Поверхностные акустические волны: свойства и применение.

Введение

Звуковая волна, распространяющаяся по поверхности упругого материала.

Поверхностная акустическая волна (ПАВ) – это акустическая волна, распространяющаяся по поверхности материала, обладающего упругостью, с амплитудой, которая обычно экспоненциально уменьшается с глубиной в материал, ограничиваясь слоем примерно в одну длину волны.

Открытие

Впервые SAW были объяснены в 1885 году лордом Рэлеем, который описал поверхностный акустический способ распространения и предсказал их свойства в своей классической работе. Названные в честь своего первооткрывателя, волны Рэлея имеют продольную и поперечную компоненты, которые могут взаимодействовать с любыми средами, такими как дополнительные слои, контактирующие с поверхностью. Это взаимодействие существенно влияет на амплитуду и скорость волны, позволяя SAW-датчикам напрямую измерять массу и механические свойства. Термин "волны Рэлея" часто используется как синоним "SAW", хотя строго говоря существует несколько типов поверхностных акустических волн, таких как волны Лава, которые поляризованы в плоскости поверхности, а не имеют продольную и поперечную поляризацию. Поверхностные волны, такие как волны Лава и Рэлея, как правило, распространяются значительно дольше, чем объемные волны, поскольку им необходимо распространяться только в двух измерениях, а не в трех. Кроме того, в общем случае они имеют более низкую скорость, чем их объемные аналоги.

Устройства SAW

Поверхностные акустические волны находят широкое применение в электронных системах, включая линии задержки, фильтры, корреляторы и DC-DC преобразователи. Возможности этих ПАВ открывают перспективы для применения в радиолокационных и коммуникационных системах.

Применение в электронных компонентах

Такие волны обычно используются в устройствах, называемых SAW-устройствами в электронных схемах. SAW-устройства применяются в качестве фильтров, генераторов и трансформаторов – устройств, основанных на преобразовании акустических волн. Преобразование электрической энергии в механическую (в виде САВ) осуществляется с использованием пьезоэлектрических материалов. Электронные устройства, использующие САВ, как правило, содержат один или несколько межцифровых преобразователей (IDT) для преобразования акустических волн в электрические сигналы и обратно, используя пьезоэлектрический эффект определенных материалов, таких как кварц, ниобат лития, танталат лития, силикат лантана-галлия и т.д. Эти устройства изготавливаются посредством очистки/обработки подложки, включая полировку, металлизацию, фотолитографию и создание пассивирующего/защитного (диэлектрического) слоя. Это типичные этапы технологического процесса, используемые при производстве полупроводников, таких как кремниевые интегральные схемы. Все компоненты устройства (подложка, ее поверхность, тип материала металлизации, толщина металлизации, края, сформированные фотолитографией, слои, такие как пассивирующее покрытие металлизации) влияют на характеристики SAW-устройств, поскольку распространение волн Рэлея сильно зависит от поверхности материала подложки, ее качества и всех слоев, контактирующих с подложкой. Например, в SAW-фильтрах частота дискретизации зависит от ширины пальцев IDT, способность к обработке мощности 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. SAW-фильтры сейчас используются в мобильных телефонах и обеспечивают технические преимущества в производительности, стоимости и размере по сравнению с другими технологиями фильтрации, такими как кварцевые кристаллы (основанные на объемных волнах), LC-фильтры и волноводные фильтры, особенно на частотах ниже 1,5–2,5 ГГц, в зависимости от требуемой полосы фильтрации RF-сигнала. В качестве дополнительной технологии к SAW для частот выше 1,5–2,5 ГГц используются тонкопленочные объемные акустические резонаторы (TFBAR или FBAR). За последние 20 лет было проведено много исследований в области датчиков поверхностных акустических волн. Области применения датчиков включают все виды измерений (химические, оптические, термические, давления, ускорения, крутящего момента и биологические). Датчики SAW пока не получили широкого коммерческого распространения, но уже доступны для некоторых применений, таких как сенсорные дисплеи. Они успешно применяются для измерения крутящего момента в силовых агрегатах автоспорта и высокопроизводительных аэрокосмических приложениях, а также для измерения температуры в жестких условиях, таких как передача электроэнергии высокого напряжения, и для одновременного измерения крутящего момента и температуры на роторе электродвигателей.

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

Применение устройств SAW в радио и телевидении

Резонаторы SAW используются во многих тех же областях применения, что и кварцевые кристаллы, поскольку они могут работать на более высоких частотах. Они часто применяются в радиопередатчиках, где не требуется перестройка частоты. Они широко используются в таких устройствах, как пульты дистанционного управления для ворот гаража, радиоканалы связи малого радиуса действия для компьютерной периферии и других устройствах, где не требуется разделение каналов. В случаях, когда радиосвязь использует несколько каналов, кварцевые генераторы чаще применяются для управления фазовой автоподстройкой (ФАП). Поскольку резонансная частота SAW-устройства определяется механическими свойствами кристалла, она не подвержена такому дрейфу, как у простого LC-генератора, где параметры, такие как характеристики конденсатора и напряжение питания, значительно изменяются в зависимости от температуры и срока службы. Фильтры SAW также часто используются в радиоприемниках, поскольку они могут иметь точно заданные и узкие полосы пропускания. Это особенно полезно, когда одна и та же антенна используется для передачи и приема сигналов на близких частотах. Фильтры SAW также часто применяются в телевизионных приемниках для выделения поднесущих; до перехода на цифровое вещание извлечение цифровых звуковых поднесущих из промежуточной полосы частот телевизионного приемника или видеомагнитофона являлось одним из основных рынков для фильтров SAW. Пионер в этой области, Джеффри Коллинз, включил устройства поверхностных акустических волн в приемник Skynet, разработанный им в 1970-х годах. Этот приемник синхронизировал сигналы быстрее, чем существующие на тот момент технологии. Они также часто используются в цифровых приемниках и хорошо подходят для супергетеродинных схем. Это связано с тем, что сигнал промежуточной частоты всегда имеет фиксированную частоту после смешения сигнала местного осциллятора с принятым сигналом, и поэтому фильтр с фиксированной частотой и высоким коэффициентом добротности обеспечивает эффективное подавление нежелательных или мешающих сигналов. В этих приложениях фильтры SAW почти всегда используются совместно с синтезатором частоты на основе ФАП или генератором с варикапом.

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.

SAW в геофизике

В сейсмологии поверхностные акустические волны могут оказаться наиболее разрушительным типом сейсмических волн, генерируемых землетрясениями, распространяющихся в сложных средах, таких как морское дно, горные породы и т.п. Поэтому необходимо, чтобы люди обращали внимание на них и осуществляли мониторинг для защиты окружающей среды.

SAW в квантовой акустике

Поверхностные акустические волны (ПАВ) играют ключевую роль в области квантовой акустики (QA), где, в отличие от квантовой оптики (QO), изучающей взаимодействие между материей и светом, анализируется взаимодействие между квантовыми системами (фононами, (квази)частицами и искусственными кубитами) и акустическими волнами. Скорость распространения соответствующих волн в QA на пять порядков величины меньше, чем в QO. В результате QA предлагает иной взгляд на квантовый режим с точки зрения длин волн, которые не охвачены QO. Одним из примеров такого расширения является квантово-оптическое исследование кубитов и квантовых точек, созданных для имитации основных характеристик естественных атомов, таких как структура энергетических уровней и связь с электромагнитным полем. Эти искусственные атомы организованы в цепь, названную «гигантскими атомами» из-за ее размера, достигающего 10−4–10−3 м. В квантово-оптических экспериментах обычно использовались микроволновые поля для взаимодействия материи и света, но из-за разницы в длине волны между гигантскими атомами и микроволновыми полями (последние имеют длину волны в диапазоне 10−2–10−1 м) вместо них стали использовать ПАВ с более подходящей длиной волны (10−6 м). В областях магноники и спинтроники резонансное взаимодействие между спиновыми волнами и поверхностными акустическими волнами с одинаковым волновым вектором и частотой обеспечивает передачу энергии из одной формы в другую в обоих направлениях.

Одноэлектронное управление

Даже в самых малых масштабах современной полупроводниковой технологии каждая операция выполняется огромными потоками электронов. Уменьшение числа электронов, участвующих в этих процессах, с конечной целью достижения контроля над отдельным электроном – серьезная задача. Это обусловлено высокой степенью взаимодействия электронов друг с другом и с окружающей средой, что затрудняет выделение одного электрона из общего потока. Использование САВ может помочь в решении этой задачи. При генерации САВ на пьезоэлектрической поверхности волна деформации создает электромагнитный потенциал. Минимумы этого потенциала могут захватывать отдельные электроны, обеспечивая их индивидуальный транспорт. Изначально эта технология рассматривалась как способ точного определения стандартной единицы тока, но оказалось более полезной в области квантовой информации. Обычно кубиты стационарны, что затрудняет передачу информации между ними. Отдельные электроны, переносимые САВ, могут использоваться как так называемые «летающие кубиты», способные транспортировать информацию из одной точки в другую. Для этого необходим источник одиночных электронов и приемник, между которыми может осуществляться их транспорт. Квантовые точки (КТ) обычно используются для создания этих стационарных областей локализации электронов. Этот потенциальный минимум иногда называют КТ на основе САВ. Процесс, показанный на GIF-анимации справа, обычно выглядит следующим образом: сначала САВ генерируются с помощью межпальцевого преобразователя с определенными размерами между электродами для получения желаемых длин волн.

SAW и 2D материалы

Поскольку акустические колебания могут взаимодействовать с движущимися зарядами в пьезоэлектрическом полупроводнике посредством пьезоэлектрического поля, индуцированного деформацией в объемных материалах, такое акустоэлектрическое (АЭ) взаимодействие также существенно и для двухмерных материалов, таких как графен. В этих 2D-материалах энергия запрещенной зоны двумерного электронного газа обычно значительно превышает энергию фононов ПАВ, распространяющихся по материалу. Поэтому фононы ПАВ обычно поглощаются посредством внутризонных электронных переходов. В графене эти переходы являются единственным возможным механизмом, поскольку линейная дисперсия его электронов препятствует сохранению импульса и энергии при поглощении ПАВ для межзонного перехода. Зачастую взаимодействие между движущимися зарядами и ПАВ приводит к уменьшению интенсивности ПАВ при его распространении через 2D-электронный газ, а также к перенормировке скорости ПАВ. Заряды перенимают кинетическую энергию у ПАВ и затем теряют ее посредством рассеяния носителей заряда. Помимо затухания интенсивности ПАВ, существуют ситуации, в которых волна может усиливаться. При приложении напряжения к материалу носители заряда могут достигать скорости дрейфа, превышающей скорость ПАВ. В этом случае они передают часть своей кинетической энергии ПАВ, что приводит к увеличению его интенсивности и скорости. Обратный процесс также возможен. Если ПАВ движется быстрее носителей заряда, он может передавать им кинетическую энергию, тем самым теряя часть своей скорости и интенсивности.

SAW в микрофлюидике

В последние годы внимание было уделено использованию ПАВ (поверхностных акустических волн) для управления микрофлюидным приводом и различными другими процессами. Вследствие рассогласования скоростей звука в субстрате ПАВ и жидкости, ПАВ могут эффективно передаваться в жидкость, создавая значительные инерционные силы и скорости потока. Этот механизм может быть использован для реализации таких операций с жидкостью, как перекачка, смешивание и струйное распыление [8]. Для управления этими процессами происходит изменение моды волны на границе раздела жидкость-субстрат. В субстрате волна ПАВ является поперечной, а при проникновении в каплю она становится продольной [9]. Именно эта продольная волна создает поток жидкости внутри микрофлюидной капли, обеспечивая смешивание. Этот метод может служить альтернативой микроканалам и микроклапанам для манипулирования субстратами, позволяя создавать открытые системы. Этот механизм также применяется в микрофлюидике на основе капель для манипулирования каплями. В частности, с использованием ПАВ в качестве приводного механизма, капли направлялись к двум или более выходным отверстиям для сортировки. Кроме того, ПАВ использовались для модуляции размера капель, разделения, захвата, пинцетирования и нанофлюидного пипетирования. PDMS (полидиметилсилоксан) – это материал, который может быть использован для создания микроканалов и микрофлюидных чипов. Он находит широкое применение, в том числе в экспериментах, где необходимо испытывать или обрабатывать живые клетки. Если необходимо поддерживать жизнеспособность живых организмов, важно контролировать и регулировать их окружающую среду, такую как температура и уровень pH; однако, при отсутствии регулирования, клетки могут погибнуть или возникнут нежелательные реакции. Было установлено, что PDMS поглощает акустическую энергию, что приводит к быстрому нагреву материала (с превышением 2000 Кельвин/секунду). Использование ПАВ для нагрева этих PDMS-устройств, а также жидкостей внутри микроканалов, стало контролируемым методом, позволяющим манипулировать температурой с точностью до 0,1 °C. Разработка гибких устройств на основе ПАВ стала важным фактором в развитии носимых технологий и микрофлюидных систем. Эти устройства обычно изготавливаются на полимерных подложках, таких как полиэтиленнафталат (PEN) и полиимид, с использованием метода магнетронного распыления для нанесения материалов, таких как AlN и ZnO. Сочетание гибкости и передовых материалов расширило потенциал их применения в различных областях.

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.

SAW в измерении потока

Для измерения расхода могут использоваться поверхностные акустические волны. SAW основан на распространении волнового фронта, который напоминает сейсмическую активность. Волны генерируются в центре возбуждения и распространяются по поверхности твердого материала. Электрический импульс индуцирует генерацию ПАВ, которые распространяются подобно волнам землетрясения. Межпальцевый преобразователь выполняет функции как передатчика, так и приемника. Когда один преобразователь работает в режиме передачи, два наиболее удаленных от него действуют как приемники. ПАВ распространяются по поверхности измерительной трубки, но часть энергии переходит в жидкость. Угол выхода волны в жидкость зависит от свойств жидкости, а именно от скорости распространения волны, которая является специфичной для каждой жидкости. На противоположной стороне измерительной трубки часть волны возвращается в трубку и продолжает распространение по ее поверхности к следующему межпальцевому преобразователю. Другая часть волны снова выходит в жидкость и возвращается на противоположную сторону измерительной трубки, где эффект повторяется, и преобразователь на этой стороне обнаруживает волну. Таким образом, возбуждение любого преобразователя приводит к последовательности входных сигналов на двух других преобразователях, расположенных на расстоянии. Два преобразователя посылают сигналы по направлению потока, а два – против него.