Датчик поверхностных акустических волн

Датчики поверхностных акустических волн представляют собой класс микроэлектромеханических систем (МЭМС), которые полагаются на модуляцию поверхностных акустических волн для обнаружения физического явления. Датчик преобразует входной электрический сигнал в механическую волну, на которую, в отличие от электрического сигнала, легко могут влиять физические явления. Затем устройство преобразует эту волну обратно в электрический сигнал. Изменения амплитуды, фазы, частоты или временной задержки между входными и выходными электрическими сигналами можно использовать для измерения наличия желаемого явления. ^[1]^[2]^[3]

Компоновка устройства

Базовое устройство на поверхностных акустических волнах состоит из пьезоэлектрической подложки с входным встречно-штыревым преобразователем (ВШП) на одной стороне поверхности подложки и выходным ВШП на другой стороне подложки. Пространство между ВШП, по которому распространяется поверхностная акустическая волна, называется линией задержки; сигнал, создаваемый входным IDT (физическая волна), движется намного медленнее, чем связанная с ним электромагнитная форма, вызывая измеримую задержку.

Работа устройства

Технология поверхностных акустических волн использует в своей работе пьезоэлектрический эффект . Большинство современных датчиков поверхностных акустических волн используют входной встречно-штыревой преобразователь (IDT) для преобразования электрического сигнала в акустическую волну.

Синусоидальный электрический входной сигнал создает переменную полярность между пальцами встречно-штыревого преобразователя. Между двумя соседними наборами пальцев будет переключаться полярность (например, + - +). В результате направление электрического поля между двумя пальцами будет чередоваться между соседними наборами пальцев. Это создает чередующиеся области растягивающей и сжимающей деформации между пальцами электрода за счет пьезоэлектрического эффекта, создавая на поверхности механическую волну, известную как поверхностная акустическая волна . Поскольку пальцы на одной стороне устройства будут находиться на одинаковом уровне сжатия или напряжения, пространство между ними, известное как шаг, представляет собой длину волны механической волны. Мы можем выразить синхронную частоту f ₀ устройства с фазовой скоростью v _p и шагом p как:

f_{0}={\frac {v_{p}}{p}}

Синхронная частота — это собственная частота, с которой должны распространяться механические волны. В идеале входной электрический сигнал должен иметь синхронную частоту, чтобы минимизировать вносимые потери.

Поскольку механическая волна будет распространяться в обоих направлениях от входного ВШП, половина энергии сигнала будет распространяться через линию задержки в направлении выходного ВШП. В некоторых устройствах между ВШП и краями подложки добавляется механический поглотитель или отражатель, чтобы предотвратить интерференционную картину или уменьшить вносимые потери соответственно.

Акустическая волна проходит по поверхности подложки устройства к другому встречно-штыревому преобразователю, преобразуя волну обратно в электрический сигнал за счет пьезоэлектрического эффекта. Любые изменения, внесенные в механическую волну, будут отражены в выходном электрическом сигнале. Поскольку характеристики поверхностной акустической волны могут быть изменены за счет изменений свойств поверхности подложки устройства, датчики могут быть разработаны для количественной оценки любого явления, которое изменяет эти свойства. Обычно это достигается добавлением массы к поверхности или изменением длины подложки и расстояния между пальцами.

Собственная функциональность

Конструкция базового датчика поверхностных акустических волн позволяет измерять такие явления, как давление, деформация, крутящий момент, температура и масса. Механизмы этого обсуждаются ниже:

Давление, деформация, крутящий момент, температура

Явления давления, деформации, крутящего момента, температуры и массы можно обнаружить с помощью базового устройства, состоящего из двух ВШП, разделенных некоторым расстоянием на поверхности пьезоэлектрической подложки. Все эти явления могут вызвать изменение длины поверхности устройства. Изменение длины повлияет как на расстояние между встречно-штыревыми электродами (изменение высоты тона), так и на расстояние между ВШП (изменение задержки). Это можно воспринимать как сдвиг фазы, частоты или временную задержку выходного электрического сигнала.

Основным измерением датчика поверхностных акустических волн обычно является деформация. Когда диафрагма помещается между средой с переменным давлением и эталонной полостью с фиксированным давлением, диафрагма будет изгибаться в ответ на перепад давления. По мере изгиба диафрагмы расстояние вдоль сжимаемой поверхности будет увеличиваться. Датчик давления поверхностной акустической волны либо заменяет диафрагму пьезоэлектрической подложкой с рисунком из встречно-штыревых электродов, либо подключает диафрагму большего размера к подложке, чтобы создать измеримую деформацию в устройстве на основе поверхностных акустических волн. При измерении крутящего момента измеряется основная поверхностная деформация вала в направлении вращения, поскольку приложение к датчику вызовет деформацию пьезоэлектрической подложки. Датчик температуры на поверхностных акустических волнах может быть изготовлен из пьезоэлектрической подложки с относительно высоким коэффициентом теплового расширения в направлении длины устройства. Измерение температуры и измерение деформации можно объединить в одном устройстве для обеспечения температурной компенсации чувствительной системы.

Благодаря способности датчиков поверхностной акустической волны работать в электромагнитно-зашумленной среде и в непосредственной близости от магнитов было обнаружено, что их можно встраивать в электродвигатели с целью улучшения управления путем обеспечения активного измерения крутящего момента и температуры вала ротора машины. . Они также применяются в системах управления роботами, чтобы обеспечить динамическую обратную связь по крутящему моменту при движении робота, уменьшая дрожание .

Масса

Накопление массы на поверхности датчика акустических волн будет влиять на поверхностную акустическую волну, когда она пересекает линию задержки. Скорость v волны, распространяющейся через твердое тело, пропорциональна квадратному корню из произведения модуля Юнга E и плотности. $\scriptstyle \rho$ материала.

v\propto {\sqrt {E/\rho }}

Следовательно, скорость волны будет уменьшаться с добавлением массы. Это изменение можно измерить по изменению временной задержки или фазового сдвига между входными и выходными сигналами. Затухание сигнала также можно измерить, поскольку связь с дополнительной поверхностной массой уменьшит энергию волны. В случае измерения массы, поскольку изменение сигнала всегда будет происходить из-за увеличения массы по сравнению с опорным сигналом с нулевой дополнительной массой, можно эффективно использовать ослабление сигнала.

Расширенная функциональность

Функциональность датчика поверхностных акустических волн можно расширить за счет нанесения тонкой пленки материала поперек линии задержки, чувствительной к интересующим физическим явлениям. Если физическое явление вызывает изменение длины или массы осажденной тонкой пленки, на поверхностную акустическую волну будут влиять механизмы, упомянутые выше. Некоторые примеры расширенной функциональности перечислены ниже:

Химические пары

В датчиках химических паров на линии задержки применяется тонкопленочный полимер, который избирательно поглощает интересующий газ или газы. Множество таких датчиков с различными полимерными покрытиями можно использовать для обнаружения большого количества газов с помощью одного датчика с разрешением до частей на триллион, что позволяет создать чувствительную «лабораторию на чипе».

Биологическая материя

Между встречно-штыревыми электродами может быть размещен биологически активный слой, содержащий иммобилизованные антитела. Если соответствующий антиген присутствует в образце, антиген связывается с антителами, вызывая массовую нагрузку на устройство. Эти датчики можно использовать для обнаружения бактерий и вирусов в образцах, а также для количественного определения присутствия определенных мРНК и белков.

Влажность

Для датчиков влажности на поверхностных акустических волнах в дополнение к устройству на поверхностных акустических волнах требуется термоэлектрический охладитель. Термоэлектрический охладитель расположен под устройством поверхностных акустических волн. Оба помещены в полость с входом и выходом газов. При охлаждении устройства водяной пар будет иметь тенденцию конденсироваться на поверхности устройства, вызывая массовую нагрузку.

Ультрафиолетовое излучение

Устройства на поверхностных акустических волнах становятся чувствительными к оптическим длинам волн благодаря явлению, известному как акустический перенос заряда (ACT), которое включает взаимодействие между поверхностной акустической волной и фотогенерированными носителями заряда из фотопроводящего слоя. Датчики ультрафиолетового излучения используют тонкий слой оксида цинка поперек линии задержки. Под воздействием ультрафиолетового излучения оксид цинка генерирует носители заряда, которые взаимодействуют с электрическими полями, создаваемыми в пьезоэлектрической подложке бегущей поверхностной акустической волной. ^[4] Это взаимодействие приводит к измеримому уменьшению скорости и амплитуды сигнала акустической волны.

Магнитные поля

Ферромагнитные материалы (такие как железо, никель и кобальт) меняют свои физические размеры в присутствии приложенного магнитного поля — свойство, называемое магнитострикцией. Модуль Юнга материала зависит от напряженности окружающего магнитного поля. Если пленка магнитострикционного материала осаждается на линии задержки датчика поверхностных акустических волн, изменение длины нанесенной пленки в ответ на изменение магнитного поля приведет к напряжению нижележащей подложки. Результирующая деформация (т.е. деформация поверхности подложки) вызывает измеримые изменения фазовой скорости, фазового сдвига и временной задержки сигнала акустической волны, предоставляя информацию о магнитном поле.

Вязкость

Устройства на поверхностных акустических волнах можно использовать для измерения изменений вязкости жидкости, находящейся на ней. По мере того как жидкость становится более вязкой, соответственно будет меняться и резонансная частота устройства. Для просмотра резонансной частоты необходим сетевой анализатор.

Внешние ссылки и ссылки

Ссылки

^ Грейт, Джей В. (2000). «Массивы акустоволновых микросенсоров для измерения паров». Химические обзоры . 100 (7): 2627–2648. дои : 10.1021/cr980094j . ПМИД 11749298 .
^ Томпсон, Миннесота; Стоун, округ Колумбия (1997). Датчики акустических волн поверхностного запуска: химическое зондирование и определение тонкопленочных характеристик . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Баллантайн, Д.С.; Уайт, Р.М.; Мартин, С.Дж.; Рикко, Эй Джей; Зеллерс, ET; Фрай, GC; Вольтьен, Х. (1997). Датчики акустических волн. Теория, конструкция и физико-химические приложения . Нью-Йорк: Академическая пресса. {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Кумар, Санджив, Гил-Хо Ким, К. Шринивас и Р.П. Тандон. Ультрафиолетовый фотодатчик поверхностной акустической волны на основе ZnO. Журнал электрокерамики 22.1-3 (2009): 198-202.

[1] Грейт, Джей В. (2000). «Массивы акустоволновых микросенсоров для измерения паров». Химические обзоры . 100 (7): 2627–2648. дои : 10.1021/cr980094j . ПМИД 11749298 .

[2] Томпсон, Миннесота; Стоун, округ Колумбия (1997). Датчики акустических волн поверхностного запуска: химическое зондирование и определение тонкопленочных характеристик . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[3] Баллантайн, Д.С.; Уайт, Р.М.; Мартин, С.Дж.; Рикко, Эй Джей; Зеллерс, ET; Фрай, GC; Вольтьен, Х. (1997). Датчики акустических волн. Теория, конструкция и физико-химические приложения . Нью-Йорк: Академическая пресса. {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[4] Кумар, Санджив, Гил-Хо Ким, К. Шринивас и Р.П. Тандон. Ультрафиолетовый фотодатчик поверхностной акустической волны на основе ZnO. Журнал электрокерамики 22.1-3 (2009): 198-202.

[1]

[2]

[3]

[4]