Los sensores de ondas acústicas de superficie son una clase de sistemas microelectromecánicos (MEMS) que se basan en la modulación de ondas acústicas de superficie para detectar un fenómeno físico. El sensor transduce una señal eléctrica de entrada en una onda mecánica que, a diferencia de una señal eléctrica, puede verse fácilmente influenciada por fenómenos físicos. Luego, el dispositivo transduce esta onda nuevamente en una señal eléctrica. Los cambios de amplitud, fase, frecuencia o retardo de tiempo entre las señales eléctricas de entrada y salida pueden usarse para medir la presencia del fenómeno deseado.
Disposición del dispositivo
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/c/c8/Surface_Acoustic_Wave_Sensor_Interdigitated_Transducer_Diagram.png/220px-Surface_Acoustic_Wave_Sensor_Interdigitated_Transducer_Diagram.png)
El dispositivo de onda acústica de superficie básica consiste en un sustrato piezoeléctrico con un transductor interdigitado de entrada (IDT) en un lado de la superficie del sustrato y un IDT de salida en el otro lado del sustrato. El espacio entre los IDT a través del cual se propaga la onda acústica de superficie se conoce como línea de retardo; la señal producida por el IDT de entrada, una onda física, se mueve mucho más lento que su forma electromagnética asociada, lo que provoca un retraso mensurable.
Operación del dispositivo
La tecnología de ondas acústicas de superficie aprovecha el efecto piezoeléctrico en su funcionamiento. La mayoría de los sensores de ondas acústicas de superficie modernos utilizan un transductor interdigitado de entrada (IDT) para convertir una señal eléctrica en una onda acústica.
La señal de entrada eléctrica sinusoidal crea una polaridad alterna entre los dedos del transductor interdigitado. Entre dos juegos de dedos adyacentes, se cambiará la polaridad de los dedos (por ejemplo, + - +). Como resultado, la dirección del campo eléctrico entre dos dedos alternará entre conjuntos de dedos adyacentes. Esto crea regiones alternas de tensión de tracción y compresión entre los dedos del electrodo por el efecto piezoeléctrico, produciendo una onda mecánica en la superficie conocida como onda acústica de superficie . Como los dedos del mismo lado del dispositivo estarán al mismo nivel de compresión o tensión, el espacio entre ellos, conocido como tono, es la longitud de onda de la onda mecánica. Podemos expresar la frecuencia síncrona f 0 del dispositivo con velocidad de fase v p y tono p como:
La frecuencia síncrona es la frecuencia natural a la que deben propagarse las ondas mecánicas. Idealmente, la señal eléctrica de entrada debe estar en la frecuencia síncrona para minimizar la pérdida de inserción.
Como la onda mecánica se propagará en ambas direcciones desde el IDT de entrada, la mitad de la energía de la forma de onda se propagará a través de la línea de retardo en la dirección del IDT de salida. En algunos dispositivos, se agrega un absorbedor mecánico o reflector entre los IDT y los bordes del sustrato para evitar patrones de interferencia o reducir las pérdidas de inserción , respectivamente.
La onda acústica viaja a través de la superficie del sustrato del dispositivo hasta el otro transductor interdigitado, convirtiendo la onda nuevamente en una señal eléctrica por el efecto piezoeléctrico. Cualquier cambio que se haya realizado en la onda mecánica se reflejará en la señal eléctrica de salida. Dado que las características de la onda acústica superficial pueden modificarse mediante cambios en las propiedades superficiales del sustrato del dispositivo, se pueden diseñar sensores para cuantificar cualquier fenómeno que altere estas propiedades. Normalmente, esto se logra mediante la adición de masa a la superficie o cambiando la longitud del sustrato y el espacio entre los dedos.
Funcionalidad inherente
La estructura del sensor de ondas acústicas de superficie básica permite detectar los fenómenos de presión, deformación, par, temperatura y masa. Los mecanismos para esto se discuten a continuación:
Presión, deformación, par, temperatura
Los fenómenos de presión, deformación, par, temperatura y masa pueden detectarse mediante el dispositivo básico, que consta de dos IDT separados por una cierta distancia en la superficie de un sustrato piezoeléctrico. Todos estos fenómenos pueden provocar un cambio de longitud a lo largo de la superficie del dispositivo. Un cambio en la longitud afectará tanto al espacio entre los electrodos interdigitados --- alterando el tono --- como al espacio entre los IDT --- alterando el retardo. Esto puede detectarse como un cambio de fase, un cambio de frecuencia o un retardo de tiempo en la señal eléctrica de salida.
Cuando se coloca un diafragma entre el entorno a una presión variable y una cavidad de referencia a una presión fija, el diafragma se doblará en respuesta a un diferencial de presión. A medida que el diafragma se dobla, aumentará la distancia a lo largo de la superficie en compresión. Un sensor de presión de onda acústica de superficie simplemente reemplaza el diafragma con un sustrato piezoeléctrico modelado con electrodos interdigitados. La deformación y la torsión funcionan de manera similar, ya que la aplicación al sensor provocará una deformación del sustrato piezoeléctrico. Se puede fabricar un sensor de temperatura de onda acústica de superficie a partir de un sustrato piezoeléctrico con un coeficiente de expansión térmica relativamente alto en la dirección de la longitud del dispositivo.
Masa
La acumulación de masa en la superficie de un sensor de ondas acústicas afectará a la onda acústica de la superficie a medida que viaja a través de la línea de retardo. La velocidad v de una onda que viaja a través de un sólido es proporcional a la raíz cuadrada del producto del módulo de Young E y la densidad del material.
Por lo tanto, la velocidad de la onda disminuirá con la masa añadida. Este cambio se puede medir mediante un cambio en el retardo de tiempo o cambio de fase entre las señales de entrada y salida. La atenuación de la señal también podría medirse, ya que el acoplamiento con la masa de superficie adicional reducirá la energía de las olas. En el caso de la detección de masas, dado que el cambio en la señal siempre se debe a un aumento en la masa de una señal de referencia de masa adicional cero, se puede utilizar eficazmente la atenuación de la señal.
Funcionalidad extendida
La funcionalidad inherente de un sensor de ondas acústicas de superficie puede extenderse mediante la deposición de una película delgada de material a través de la línea de retardo que es sensible a los fenómenos físicos de interés. Si un fenómeno físico provoca un cambio de longitud o masa en la película delgada depositada, la onda acústica superficial se verá afectada por los mecanismos mencionados anteriormente. A continuación se enumeran algunos ejemplos de funcionalidad ampliada:
Vapores químicos
Los sensores de vapor químico utilizan la aplicación de un polímero de película delgada a través de la línea de retardo que absorbe selectivamente el gas o gases de interés. Se puede utilizar una serie de estos sensores con diferentes recubrimientos poliméricos para detectar una amplia gama de gases en un solo sensor con una resolución de hasta partes por billón, lo que permite la creación de un "laboratorio en un chip" sensible.
Materia biológica
Se puede colocar una capa biológicamente activa entre los electrodos interdigitados que contiene anticuerpos inmovilizados. Si el antígeno correspondiente está presente en una muestra, el antígeno se unirá a los anticuerpos, provocando una carga masiva en el dispositivo. Estos sensores se pueden usar para detectar bacterias y virus en muestras, así como para cuantificar la presencia de ciertos ARNm y proteínas.
Humedad
Los sensores de humedad de ondas acústicas de superficie requieren un enfriador termoeléctrico además de un dispositivo de ondas acústicas de superficie. El enfriador termoeléctrico se coloca debajo del dispositivo de ondas acústicas de superficie. Ambos están alojados en una cavidad con entrada y salida para gases. Al enfriar el dispositivo, el vapor de agua tenderá a condensarse en la superficie del dispositivo, provocando una carga de masa.
Radiación ultravioleta
Los dispositivos de ondas acústicas de superficie se vuelven sensibles a las longitudes de onda ópticas a través del fenómeno conocido como transporte de carga acústica (ACT), que implica la interacción entre una onda acústica de superficie y los portadores de carga fotogenerados de una capa fotoconductora. Los sensores de radiación ultravioleta utilizan una fina capa de óxido de zinc a lo largo de la línea de retardo. Cuando se expone a la radiación ultravioleta, el óxido de zinc genera portadores de carga que interactúan con los campos eléctricos producidos en el sustrato piezoeléctrico por la onda acústica de la superficie viajera. [1] Esta interacción produce disminuciones mensurables tanto en la velocidad como en la amplitud de la señal de la onda acústica.
Campos magnéticos
Los materiales ferromagnéticos (como el hierro, el níquel y el cobalto) cambian sus dimensiones físicas en presencia de un campo magnético aplicado, una propiedad llamada magnetostricción. El módulo de Young del material depende de la intensidad del campo magnético ambiental. Si se deposita una película de material magnetoestrictivo en la línea de retardo de un sensor de ondas acústicas de superficie, el cambio de longitud de la película depositada en respuesta a un cambio en el campo magnético tensionará el sustrato subyacente. La deformación resultante (es decir, la deformación de la superficie del sustrato) produce cambios medibles en la velocidad de fase, cambio de fase y retardo de tiempo de la señal de onda acústica, proporcionando información sobre el campo magnético.
Viscosidad
Los dispositivos de ondas acústicas de superficie se pueden utilizar para medir los cambios en la viscosidad de un líquido que se le coloca. A medida que el líquido se vuelve más viscoso, la frecuencia de resonancia del dispositivo cambiará en correspondencia. Se necesita un analizador de red para ver la frecuencia de resonancia.
Enlaces externos y referencias
Referencias
- ^ Kumar, Sanjeev, Gil-Ho Kim, K. Sreenivas y RP Tandon. Foto sensor ultravioleta de onda acústica de superficie basada en ZnO Journal of Electroceramics 22.1-3 (2009): 198-202.