Поверхностная акустическая волна ( ПАВ ) — это акустическая волна, распространяющаяся вдоль поверхности материала, обладающего упругостью , с амплитудой , которая обычно экспоненциально затухает с глубиной материала, так что она ограничивается глубиной около одной длины волны. [2] [3]
SAW были впервые объяснены в 1885 году лордом Рэлеем , который описал поверхностный акустический режим распространения и предсказал его свойства в своей классической статье. [4] Названные в честь своего первооткрывателя, волны Рэлея имеют продольную и вертикальную сдвиговую составляющую, которые могут связываться с любой средой, такой как дополнительные слои, контактирующие с поверхностью. Эта связь сильно влияет на амплитуду и скорость волны, позволяя датчикам SAW напрямую определять массу и механические свойства. Термин «волны Рэлея» часто используется как синоним «SAW», хотя, строго говоря, существует несколько типов поверхностных акустических волн, таких как волны Лява , которые поляризованы в плоскости поверхности, а не продольно и вертикально.
SAW, такие как волны Лява и Рэлея, имеют тенденцию распространяться гораздо дольше, чем объемные волны, поскольку им приходится перемещаться только в двух измерениях, а не в трех. Кроме того, в целом они имеют более низкую скорость, чем их объемные аналоги.
Устройства на поверхностных акустических волнах обеспечивают широкий спектр применения с использованием электронной системы, включая линии задержки , фильтры, корреляторы и преобразователи постоянного тока в постоянный . Возможности этих устройств на ПАВ могут обеспечить потенциальное поле в радиолокационных системах, системах связи.
Этот вид волны обычно используется в устройствах, называемых SAW-устройствами в электронных схемах . SAW-устройства используются в качестве фильтров , генераторов и трансформаторов , устройств, которые основаны на преобразовании акустических волн. Преобразование электрической энергии в механическую (в форме SAW) осуществляется с помощью пьезоэлектрических материалов.
Электронные устройства, использующие ПАВ, обычно используют один или несколько встречно-штыревых преобразователей (IDT) для преобразования акустических волн в электрические сигналы и наоборот, используя пьезоэлектрический эффект определенных материалов , таких как кварц , ниобат лития , танталат лития , силикат лантана-галлия и т. д. [5] Эти устройства изготавливаются путем очистки/обработки подложки, такой как полировка, металлизация, фотолитография и изготовление пассивирующего/защитного (диэлектрического) слоя. Это типичные этапы процесса, используемые в производстве полупроводников, таких как кремниевые интегральные схемы .
Все части устройства (подложка, ее поверхность, тип материала металлизации, толщина металлизации, ее края, сформированные фотолитографией, слои - такие как пассивация, покрывающая металлизацию) оказывают влияние на производительность SAW-устройств, поскольку распространение волн Рэлея в значительной степени зависит от поверхности материала подложки, ее качества и всех слоев, контактирующих с подложкой. Например, в SAW-фильтрах частота дискретизации зависит от ширины пальцев IDT, мощность, передаваемая по каналу, связана с толщиной и материалами пальцев IDT, а температурная стабильность зависит не только от температурного поведения подложки, но и от металлов, выбранных для электродов IDT, и возможных диэлектрических слоев, покрывающих подложку и электроды.
Фильтры SAW теперь используются в мобильных телефонах и обеспечивают технические преимущества в производительности, стоимости и размере по сравнению с другими технологиями фильтрации, такими как кварцевые кристаллы (на основе объемных волн), LC-фильтры и волноводные фильтры, особенно на частотах ниже 1,5-2,5 ГГц в зависимости от необходимой для фильтрации мощности РЧ. Дополняющая технология SAW для частот выше 1,5-2,5 ГГц основана на тонкопленочных объемных акустических резонаторах (TFBAR или FBAR).
За последние 20 лет было проведено много исследований в области датчиков поверхностных акустических волн . [6] Применения датчиков включают все области зондирования (такие как химическое, оптическое, тепловое, давления , ускорения , крутящего момента и биологическое). Датчики SAW на сегодняшний день добились относительно скромного коммерческого успеха, но обычно коммерчески доступны для некоторых приложений, таких как сенсорные дисплеи. Они успешно применяются для измерения крутящего момента в силовых агрегатах автоспорта [7] и высокопроизводительных аэрокосмических приложениях [8], а также для измерения температуры в суровых условиях, таких как передача электроэнергии высокого напряжения и комбинированное измерение крутящего момента и температуры на роторе электродвигателей [9]
Резонаторы SAW используются во многих из тех же приложений, в которых используются кварцевые кристаллы , потому что они могут работать на более высокой частоте. [10] Они часто используются в радиопередатчиках, где не требуется настраиваемость. Они часто используются в таких приложениях, как дистанционное управление открыванием гаражных ворот , радиочастотные линии связи ближнего действия для компьютерной периферии и других устройствах, где не требуется разделение на каналы. Там, где радиосвязь может использовать несколько каналов, кварцевые генераторы чаще используются для управления фазовой автоподстройкой частоты . Поскольку резонансная частота устройства SAW задается механическими свойствами кристалла, она не дрейфует так сильно, как простой LC-генератор, где такие условия, как производительность конденсатора и напряжение батареи, будут существенно меняться в зависимости от температуры и возраста.
Фильтры SAW также часто используются в радиоприемниках, поскольку они могут иметь точно определенные и узкие полосы пропускания. Это полезно в приложениях, где одна антенна должна быть разделена между передатчиком и приемником, работающими на близко расположенных частотах. Фильтры SAW также часто используются в телевизионных приемниках для извлечения поднесущих из сигнала; до отключения аналоговой связи извлечение цифровых аудиоподнесущих из полосы промежуточной частоты телевизионного приемника или видеомагнитофона было одним из основных рынков для фильтров SAW.
Ранний пионер Джеффри Коллинз включил устройства на поверхностных акустических волнах в приемник Skynet , который он разработал в 1970-х годах. Он синхронизировал сигналы быстрее, чем существующие технологии. [11]
Они также часто используются в цифровых приемниках и хорошо подходят для супергетеродинных приложений. Это связано с тем, что сигнал промежуточной частоты всегда находится на фиксированной частоте после смешивания локального генератора с принятым сигналом, и поэтому фильтр с фиксированной частотой и высокой добротностью обеспечивает превосходное удаление нежелательных или помеховых сигналов.
В этих приложениях ПАВ-фильтры почти всегда используются с синтезированным гетеродином с фазовой автоподстройкой частоты или с гетеродином, управляемым варикапом .
В сейсмологии поверхностные акустические волны могут стать наиболее разрушительным типом сейсмических волн , создаваемых землетрясениями [12], которые распространяются в более сложных средах, таких как морское дно, скалы и т. д., поэтому людям необходимо их замечать и контролировать для защиты среды обитания.
ПАВ играют ключевую роль в области квантовой акустики (QA), где, в отличие от квантовой оптики (QO), которая изучает взаимодействие между материей и светом, анализируется взаимодействие между квантовыми системами ( фононами , (квази)частицами и искусственными кубитами) и акустическими волнами. Скорость распространения соответствующих волн QA на пять порядков медленнее, чем у QO. В результате QA предлагает другую перспективу квантового режима с точки зрения длин волн, которые QO не охватывал. [13] Одним из примеров таких дополнений является квантово-оптическое исследование кубитов и квантовых точек, изготовленных таким образом, чтобы имитировать существенные аспекты естественных атомов, например, структуры энергетических уровней и связь с электромагнитным полем . [14] [15] [16] [17] [ 18 ] Эти искусственные атомы организованы в схему, названную «гигантскими атомами» из-за ее размера, достигающего 10−4–10−3 м . [19] В квантово-оптических экспериментах для взаимодействия материи и света обычно использовались микроволновые поля , но из-за разницы в длине волны между гигантскими атомами и микроволновыми полями, длина волны последних составляет от 10−2 до 10−1 м, вместо них использовались ПАВ с более подходящей длиной волны (10−6 м ). [20]
В областях магноники и спинтроники резонансная связь между спиновыми волнами и поверхностными акустическими волнами с одинаковым волновым вектором и частотой позволяет передавать энергию из одной формы в другую в любом направлении. [13] Это может быть полезно, например, при создании датчиков магнитного поля , которые чувствительны как к интенсивности, так и к направлению внешних магнитных полей. Эти датчики, построенные с использованием структуры магнитострикционных и пьезоэлектрических слоев, имеют преимущество работы без батарей и проводов, а также имеют широкий диапазон рабочих условий, таких как высокие температуры или вращающиеся системы. [21]
Даже в самых малых масштабах современной полупроводниковой технологии каждая операция выполняется огромными потоками электронов. [22] Уменьшение количества электронов, участвующих в этих процессах, с конечной целью достижения контроля над одним электроном является серьезной проблемой. Это связано с тем, что электроны сильно взаимодействуют друг с другом и своим окружением, что затрудняет отделение одного от другого. [23] Использование ПАВ может помочь в достижении этой цели. Когда ПАВ генерируются на пьезоэлектрической поверхности, волна деформации генерирует электромагнитный потенциал. Минимумы потенциала затем могут захватывать отдельные электроны, позволяя им индивидуально транспортироваться. Хотя этот метод изначально рассматривался как способ точного определения стандартной единицы тока, [24] он оказался более полезным в области квантовой информации . [25] Обычно кубиты неподвижны, что затрудняет передачу информации между ними. Отдельные электроны, переносимые ПАВ, можно использовать в качестве так называемых летающих кубитов, способных переносить информацию из одного места в другое. Для реализации этого необходим один источник электронов, а также приемник, между которым может транспортироваться электрон. Квантовые точки (КТ) обычно используются для этих стационарных электронных ограничений. Этот потенциальный минимум иногда называют ПАВ КТ. Процесс, как показано на GIF справа, обычно выглядит следующим образом. Сначала ПАВ генерируются с помощью встречно-штыревого преобразователя с определенными размерами между электродами, чтобы получить благоприятные длины волн. [22] Затем из стационарной КТ квантовый электрон туннелирует в потенциальный минимум, или ПАВ КТ. ПАВ передают некоторую кинетическую энергию электрону, продвигая его вперед. Затем он переносится через одномерный канал на поверхности пьезоэлектрического полупроводникового материала, такого как GaAs . [23] [24] Наконец, электрон туннелирует из ПАВ КТ в приемник КТ, после чего передача завершается. Этот процесс также может быть повторен в обоих направлениях. [26]
Поскольку акустические колебания могут взаимодействовать с движущимися зарядами в пьезоэлектрическом полупроводнике через пьезоэлектрическое поле, индуцированное деформацией, в объемных материалах эта акустоэлектрическая (АЭ) связь также важна в двумерных материалах, таких как графен . В этих двумерных материалах двумерный электронный газ имеет энергии запрещенной зоны, как правило, намного выше, чем энергия фононов ПАВ, проходящих через материал. Поэтому фононы ПАВ обычно поглощаются через внутризонные электронные переходы . В графене эти переходы являются единственным способом, поскольку линейное дисперсионное соотношение его электронов препятствует сохранению импульса/энергии, когда он поглощал бы ПАВ для межзонного перехода. [27]
Часто взаимодействие между движущимися зарядами и ПАВ приводит к уменьшению интенсивности ПАВ по мере ее движения через двумерный электронный газ, а также к перенормировке скорости ПАВ. Заряды перенимают кинетическую энергию от ПАВ и снова теряют эту энергию из-за рассеяния носителей .
Помимо ослабления интенсивности SAW, существуют особые ситуации, в которых волна может быть также усилена. Прикладывая напряжение к материалу, носители заряда могут получить более высокую скорость дрейфа, чем SAW. Затем они передают часть своей кинетической энергии SAW, заставляя ее усиливать свою интенсивность и скорость. Обратное тоже работает. Если SAW движется быстрее носителей, она может передавать им кинетическую энергию и тем самым терять некоторую скорость и интенсивность. [28]
В последние годы внимание было привлечено к использованию SAW для управления микрофлюидным приводом и множеством других процессов. Из-за несоответствия скоростей звука в субстрате SAW и жидкости, SAW могут эффективно переноситься в жидкость, создавая значительные инерционные силы и скорости жидкости. Этот механизм может быть использован для управления действиями жидкости, такими как перекачка , смешивание и струйная обработка .[8] Для управления этими процессами происходит изменение режима волны на границе раздела жидкость-субстрат. В субстрате волна SAW является поперечной волной , а при попадании в каплю волна становится продольной волной .[9] Именно эта продольная волна создает поток жидкости внутри микрофлюидной капли, позволяя смешивать. Этот метод может быть использован в качестве альтернативы микроканалам и микроклапанам для манипулирования субстратами, что позволяет использовать открытую систему. [29]
Этот механизм также использовался в микрофлюидике на основе капель для манипуляции каплями. В частности, используя SAW в качестве приводного механизма, капли подталкивались к двум [30] [31] или более [32] выходным отверстиям для сортировки. Кроме того, SAW использовались для модуляции размера капель, [33] [34] разделения, [35] [30] [36] захвата, [37] выщипывания, [38] и нанофлюидного пипетирования. [36] Удары капель по плоским и наклонным поверхностям управлялись и контролировались с помощью SAW. [39] [40]
PDMS ( полидиметилсилоксан ) — это материал, который можно использовать для создания микроканалов и микрофлюидных чипов. Он имеет множество применений, в том числе в экспериментах, где живые клетки должны быть протестированы или обработаны. Если живые организмы должны оставаться живыми, важно контролировать и контролировать их среду, такую как уровень тепла и pH; однако, если эти элементы не регулируются, клетки могут погибнуть или это может привести к нежелательным реакциям. [41] Было обнаружено, что PDMS поглощает акустическую энергию, заставляя PDMS быстро нагреваться (превышая 2000 Кельвинов в секунду). [42] Использование SAW в качестве способа нагрева этих устройств PDMS, а также жидкостей внутри микроканалов, теперь является технологией, которую можно выполнять контролируемым образом с возможностью манипулировать температурой с точностью до 0,1 °C. [42] [43]
Разработка устройств на основе гибких поверхностных акустических волн (SAW) стала значительным фактором в развитии носимых технологий и микрофлюидных систем. Эти устройства обычно изготавливаются на полимерных подложках, таких как полиэтиленнафталат (PEN) и полиимид , и используют напыление материалов, таких как AlN и ZnO . [44] Это сочетание гибкости и современных материалов расширило их потенциал применения в различных областях.
Поверхностные акустические волны могут использоваться для измерения расхода. SAW основаны на распространении волнового фронта, что похоже на сейсмическую активность. Волны генерируются в центре возбуждения и распространяются по поверхности твердого материала. Электрический импульс заставляет их генерировать SAW, которые распространяются как волны землетрясения . Встречно-штыревой преобразователь действует как отправитель и как приемник . Когда один находится в режиме отправителя, два самых удаленных действуют как приемники. SAW распространяются вдоль поверхности измерительной трубки, но часть будет связываться с жидкостью. Угол развязки зависит от жидкости, соответственно, от скорости распространения волны, которая специфична для жидкости. С другой стороны измерительной трубки части волны будут связываться с трубкой и продолжать свой путь по ее поверхности к следующему встречно-штыревому преобразователю. Другая часть будет снова связываться и возвращаться на другую сторону измерительной трубки, где эффект повторяется, и преобразователь на этой стороне обнаруживает волну. Это означает, что возбуждение любого преобразователя здесь приведет к последовательности входных сигналов на двух других преобразователях на расстоянии. Два преобразователя посылают свои сигналы в направлении потока, два — в другом направлении. [45]
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )