Беттік акустикалық толқындар және олардың қолданылуы

Кіріспе

Эластикалық материалдың бетімен қарай жылға басқан дыбыс толқыны.

Беттік акустикалық толқын (БАТ) – серпімділік қасиеттерін көрсететін материалдың бетімен қарай жылға басқан акустикалық толқын. Оның амплитудасы материалдың ішіне қарай тереңдеген сайын экспоненциалды түрде кемиді, сондықтан толқын шамамен бір толқын ұзындығының тереңдігімен шектеледі.

Ашылу

САВ-ты алғаш рет 1885 жылы Лорд Рейли түсіндірді, ол беттік акустикалық таралу режимін сипаттады және оның қасиеттерін өзінің классикалық еңбегінде болжады. Өз ашушысының құрметіне аталған Рейли толқындары бойлық және тік серпіліс компоненттеріне ие, олар бетке жанасқан қосымша қабаттар сияқты кез келген ортамен байланыса алады. Бұл байланыс толқынның амплитудасы мен жылдамдығына күшті әсер етеді, SAW сенсорларына масса мен механикалық қасиеттерді тікелей анықтауға мүмкіндік береді. "Рейли толқындары" термині көбінесе "SAW" терминімен бір мағынада қолданылады, бірақ қатаң айтқанда, беттік акустикалық толқындардың бірнеше түрі бар, мысалы, Лав толқындары, олар бойлық және тік емес, бет жазықтығында поляризацияланған. Лав және Рейли толқындары сияқты САВ-тар көлемдік толқындарға қарағанда әлдеқайда ұзаққа таралады, себебі олар үш емес, екі өлшемде ғана қозғалуы керек. Сонымен қатар, олардың жылдамдығы көбінесе олардың көлемдік аналогтарынан төмен болады.

SAW құрылғылары

Беттік акустикалық толқын құрылғылары электрондық жүйелерде, оның ішінде кідірту желілерінде, сүзгілерде, корреляторларда және тұрақты токтан тұрақты токқа түрлендіргіштерде кең ауқымды қолданысқа ие. Бұл БАТҚ құрылғыларының мүмкіндіктері радиолокациялық және байланыс жүйелерінде перспективалы қолданылуына жол ашады.

Электрондық компоненттерде қолдану

Бұл толқын түрі әдетте электрондық тізбектердегі SAW құрылғыларында қолданылады. SAW құрылғылары сүзгілер, осцилляторлар және трансформаторлар ретінде қолданылады, бұл құрылғылар акустикалық толқындардың түрленуіне негізделген. Электр энергиясын механикалық энергияға (SAW түрінде) түрлендіру пьезоэлектрлік материалдарды пайдалану арқылы жүзеге асырылады. SAW-ды қолданатын электрондық құрылғылар әдетте акустикалық толқындарды электр сигналдарына және керісінше түрлендіру үшін бір немесе бірнеше интердигиталды түрлендіргіштерді (IDT) пайдаланады, кварц, литий ниобаты, литий танталаты, лантан галлий силикаты сияқты материалдардың пьезоэлектрлік әсерін пайдаланып. Бұл құрылғылар субстратты тазалау/өңдеу, соның ішінде жылтырату, металдандыру, фотолитография және пассивтеу/қорғау (диэлектрлік) қабатын жасау арқылы жасалады. Бұл кремний интегралды тізбектері сияқты жартылай өткізгіштерді өндіруде қолданылатын стандартты процестік қадамдар. Құрылғының барлық бөліктері (субстрат, оның беті, металдандыру материалының түрі, металдандырудың қалыңдығы, фотолитографиямен қалыптасқан жиектері, металлдандыруды пассивтеу қабаты сияқты қабаттар) SAW құрылғыларының өнімділігіне әсер етеді, себебі Рейли толқындарының таралуы субстрат материалының бетіне, оның сапасына және субстратпен жанасатын барлық қабаттарға тікелей байланысты. Мысалы, SAW сүзгілерінде дискреттеу жиілігі IDT саусақтарының еніне байланысты, қуатты өңдеу қабілеті IDT саусақтарының қалыңдығы мен материалдарына байланысты, ал температуралық тұрақтылық субстраттың температуралық мінез-құлқына ғана емес, сонымен қатар IDT электродтары үшін таңдалған металдарға және субстратты және электродтарды жабатын мүмкін диэлектрлік қабаттарға байланысты. SAW сүзгілері қазір ұялы телефондарда қолданылады және кварц кристалдарына (көлемдік толқындарға негізделген), LC сүзгілеріне және толқын жетекші сүзгілеріне қарағанда өнімділік, құн және өлшем тұрғысынан техникалық артықшылықтар ұсынады, әсіресе 1.5–2.5 ГГц төменгі жиіліктерде, сүзгіленетін RF қуатына байланысты. 1.5–2.5 ГГц-тен жоғары жиіліктерде SAW үшін толықтыратын технология жұқа пленкалық көлемдік акустикалық резонаторларға (TFBAR немесе FBAR) негізделген. Соңғы 20 жылда беттік акустикалық толқын сенсорлары саласында көптеген зерттеулер жүргізілді. Сенсорлық қолданулар сенсорлықтың барлық салаларын қамтиды (мысалы, химиялық, оптикалық, жылулық, қысым, үдеу, айналу моменті және биологиялық). SAW сенсорлары осы уақытқа дейін коммерциялық сәттілікке жете алмады, бірақ кейбір қолданулар үшін, мысалы сенсорлық дисплейлер үшін коммерциялық түрде қол жетімді. Олар мотоспорттық қуат агрегаттарында және жоғары өнімділіктегі ғарыш қолдануларында айналу моментін сезіну, сондай-ақ жоғары кернеулі электр қуатын беру және электр моторларының роторындағы айналу моменті мен температураның біріктірілген сезіну сияқты қиын жағдайларда температураны сезіну үшін сәтті қолданылды.

This kind of wave is commonly used in devices called SAW devices in electronic circuits. SAW devices are used as filters, oscillators and transformers, devices that are based on the transduction of acoustic waves. The transduction from electric energy to mechanical energy (in the form of SAWs) is accomplished by the use of piezoelectric materials. Electronic devices employing SAWs normally use one or more interdigital transducers (IDTs) to convert acoustic waves to electrical signals and vice versa by exploiting the piezoelectric effect of certain materials, like quartz, lithium niobate, lithium tantalate, lanthanum gallium silicate, etc. These devices are fabricated by substrate cleaning/treatments like polishing, metallisation, photolithography, and passivation/protection (dielectric) layer manufacturing. These are typical process steps used in manufacturing of semiconductors like silicon integrated circuits. All parts of the device (substrate, its surface, metallisation material type, thickness of metallisation, its edges formed by photolithography, layers like passivation coating the metallisation) have effect on the performance of the SAW devices because propagation of Rayleigh waves is highly dependent on the substrate material surface, its quality and all layers in contact with the substrate. For example in SAW filters the sampling frequency is dependent on the width of the IDT fingers, the power handling capability is related to the thickness and materials of the IDT fingers, and the temperature stability depends not only of the temperature behavior of the substrate but also on the metals selected for the IDT electrodes and the possible dielectric layers coating the substrate and the electrodes. SAW filters are now used in mobile telephones, and provide technical advantages in performance, cost, and size over other filter technologies such as quartz crystals (based on bulk waves), LC filters, and waveguide filters specifically at frequencies below 1.5 2.5 GHz depending on the RF power needed to be filtered. Complementing technology to SAW for frequencies above 1.5 2.5 GHz is based on thin film bulk acoustic resonators (TFBAR, or FBAR). Much research has been done in the last 20 years in the area of surface acoustic wave sensors. Sensor applications include all areas of sensing (such as chemical, optical, thermal, pressure, acceleration, torque and biological). SAW sensors have seen relatively modest commercial success to date, but are commonly commercially available for some applications such as touchscreen displays. They have been successfully applied to torque sensing in motorsport powertrains and high performance aerospace applications as well as temperature sensing in harsh environments such as high voltage electrical power transmission and the combined sensing of torque and temperature on the rotor of electric motors

Радио және теледидардағы SAW құрылғыларының қолданылуы

SAW резонаторлары кварц кристалдарын қолданатын көптеген қолданбаларда қолданылады, себебі олар жоғары жиілікте жұмыс істей алады. Олар көбінесе радио хабар таратушыларда қолданылады, онда реттеу қажеттілігі болмайды. Олар көбінесе гараж есігін ашатын қашықтан басқару құралдары, компьютерлік перифериялық құрылғылар үшін қысқа қашықтықтағы радиожиіліктік байланыстар және арналарға бөлу қажет емес басқа да құрылғылар сияқты қолданбаларда қолданылады. Егер радиобайланыс бірнеше арнаны пайдаланса, фазалық құлыпталған контурды (PLL) басқару үшін кварц кристалды осцилляторлар жиірек қолданылады. SAW құрылғысының резонанстық жиілігі кристалдың механикалық қасиеттерімен анықталады, сондықтан ол қарапайым LC осцилляторы сияқты көп дрейфтемейді, онда температура мен жасқа байланысты конденсатордың сипаттамалары мен батарея кернеуі айтарлықтай өзгереді. SAW сүзгілері радио қабылдағыштарда да жиі қолданылады, өйткені олар дәл анықталған және тар өткізу жолақтарына ие болуы мүмкін. Бұл бір антеннаны жақын жиіліктерде жұмыс істейтін таратушы мен қабылдағыш арасында бөлісу қажет болғанда пайдалы. SAW сүзгілері теледидар қабылдағыштарында сигналдан субтасушыларды алу үшін де жиі қолданылады; аналогтық трансляция тоқтатылғанға дейін теледидар қабылдағышының немесе бейнежазба құрылғысының аралық жиілік жолағынан цифрлық аудио субтасушыларын бөліп алу SAW сүзгілерінің басты нарығының бірі болды. Алғашқы дамушы Джеффри Коллинз 1970 жылдары жасаған Skynet қабылдағышына үстіңгі акустикалық толқындар құрылғыларын енгізді. Ол сигналдарды қазіргі технологиямен салыстырғанда жылдамрақ синхрондады. Олар сондай-ақ цифрлық қабылдағыштарда жиі қолданылады және супергетеродиндік қолданбаларға өте жақсы жарасады. Себебі, жергілікті осциллятор қабылдаған сигналмен араластырылғаннан кейін аралық жиілік сигналы әрқашан белгілі бір жиілікте болады, сондықтан белгілі бір жиіліктегі және жоғары сапалы (Q) сүзгілер қажетсіз немесе кедергі келтіретін сигналдарды жақсы жояды. Мұндай қолданбаларда SAW сүзгілері әдетте фазалық құлыпталған контурмен (PLL) синтезделген жергілікті осциллятормен немесе варикаппен басқарылатын осциллятормен бірге қолданылады.

SAW resonators are used in many of the same applications in which quartz crystals are used, because they can operate at higher frequency. They are often used in radio transmitters where tunability is not required. They are often used in applications such as garage door opener remote controls, short range radio frequency links for computer peripherals, and other devices where channelization is not required. Where a radio link might use several channels, quartz crystal oscillators are more commonly used to drive a phase locked loop. Since the resonant frequency of a SAW device is set by the mechanical properties of the crystal, it does not drift as much as a simple LC oscillator, where conditions such as capacitor performance and battery voltage will vary substantially with temperature and age. SAW filters are also often used in radio receivers, as they can have precisely determined and narrow passbands. This is helpful in applications where a single antenna must be shared between a transmitter and a receiver operating at closely spaced frequencies. SAW filters are also frequently used in television receivers, for extracting subcarriers from the signal; until the analog switchoff, the extraction of digital audio subcarriers from the intermediate frequency strip of a television receiver or video recorder was one of the main markets for SAW filters. Early pioneer Jeffery Collins incorporated surface acoustic wave devices in a Skynet receiver he developed in the 1970s. It synchronised signals faster than existing technology. They are also often used in digital receivers, and are well suited to superhet applications. This is because the intermediate frequency signal is always at a fixed frequency after the local oscillator has been mixed with the received signal, and so a filter with a fixed frequency and high Q provides excellent removal of unwanted or interference signals. In these applications, SAW filters are almost always used with a phase locked loop synthesized local oscillator, or a varicap driven oscillator.

Геофизикадағы САУ

Сейсмологияда жер бетіндегі акустикалық толқындар жер сілкінісінен пайда болатын ең қиратушы сейсмикалық толқын түрі болуы мүмкін, олар мұхит түбі, тау жыныстары сияқты күрделі ортада таралады. Сондықтан оларды адамдар байқап, қадағалау қажет, осылайша тіршілік ортасын қорғауға болады.

Кванттық акустикадағы SAW

КВА кванттық акустика (ҚА) саласында маңызды рөл атқарады, онда материя мен жарықтың өзара әрекеттесуін зерттейтін кванттық оптикадан (ҚО) айырмашылығы, кванттық жүйелердің (фонондар, (квази) бөлшектер және жасанды кубиттер) мен акустикалық толқындардың өзара әрекеттесуі талданады. ҚА толқындарының таралу жылдамдығы ҚО-дан бес рет баяу. Нәтижесінде, ҚО-да қамтылмаған толқын ұзындығы тұрғысынан кванттық режимге өзгеше көзқарас ұсынылады. Бұл қосымшалардың бір мысалы – табиғи атомдардың маңызды аспектілерін, мысалы, энергия деңгейлерінің құрылымын және электромагниттік өріспен байланысын имитациялайтын кубиттер мен кванттық нүктелерді кванттық оптикалық тұрғыдан зерттеу. Бұл жасанды атомдар 10−4–10−3 м көлемге жететін болғандықтан, «гигант атомдар» деп аталатын тізбекке орналастырылған. Кванттық оптикалық эксперименттерде әдетте материя мен жарықтың өзара әрекеттесуі үшін микротолқынды өрістер қолданылған, бірақ гигант атомдар мен микротолқынды өрістер арасындағы толқын ұзындығының айырмашылығы (соңғысының толқын ұзындығы 10−2–10−1 м аралығында) болғандықтан, SAW олардың тиімді толқын ұзындығы үшін (10−6 м) пайдаланылды. Магноника және спинтроника салаларында спин толқындары мен тең толқын векторы және жиілігі бар беттік акустикалық толқындар арасындағы резонанстық байланыс энергияны бір түрден екіншісіне, екі бағытта беруге мүмкіндік береді.

Бір электронды басқару

Тіпті қазіргі жартылай өткізгіш технологиясының ең кішкентай масштабында да әрбір операция үлкен электрон ағынымен жүзеге асырылады. Бұл процестерге қатысатын электрондардың санын азайту, бір электронды басқаруды жүзеге асырудың түпкі мақсаты – бұл үлкен қиындық. Бұл электрондардың бір-бірімен және қоршаған ортамен күшті өзара әрекеттесуіне байланысты, сондықтан олардың тек біреуін бөліп алу қиын. Осы мақсатқа жету үшін SAW-ды (беттік акустикалық толқындарды) қолдануға болады. Пьезоэлектрлік бетте SAW туындағанда, деформациялық толқын электромагниттік потенциал тудырады. Бұл потенциалдың ең төмен нүктелері жеке электрондарды тұтқындап, оларды жеке-жеке тасымалдауға мүмкіндік береді. Бұл техника бастапқыда токтың стандартты бірлігін дәл анықтау үшін ойластырылған, бірақ кванттық ақпарат саласында одан да тиімді болып шықты. Әдетте, кубиттер қозғалмайды, сондықтан олардың арасында ақпаратты алмасу қиын. SAW арқылы тасымалданатын жеке электрондар «ұшатын кубиттер» ретінде пайдаланылуы мүмкін, олар ақпаратты бір жерден екінші жерге жеткізе алады. Мұны іске асыру үшін бір электронды шығару көзі және электронды қабылдайтын құрылғы қажет. Кванттық нүктелер (QD) әдетте осы стационарлық электронды тұтқындау үшін қолданылады. Бұл потенциалдың ең төмен нүктесі кейде SAW QD деп аталады. Оң жақтағы GIF-те көрсетілгендей, процесс әдетте келесідей жүзеге асырылады. Бірінші кезекте, электродтар арасындағы белгілі бір өлшемдері бар сақина тәрізді аударғыш (interdigital transducer) арқылы SAW тудырылады, осылай қажетті толқын ұзындығына қол жеткізіледі.

SAW және 2D материалдары

Акустикалық тербелістер піезоэлектрлік жартылай өткізгіштегі қозғалатын зарядтармен көлемді материалдардағы кернеу тудыратын піезоэлектрлік өріс арқылы өзара әрекеттесе алады, сондықтан бұл акустоэлектрлік (АЭ) байланыс графин сияқты 2D материалдарда да маңызды. Бұл 2D материалдарда екі өлшемді электрондық газдың энергиялық саңылауы әдетте материал арқылы жүсетін SAW фонондарының энергиясынан әлдеқайда жоғары болады. Сондықтан SAW фонондары көбінесе бір жолақтың ішіндегі электрондық өтулер арқылы жұтылады. Графенде бұл өтулер жалғыз мүмкіндік, себебі оның электрондарының сызықтық дисперсиялық қатынасы SAW-ды бір жолақтың арасындағы өту үшін жұтқанда импульс/энергия сақталуына кедерес жасайды. Көбінесе қозғалатын зарядтар мен SAW арасындағы өзара әрекеттесу 2D электрондық газ арқылы өтетін SAW интенсивтілігінің төмендеуіне, сондай-ақ SAW жылдамдығының қайта қалыпқа келуіне алып келеді. Зарядтар SAW-дан кинетикалық энергияны алып, осы энергияны тасымалдаушылардың шашырауы арқылы қайта жоғалтады. SAW интенсивтілігінің төмендеуінен басқа, толқынның күшеюі мүмкін болатын ерекше жағдайлар да бар. Материалға кернеу қолдану арқылы заряд тасымалдаушылар SAW-дан жоғары дрейф жылдамдығына ие болуы мүмкін. Содан кейін олар кинетикалық энергиясының бір бөлігін SAW-ға береді, осылайша оның интенсивтілігі мен жылдамдығы артады. Керісінше де орын алады. Егер SAW тасымалдаушылардан жылдам қозғалса, ол оларға кинетикалық энергияны беруі мүмкін, соның салдарынан жылдамдық пен интенсивтіліктің бір бөлігін жоғалтады.

Микросутектердегі SAW

Соңғы жылдары микрофлюидтік іске қосу және басқа да процестерді басқару үшін SAW-лардың қолданылуына назар аударылды. SAW субстраты мен сұйықтықтағы дыбыс жылдамдықтарының айырмашылығына байланысты, SAW энергиясы тиімді түрде сұйықтыққа беріледі, нәтижесінде маңызды инерциялық күштер мен сұйықтық жылдамдықтары туындайды. Бұл механизм сұйықтықты сору, араластыру және шашырату сияқты әрекеттерді іске қосу үшін пайдаланылуы мүмкін. [8] Бұл процестерді іске қосу үшін сұйық субстрат интерфейсінде толқынның түрі өзгереді. Субстратта SAW толқыны көлденең толқын болып табылады, ал тамшыға енген кезде ол бойлық толқынға айналады. [9] Осы бойлық толқын микрофлюидтік тамшының ішінде сұйықтықтың ағынын тудырады, бұл араласу процесіне мүмкіндік береді. Бұл техника субстраттарды манипуляциялау үшін микроканалдар мен микрованналарға балама ретінде қолданылуы мүмкін, бұл ашық жүйеге жол ашады. Бұл механизм тамшыларды өңдеу үшін тамшылық микрофлюидикада да қолданылған. Атап айтқанда, SAW-ды іске қосу механизмі ретінде пайдаланып, тамшылар сұрыптау үшін екі немесе одан көп шығысқа қарай итерілді. Сонымен қатар, SAW тамшының көлемін өзгерту, бөлу, тұтқындау, қысқыштармен ұстау және нанофлюидтік піпеттеу үшін қолданылды. PDMS (полидиметилсилоксан) – микроканалдар мен микрофлюидтік чиптерді жасауға қолданылатын материал. Оның көптеген қолданыс салалары бар, соның ішінде тірі жасушаларды сынау немесе өңдеу үшін жүргізілетін эксперименттерде. Егер тірі организмдерді тірі ұстау қажет болса, олардың қоршаған ортасын, мысалы, температура мен pH деңгейін бақылау және реттеу маңызды; әйтпесе, жасушалар өлуі немесе күтілмеген реакциялар туындауы мүмкін. PDMS акустикалық энергияны сіңіретіні анықталды, бұл PDMS-тің жылдам қызуына (секундына 2000 Кельвиннен асып) әкеледі. SAW-ды PDMS құрылғыларын және микроканалдардағы сұйықтықтарды қыздыру үшін пайдалану қазір температураны 0,1°C дейін басқару мүмкіндігімен бақыланатын техника болып табылады. Икемді беттік акустикалық толқын (SAW) құрылғыларының дамуы киелі технологиялар мен микрофлюидтік жүйелердің дамуына ықпал еткен маңызды фактор болды. Бұл құрылғылар әдетте полимерлік субстраттарда, мысалы, полиэтилен нафталаты (PEN) және полиимидте жасалады және AlN және ZnO сияқты материалдарды шашырату арқылы жабылады. Бұл икемділік пен жетілдірілген материалдардың үйлесімі олардың қолданылу мүмкіндіктерін кеңейтті.

In recent years, attention has been drawn to using SAWs to drive microfluidic actuation and a variety of other processes. Owing to the mismatch of sound velocities in the SAW substrate and fluid, SAWs can be efficiently transferred into the fluid, creating significant inertial forces and fluid velocities. This mechanism can be exploited to drive fluid actions such as pumping, mixing, and jetting. [8] To drive these processes, there is a change of mode of the wave at the liquid substrate interface. In the substrate, the SAW wave is a transverse wave and upon entering the droplet the wave becomes a longitudinal wave. [9] It is this longitudinal wave that creates the flow of fluid within the microfluidic droplet, allowing mixing to take place. This technique can be used as an alternative to microchannels and microvalves for manipulation of substrates, allowing for an open system. This mechanism has also been used in droplet based microfluidics for droplet manipulation. Notably, using SAW as an actuation mechanism, droplets were pushed towards two or more outlets for sorting. Moreover, SAWs were used for droplet size modulation, splitting, trapping, tweezing, and nanofluidic pipetting. PDMS (polydimethylsiloxane) is a material that can be used to create microchannels and microfluidic chips. It has many uses, including in experiments where living cells are to be tested or processed. If living organisms need to be kept alive, it is important to monitor and control their environment, such as heat and pH levels; however, if these elements are not regulated, the cells may die or it may result in unwanted reactions. PDMS has been found to absorb acoustic energy, causing the PDMS to heat up quickly (exceeding 2000 Kelvin/second). The use of SAW as a way to heat these PDMS devices, along with liquids inside microchannels, is now a technique that can be done in a controlled manner with the ability to manipulate the temperature to within 0.1 °C. The development of Flexible Surface Acoustic Wave (SAW) devices has been a significant driver in the advancement of wearable technology and microfluidic systems. These devices are typically fabricated on polymer substrates, such as Polyethylene Naphthalate (PEN) and polyimide, and utilize sputtering deposition of materials like AlN and ZnO. This combination of flexibility and advanced materials has expanded their application potential across various fields.

Ағынды өлшеудегі SAW

Ағынды өлшеу үшін беткі акустикалық толқындарды қолдануға болады. SAW толқын фронтының таралуына негізделген, ол сейсмикалық құбылыстарға ұқсас. Толқындар қоздыру центрінде туындайды және қатты дененің бетімен таралады. Электрлік импульс жер сілкінісі сияқты таралатын SAW толқындарын тудырады. Саусақты аралық түрлендіргіш (интердигіталды түрлендіргіш) жіберуші де, қабылдаушы да болып жұмыс істейді. Оның біреуі жіберуші режімінде болса, ең қашықтағы екеуі қабылдаушы ретінде жұмыс істейді. SAW толқындары өлшеуіш түтіктің бетімен жүреді, бірақ олардың бір бөлігі сұйықтыққа өтеді. Бұл бөліну бұрышы сұйықтықтың өзіне тән толқын таралу жылдамдығына байланысты. Өлшеуіш түтіктің екінші жағында толқынның бөліктері түтікке қайта қосылып, оның бетімен келесі саусақты аралық түрлендіргішке дейін жалғасады. Тағы бір бөлігі қайтадан сұйықтыққа өтіп, өлшеуіш түтіктің екінші жағына қайта оралады, онда бұл әсер қайталанып, сол жақтағы түрлендіргіш толқынды анықтайды. Яғни, кез келген түрлендіргіштің қозуы алыстағы екі түрлендіргіште кіріс сигналының пайда болуына әкеледі. Екі түрлендіргіш сигналды ағын бағытында, ал екеуі кері бағытта жібереді.