Что такое SAW (поверхностная акустическая волна)

Что такое SAW (поверхностная акустическая волна)

Рисунок 1. Базовая структура передатчика IDT (элемента SAW)

SAW (поверхностная акустическая волна) — это упругая волна, которая распространяется только вблизи поверхности пьезоэлектрического материала.

Природа распространения упругих волн вблизи твердой поверхности, одной из которых является газ, жидкость, вакуум или другой твердый материал, отличается от природы распространения бесконечно расширяющихся (объемных) твердых тел, жидкостей или газов. В частности, когда твердый материал подложки является пьезоэлектрическим материалом, пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) генерирует поверхностную акустическую волну (ПАВ), которая распространяется вблизи поверхности в определенном направлении при воздействии деформации.

Скорость распространения ПАВ составляет около 1-5 км/с, около 1/100 000 скорости электромагнитных волн, что позволяет миниатюризировать схему.

Принцип ПАВ (поверхностной акустической волны)

Когда пьезоэлектрический материал помещается между двумя электродами и между электродами прикладывается деформация, генерируется напряжение (пьезоэлектрический эффект), и наоборот (обратный пьезоэлектрический эффект).

Когда между двумя электродами прикладывается высокочастотное напряжение, IDT генерирует высокочастотные поверхностные акустические волны и функционирует как передатчик SAW.

Если подать чрезвычайно высокочастотное напряжение, также может быть сгенерирована ультразвуковая SAW. И наоборот, когда IDT получает SAW, в IDT генерируется высокочастотное напряжение, которое функционирует как приемник SAW. Регулируя количество и форму гребенок, материал подложки и ее толщину, можно генерировать и принимать SAW с различными характеристиками.

Передавая и принимая SAW на передатчике и приемнике, можно модулировать частоту SAW, определяя свойства подложки между передатчиком и приемником или размещая на подложке определенные пленки или элементы. Это свойство является причиной того, что SAW используется в различных приложениях.

Применение SAW (поверхностных акустических волн)

Спектр применения SAW значительно расширяется. Ниже приведены некоторые примеры:

1. Применение в электронных компонентах

Фильтры SAW широко используются в сотовых телефонах, радиоприемниках, телевизионных приемниках, цифровых приемниках и т. д. 

2. Микроманипуляции с жидкостями и каплями

Микрофлюидные насосы могут быть созданы путем размещения микрофлюидных капель на подложке и использования того факта, что SAW может быть передана жидкости на подложке и ускорить жидкость за счет больших инерционных сил. На подложке SAW представляет собой поперечную волну, а когда она попадает в каплю, она становится продольной волной и создает вихрь, который вызывает эффект смешивания капель жидкости. Используя SAW в качестве движущего механизма, капли проталкиваются к двум или более выходам для сортировки. Он также используется для определения размера и разделения капель.

3. Датчик расхода

Несколько IDT (передатчиков и приемников) размещаются снаружи трубы потока жидкости, обычно не смачиваемой. SAW, генерируемые одним передатчиком, распространяются в жидкости под определенным углом, создавая как прямые, так и обратные принимаемые волны при прохождении через жидкость. Разница во времени между излучаемыми и принимаемыми волнами, которые проходят через жидкость один или несколько раз, коррелирует со скоростью потока. Сравнивая и вычисляя разницу во времени между исходящими и входящими волнами, можно измерить скорость потока и другие параметры.

4. Применение к газовым датчикам

Рисунок 2. Конфигурация газового датчика с использованием элемента SAW

Как показано на рисунке 2, между двумя IDT на подложке формируется тонкая пленка, чувствительная к молекулам газа. Частота SAW, амплитуда и другие характеристики SAW при адсорбции молекул газа на тонкой пленке могут быть использованы для определения количества адсорбированного газа. Тип газа может быть идентифицирован по материалу тонкой пленки. В случае водорода используется сплав Pd или Pd-Ni.

5. Применение к сенсорным панелям

Сенсорные панели Ultra-super SAW определяют положение дисплея при касании пальцем с помощью затухания ultra-super SAW.

Два IDT, размещенные в четырех углах стеклянной подложки, излучают SAW-волны, которые передаются в виде вибраций на поверхность панели и принимаются двумя IDT на противоположной стороне. Когда палец касается экрана, суперкардиоидная поверхностная упругая волна затухает, и положение на сенсорной панели можно определить, обнаружив изменение амплитуды в приемном устройстве.

6. Применение для улучшения радиационной стойкости компьютеров

Рисунок 3. Пример применения в компьютере (кэш L1)

Как показано на рисунке 3, 5 x 5 SAW-элементов размещены в кэш-памяти L1 (около 256 кБ) для высокоскоростного обмена данными с центральным процессором компьютера. Место возникновения явления, которое инвертирует данные памяти, когда заряженные частицы инжектируются в радиационную среду, такую ​​как космическое пространство (мягкая ошибка), можно вычислить по разнице во времени прибытия сигналов ударной волны к 25 SAW-элементам. 7.

7. Применение к квантовым компьютерам

Для реализации практического квантового компьютера необходимо интегрировать кубиты (наименьшую единицу квантовой информации) до высокой степени интеграции. Когда изменяющееся во времени высокочастотное напряжение подается на специально структурированный гребенчатый электрод «chirped IDT», генерируется поверхностная акустическая волна с широкой полосой пропускания.

Поместив один электрон на изолированный импульс SAW, сформированный путем наложения синфазных поверхностных акустических волн и подавления нежелательных волн, можно передать квантовый бит.

Другая информация о SAW (поверхностной акустической волне)

О пьезоэлектрических материалах

Пьезоэлектрические материалы, которые могут использоваться как для сенсорных, так и для исполнительных функций, в целом классифицируются на пьезоэлектрические монокристаллы, пьезоэлектрические тонкие пленки и пьезоэлектрическую керамику. Монокристаллы характеризуются низкими потерями при распространении и могут использоваться в широком диапазоне частот. В частности, для высокочастотных материалов используются только монокристаллы.

Когда впервые были разработаны пьезоэлектрические монокристаллические материалы, использовались кварц, монокристаллы ниобата лития (LiNbO3: LN) и танталата лития (LiTaO3: LT). В настоящее время ведется разработка составных монокристаллов с кристаллическими структурами типа перовскита, характерными для соединений переходных металлов, состоящих из тройных систем, таких как твердый раствор цинка/ниобата свинца/титаната свинца (PZNT) и твердый раствор магния/ниобата свинца/титаната свинца (PMZT).

Преимущества пьезоэлектрической керамики заключаются в том, что она может производить ПАВ с большой амплитудой, может легко производиться в больших количествах и относительно стабильна, поскольку является оксидами; примерами являются PZT и BaTiO3.

Чтобы предотвратить утечку упругих волн на подложку и повреждение характеристик ПАВ, пьезоэлектрические материалы делают тоньше. Например, этого можно добиться, сформировав тонкую пленку пьезоэлектрического монокристаллического материала поверх слоя с высокой скоростью звука. Пьезоэлектрические тонкопленочные материалы включают ZnO, AIN/ScAIN, KNN и PLA.