ​​em receptores de rádio, pois podem ter bandas de passagem estreitas e determinadas com precisão. Isso é útil em aplicações onde uma única antena deve ser compartilhada entre um transmissor e um receptor operando em frequências próximas. Filtros SAW também são freqüentemente usados ​​em receptores de televisão , para extrair subportadoras do sinal; até o desligamento analógico , a extração de subportadoras de áudio digital da faixa de frequência intermediária de um receptor de televisão ou gravador de vídeo era um dos principais mercados para filtros SAW.

O pioneiro Jeffery Collins incorporou dispositivos de ondas acústicas de superfície em um receptor Skynet que desenvolveu na década de 1970. Ele sincronizou os sinais mais rápido do que a tecnologia existente.

Eles também são frequentemente usados ​​em receptores digitais e são adequados para aplicações de superhet . Isso ocorre porque o sinal de frequência intermediária está sempre em uma frequência fixa após o oscilador local ter sido mixado com o sinal recebido e, portanto, um filtro com uma frequência fixa e Q alto fornece excelente remoção de sinais indesejados ou de interferência.

Nessas aplicações, os filtros SAW são quase sempre usados ​​com um oscilador local sintetizado de loop de bloqueio de fase ou um oscilador acionado por varicap .

SAW em geofísica

Na sismologia, as ondas acústicas de superfície podem se tornar o tipo mais destrutivo de onda sísmica produzida por terremotos , que se propagam em meios mais complexos, como o fundo do oceano, rochas, etc. de modo que precisa ser notado e monitorado por pessoas para proteger o ambiente de vida.

SAW em microfluídica

Nos últimos anos, chamou a atenção o uso de SAWs para conduzir a atuação microfluídica e uma variedade de outros processos. Devido à incompatibilidade de velocidades do som no substrato e fluido SAW, SAWs podem ser transferidos de forma eficiente para o fluido, criando forças inerciais e velocidades de fluido significativas. Este mecanismo pode ser explorado para impulsionar ações de fluidos, como bombeamento , mistura e jato . [8] Para conduzir esses processos, há uma mudança de modo da onda na interface líquido-substrato. No substrato, a onda SAW é uma onda transversal e ao entrar na gota a onda torna-se uma onda longitudinal . [9] É esta onda longitudinal que cria o fluxo de fluido dentro da gota microfluídica, permitindo que a mistura ocorra. Esta técnica pode ser utilizada como alternativa aos microcanais e microválvulas para manipulação de substratos, permitindo um sistema aberto.

Este mecanismo também tem sido usado em microfluídica baseada em gotículas para manipulação de gotículas. Notavelmente, usando SAW como um mecanismo de acionamento, as gotas foram empurradas para duas ou mais saídas para classificação. Além disso, SAWs foram usados ​​para modulação do tamanho de gota, divisão, captura, pinça e pipetagem nanofluídica. O impacto da gota em superfícies planas e inclinadas foi manipulado e controlado usando SAW.

PDMS ( polidimetilsiloxano ) é um material que pode ser usado para criar microcanais e chips microfluídicos. Tem muitos usos, inclusive em experimentos em que células vivas são testadas ou processadas. Se os organismos vivos precisam ser mantidos vivos, é importante monitorar e controlar seu ambiente, como os níveis de calor e pH; no entanto, se esses elementos não forem regulados, as células podem morrer ou podem resultar em reações indesejadas. Foi descoberto que o PDMS absorve energia acústica, fazendo com que o PDMS aqueça rapidamente (excedendo 2.000 Kelvin / segundo). O uso do SAW como forma de aquecer esses dispositivos PDMS, junto com os líquidos dentro dos microcanais, agora é uma técnica que pode ser feita de forma controlada com capacidade de manipular a temperatura em até 0,1 ° C.

SAW na medição de fluxo

Ondas acústicas de superfície podem ser usadas para medição de fluxo. SAW depende da propagação de uma frente de onda, que se parece com atividades sísmicas. As ondas são geradas no centro de excitação e se espalham ao longo da superfície de um material sólido. Um pulso elétrico os induz a gerar SAWs que se propagam como as ondas de um terremoto . O transdutor interdigital atua como emissor e como receptor . Quando um está no modo emissor, os dois mais distantes atuam como receptores. Os SAWs viajam ao longo da superfície do tubo de medição, mas uma parte irá acoplar ao líquido. O ângulo de desacoplamento depende do líquido, respectivamente da velocidade de propagação da onda que é específica do líquido. Do outro lado do tubo de medição, porções da onda se acoplarão ao tubo e continuarão seu caminho ao longo de sua superfície até o próximo transdutor interdigital. Outra parte será acoplada novamente e viajará de volta para o outro lado do tubo de medição, onde o efeito se repete e o transdutor deste lado detecta a onda. Isso significa que a excitação de qualquer transdutor aqui levará a uma sequência de sinais de entrada em dois outros transdutores à distância. Dois dos transdutores enviam seus sinais na direção do fluxo, dois na outra direção.

Veja também

Referências

links externos