Superfície do sensor de onda acústica - Surface acoustic wave sensor

Superfície sensores de ondas acústicas são uma classe de sistemas de microelectromechanical (MEMS) que se baseiam na modulação de ondas acústicas de superfície para detectar um fenómeno físico. O sensor transduz um sinal de entrada eléctrico para uma onda mecânica que, ao contrário de um sinal eléctrico, pode ser facilmente influenciados por fenómenos físicos. O dispositivo, em seguida, transduz esta onda de volta para um sinal eléctrico. Alterações em amplitude, fase, frequência, ou de atraso de tempo entre os sinais eléctricos de entrada e de saída podem ser utilizados para medir a presença do fenómeno desejado.

Disposição dispositivo

Onda acústica de superfície Sensor interdigitados transdutor Diagram

O dispositivo básico de onda acústica de superfície é constituído por um substrato piezoeltrico, um transdutor de entrada interdigitada (IDT) de um lado da superfície do substrato, e uma segunda, de saída do transdutor interdigitados no outro lado do substrato. O espaço entre as ADIs, através da qual a onda acústica de superfície vai propagar-se, é conhecida como a linha de atraso. Esta região é denominada a linha de atraso porque o sinal, que é uma onda mecânica, neste ponto, se move muito mais lenta do que a sua forma electromagnética, causando, assim, um atraso apreciável.

Operação dispositivo

Superfície tecnologia de onda acústica tira proveito do efeito piezoeléctrico no seu funcionamento. A maioria dos sensores de onda acústica de superfície modernos utilizam uma entrada transdutor interdigitada (IDT) para converter um sinal eléctrico em uma onda acústica.

O sinal eléctrico de entrada sinusoidal cria polaridade alternada entre os dedos do transdutor interdigitada. Entre dois conjuntos adjacentes de dedos, a polaridade dos dedos será comutado (por exemplo, + - +). Como resultado, a direcção do campo eléctrico entre dois dedos vai alternar entre conjuntos adjacentes de dedos. Isto cria regiões alternantes de tensão à tracção e de compressão entre os dedos do eléctrodo pelo efeito piezoeltrico, produzindo uma onda mecânica na superfície conhecida como uma onda acústica de superfície . Como dedos sobre o mesmo lado do dispositivo será, ao mesmo nível de compressão ou tensão, o espaço entre eles --- conhecido como o campo --- é o comprimento de onda da onda mecânica. Nós podemos expressar a frequência síncrono f 0 do dispositivo com a velocidade de fase v p e pitch p como:

A frequência síncrono é a frequência natural no qual as ondas mecânicas deve propagar. Idealmente, o sinal eléctrico de entrada deve estar na frequência síncrono para minimizar a perda de inserção.

Quando a onda mecânica vai propagar em ambas as direcções a partir da entrada IDT, metade da energia de forma de onda se propagará através da linha de atraso na direcção da saída de IDT. Em alguns dispositivos, um absorvente ou reflector mecânica é adicionado entre as ADIs e as bordas do substrato para evitar a padrões de interferência ou reduzir perdas de inserção , respectivamente.

A onda acústica percorre toda a superfície do substrato do dispositivo para o outro transdutor interdigitada, converter a onda de volta para um sinal eléctrico pelo efeito piezoeltrico. Todas as alterações que foram feitas para a onda mecânica será reflectida no sinal eléctrico de saída. Como as características da onda acústica de superfície pode ser modificada por mudanças nas propriedades de superfície do substrato do dispositivo, os sensores podem ser concebidos para quantificar qualquer fenómeno que modifica essas propriedades. Tipicamente, isto é conseguido pela adição de massa para a superfície ou alterando o comprimento do substrato e o espaçamento entre os dedos.

Funcionalidade inerente

A estrutura do sensor de base da onda acústica de superfície permite que os fenómenos de pressão, a tensão, o binário, a temperatura, e de massa a ser detectada. Os mecanismos para este são discutidos a seguir:

Pressão, Strain, o torque, temperatura

Os fenómenos de pressão, a tensão, o binário, a temperatura, e a massa pode ser detectado pelo dispositivo de base, que consiste de duas ADIs separados por uma certa distância sobre a superfície de um substrato piezoeltrico. Estes fenómenos podem causar uma mudança no comprimento ao longo da superfície do dispositivo. Uma alteração no comprimento do vão afectar tanto o espaçamento entre os eléctrodos interdigitados --- --- alterando o passo e o espaçamento entre as ADIs --- alterando o atraso. Isto pode ser detectado como um deslocamento de fase, a frequência de desvio, ou de atraso de tempo no sinal de saída eléctrico.

Quando o diafragma é colocado entre a ambiente a uma pressão variável e uma cavidade de referência a uma pressão fixa, o diafragma irá dobrar em resposta a um diferencial de pressão. À medida que o diafragma se dobra, a distância ao longo da superfície em compressão aumentará. Um sensor de pressão de onda acústica de superfície simplesmente substitui o diafragma com um substrato piezoeltrico modelado com eléctrodos interdigitados. Estirpe e trabalho binário de um modo semelhante, como aplicação para o sensor irá causar uma deformação do substrato piezoeltrico. Um sensor de temperatura de onda acústica de superfície pode ser formado a partir de um substrato piezoeltrico com um relativamente elevado coeficiente de expansão térmica no sentido do comprimento do dispositivo.

Massa

A acumulação de massa na superfície de um sensor de ondas acústicas irão afectar a onda acústica de superfície, uma vez que viaja através da linha de retardo. A velocidade v de uma onda que se desloca através de um sólido é proporcional à raiz quadrada do produto do módulo de Young E e a densidade do material.

Portanto, a velocidade da onda vai diminuir com massa adicionada. Esta mudança pode ser medido por uma alteração no tempo de atraso ou de desvio de fase entre os sinais de entrada e de saída. atenuação de sinal pode ser medido, bem como, como o acoplamento com a massa adicional da superfície irá reduzir a energia das ondas. No caso da massa de detecção, como a mudança no sinal irá sempre ser devido a um aumento da massa a partir de um sinal de referência igual a zero massa adicional, a atenuação de sinal pode ser utilizada de forma eficaz.

Funcionalidade estendida

A funcionalidade inerente de um sensor de onda acústica de superfície pode ser prolongado pela deposição de uma película fina de material do outro lado da linha de atraso, que é sensível aos fenómenos físicos de interesse. Se um fenómeno físico provoca uma mudança no comprimento ou massa na película fina depositada, a onda acústica de superfície vai ser afectada pelos mecanismos acima mencionados. Alguns exemplos funcionalidade estendida estão listados abaixo:

Os vapores químicos

sensores de vapor químico utilizar a aplicação de uma fina película de polímero através da linha de atraso, que absorve selectivamente o gás ou gases de interesse. Uma variedade de tais sensores com diferentes revestimentos poliméricos pode ser usado para detectar uma grande variedade de gases sobre um único sensor com resolução até partes por trilião, permitindo a criação de uma sensível "laboratório num chip".

A matéria biológica

A camada biologicamente activa pode ser colocado entre os eléctrodos interdigitados que contém anticorpos imobilizados. Se o correspondente antigénio está presente numa amostra, o antigénio vai ligar-se aos anticorpos, fazendo com que uma massa-carga sobre o dispositivo. Estes sensores podem ser utilizados para detectar bactérias e vírus em amostras, assim como para quantificar a presença de certos ARNm e proteínas.

Umidade

Superfície sensores de ondas acústicas de humidade requerem um refrigerador termoeléctrico para além de um dispositivo de onda acústica de superfície. O refrigerador termoeléctrico é colocado por baixo do dispositivo de onda acústica de superfície. Ambos estão alojados numa cavidade com uma entrada e uma saída para os gases. Por arrefecimento do dispositivo, o vapor de água tendem a condensar-se na superfície do dispositivo, fazendo com que uma massa-carga.

Radiação ultravioleta

Tampo dispositivos de ondas acústicas podem ser feitas sensível aos comprimentos de onda ópticos através dos fenómenos conhecidos como transporte acústico carga (ACT), o qual envolve a interacção entre uma onda acústica de superfície e transportadores de carga fotogerados de um estrato fotocondutor. sensores de radiação ultravioleta empregar o uso de uma camada de película fina de óxido de zinco através da linha de retardo. Quando exposta à radiação ultravioleta, o óxido de zinco gera portadores de carga que interagem com os campos eléctricos produzidos no substrato piezoeltrico pela onda viajante superfície acústica. Esta interacção diminui a velocidade e a amplitude do sinal.

Campos magnéticos

materiais ferromagnéticos, tal como ferro, níquel, cobalto e, exibem uma magnetoestricção chamada característica, em que o módulo do material de Young é dependente da intensidade do campo magnético. Se uma tensão constante é mantida sobre um tal material, a estirpe mudará com uma mudança de módulo de Young. Se um tal material é depositado na linha de retardo de um sensor de onda acústica de superfície, uma mudança no comprimento do filme depositado irá salientar o substrato subjacente. Esta tensão resultará em uma pressão sobre a superfície do substrato, que afecta a velocidade de fase, por deslocamento de fase, e tempo de atraso do sinal.

Viscosidade

Dispositivos de ondas acústicas de superfície pode ser utilizado para medir alterações na viscosidade de um líquido sobre ela colocado. À medida que o líquido se torna mais viscoso a frequência de ressonância do dispositivo mudará em correspondência. Um analisador de rede é necessária para exibir a frequência ressonante.

Ligações externas e referências

Referências