Una onda acústica de superficie ( SAW ) es una onda acústica que viaja a lo largo de la superficie de un material que exhibe elasticidad , con una amplitud que normalmente decae exponencialmente con la profundidad en el material, de modo que se limita a una profundidad de aproximadamente una longitud de onda. [2] [3]
Las ondas SAW fueron explicadas por primera vez en 1885 por Lord Rayleigh , quien describió el modo de propagación acústica de superficie y predijo sus propiedades en su artículo clásico. [4] Las ondas de Rayleigh, que reciben su nombre de su descubridor, tienen un componente de corte longitudinal y vertical que puede acoplarse con cualquier medio, como capas adicionales en contacto con la superficie. Este acoplamiento afecta en gran medida la amplitud y la velocidad de la onda, lo que permite que los sensores SAW detecten directamente la masa y las propiedades mecánicas. El término "ondas de Rayleigh" se utiliza a menudo como sinónimo de "SAW", aunque estrictamente hablando hay varios tipos de ondas acústicas de superficie, como las ondas Love , que están polarizadas en el plano de la superficie, en lugar de longitudinales y verticales.
Las ondas SAW, como las ondas Love y Rayleigh, tienden a propagarse durante mucho más tiempo que las ondas masivas, ya que solo tienen que viajar en dos dimensiones, en lugar de tres. Además, en general tienen una velocidad menor que sus contrapartes masivas.
Los dispositivos de ondas acústicas de superficie ofrecen una amplia gama de aplicaciones con el uso de sistemas electrónicos, incluidas líneas de retardo , filtros, correladores y convertidores de CC a CC . Las posibilidades de estos dispositivos SAW podrían ofrecer un campo potencial en sistemas de radar y sistemas de comunicación.
Este tipo de onda se utiliza habitualmente en dispositivos denominados SAW en circuitos electrónicos . Los dispositivos SAW se utilizan como filtros , osciladores y transformadores , dispositivos que se basan en la transducción de ondas acústicas. La transducción de energía eléctrica a energía mecánica (en forma de SAW) se logra mediante el uso de materiales piezoeléctricos .
Los dispositivos electrónicos que emplean SAW normalmente utilizan uno o más transductores interdigitales (IDT) para convertir las ondas acústicas en señales eléctricas y viceversa explotando el efecto piezoeléctrico de ciertos materiales , como cuarzo , niobato de litio , tantalato de litio , silicato de galio y lantano , etc. [5] Estos dispositivos se fabrican mediante limpieza/tratamientos del sustrato como pulido, metalización, fotolitografía y fabricación de capas de pasivación/protección (dieléctricas). Estos son pasos de proceso típicos utilizados en la fabricación de semiconductores como circuitos integrados de silicio .
Todas las partes del dispositivo (sustrato, su superficie, tipo de material de metalización, espesor de la metalización, sus bordes formados por fotolitografía, capas -como el recubrimiento de pasivación de la metalización) tienen efecto sobre el rendimiento de los dispositivos SAW porque la propagación de las ondas Rayleigh depende en gran medida de la superficie del material del sustrato, su calidad y todas las capas en contacto con el sustrato. Por ejemplo, en los filtros SAW, la frecuencia de muestreo depende del ancho de los dedos IDT, la capacidad de manejo de potencia está relacionada con el espesor y los materiales de los dedos IDT, y la estabilidad de la temperatura depende no solo del comportamiento de la temperatura del sustrato sino también de los metales seleccionados para los electrodos IDT y las posibles capas dieléctricas que recubren el sustrato y los electrodos.
Los filtros SAW se utilizan actualmente en teléfonos móviles y ofrecen ventajas técnicas en cuanto a rendimiento, coste y tamaño con respecto a otras tecnologías de filtrado, como los cristales de cuarzo (basados en ondas en bloque), los filtros LC y los filtros de guía de ondas, específicamente en frecuencias inferiores a 1,5-2,5 GHz, en función de la potencia de RF que se necesite filtrar. La tecnología complementaria a SAW para frecuencias superiores a 1,5-2,5 GHz se basa en resonadores acústicos en bloque de película fina (TFBAR o FBAR).
En los últimos 20 años se han realizado muchas investigaciones en el área de sensores de ondas acústicas de superficie . [6] Las aplicaciones de los sensores incluyen todas las áreas de detección (como química, óptica, térmica, presión , aceleración , par y biológica). Los sensores SAW han tenido un éxito comercial relativamente modesto hasta la fecha, pero se encuentran comúnmente disponibles comercialmente para algunas aplicaciones como las pantallas táctiles . Se han aplicado con éxito a la detección de par en sistemas de propulsión de deportes de motor [7] y aplicaciones aeroespaciales de alto rendimiento [8], así como a la detección de temperatura en entornos hostiles como la transmisión de energía eléctrica de alto voltaje y la detección combinada de par y temperatura en el rotor de motores eléctricos [9].
Los resonadores SAW se utilizan en muchas de las mismas aplicaciones en las que se utilizan los cristales de cuarzo , porque pueden funcionar a una frecuencia más alta. [10] A menudo se utilizan en transmisores de radio donde no se requiere capacidad de sintonización. A menudo se utilizan en aplicaciones como controles remotos de apertura de puertas de garaje , enlaces de radiofrecuencia de corto alcance para periféricos de computadora y otros dispositivos donde no se requiere canalización. Donde un enlace de radio puede usar varios canales, los osciladores de cristal de cuarzo se utilizan más comúnmente para impulsar un bucle de enganche de fase . Dado que la frecuencia de resonancia de un dispositivo SAW está determinada por las propiedades mecánicas del cristal, no se desvía tanto como un oscilador LC simple, donde las condiciones como el rendimiento del capacitor y el voltaje de la batería variarán sustancialmente con la temperatura y la edad.
Los filtros SAW también se utilizan a menudo en receptores de radio, ya que pueden tener bandas de paso estrechas y determinadas con precisión. Esto es útil en aplicaciones en las que se debe compartir una sola antena entre un transmisor y un receptor que operan en frecuencias muy espaciadas. Los filtros SAW también se utilizan con frecuencia en receptores de televisión , para extraer subportadoras de la señal; hasta el apagón analógico , la extracción de subportadoras de audio digital de la banda de frecuencia intermedia de un receptor de televisión o grabador de vídeo era uno de los principales mercados de los filtros SAW.
El pionero Jeffery Collins incorporó dispositivos de ondas acústicas de superficie en un receptor Skynet que desarrolló en la década de 1970. Sincronizaba las señales más rápido que la tecnología existente. [11]
También se utilizan a menudo en receptores digitales y son muy adecuados para aplicaciones superheterodino . Esto se debe a que la señal de frecuencia intermedia siempre tiene una frecuencia fija después de que el oscilador local se haya mezclado con la señal recibida, por lo que un filtro con una frecuencia fija y un valor Q alto proporciona una excelente eliminación de señales no deseadas o de interferencias.
En estas aplicaciones, los filtros SAW casi siempre se utilizan con un oscilador local sintetizado de bucle de bloqueo de fase o un oscilador controlado por varicap .
En sismología, las ondas acústicas superficiales podrían convertirse en el tipo más destructivo de onda sísmica producida por terremotos , [12] que se propagan en medios más complejos, como el fondo del océano, las rocas, etc., por lo que es necesario que las personas las noten y las monitoreen para proteger el entorno vital.
Las SAWs juegan un papel clave en el campo de la acústica cuántica (QA) donde, en contraste con la óptica cuántica (QO) que estudia la interacción entre la materia y la luz, se analiza la interacción entre sistemas cuánticos ( fonones , (cuasi-)partículas y qubits artificiales) y ondas acústicas. La velocidad de propagación de las respectivas ondas de QA es cinco órdenes de magnitud más lenta que la de QO. Como resultado, QA ofrece una perspectiva diferente del régimen cuántico en términos de longitudes de onda que QO no ha cubierto. [13] Un ejemplo de estas adiciones es la investigación óptica cuántica de qubits y puntos cuánticos fabricados de tal manera que emulen aspectos esenciales de los átomos naturales, por ejemplo, estructuras de nivel de energía y acoplamiento a un campo electromagnético . [14] [15] [16] [17] [18] Estos átomos artificiales están dispuestos en un circuito denominado 'átomos gigantes', debido a su tamaño que alcanza 10 −4 –10 −3 m. [19] Los experimentos de óptica cuántica generalmente hicieron uso de campos de microondas para la interacción materia-luz, pero debido a la diferencia de longitud de onda entre los átomos gigantes y los campos de microondas, estos últimos con una longitud de onda que varía entre 10 −2 –10 −1 m, se utilizaron SAW en su lugar por su longitud de onda más adecuada (10 −6 m). [20]
En los campos de la magnónica y la espintrónica , un acoplamiento resonante entre ondas de espín y ondas acústicas de superficie con un vector de onda y una frecuencia iguales permite la transferencia de energía de una forma a otra, en cualquier dirección. [13] Esto puede ser útil, por ejemplo, en la construcción de sensores de campo magnético , que son sensibles tanto a la intensidad como a la dirección de los campos magnéticos externos. Estos sensores, construidos utilizando una estructura de capas magnetoestrictivas y piezoeléctricas , tienen la ventaja de funcionar sin baterías ni cables, además de tener una amplia gama de condiciones de funcionamiento, como altas temperaturas o sistemas rotatorios. [21]
Incluso en las escalas más pequeñas de la tecnología de semiconductores actual, cada operación se lleva a cabo mediante enormes corrientes de electrones. [22] Reducir el número de electrones involucrados en estos procesos, con el objetivo final de lograr el control de un solo electrón es un desafío serio. Esto se debe a que los electrones son altamente interactivos entre sí y con su entorno, lo que dificulta separar solo uno del resto. [23] El uso de SAW puede ayudar a lograr este objetivo. Cuando se generan SAW en una superficie piezoeléctrica, la onda de tensión genera un potencial electromagnético. Los mínimos potenciales pueden atrapar electrones individuales, lo que permite transportarlos individualmente. Aunque esta técnica se pensó primero como una forma de definir con precisión una unidad estándar de corriente, [24] resultó ser más útil en el campo de la información cuántica . [25] Por lo general, los qubits son estacionarios, lo que dificulta la transferencia de información entre ellos. Los electrones individuales, transportados por los SAW, se pueden utilizar como los llamados qubits voladores, capaces de transportar información de un lugar a otro. Para lograr esto, se necesita una única fuente de electrones, así como un receptor entre el cual se pueda transportar el electrón. Los puntos cuánticos (QD) se utilizan típicamente para estos confinamientos estacionarios de electrones. Este mínimo potencial a veces se llama un QD SAW. El proceso, como se ve en el GIF de la derecha, es típicamente el siguiente. Primero, los SAW se generan con un transductor interdigital con dimensiones específicas entre los electrodos para obtener las longitudes de onda favorables. [22] Luego, desde el QD estacionario, el electrón hace un túnel cuántico hasta el mínimo potencial, o QD SAW. Los SAW transfieren algo de energía cinética al electrón, impulsándolo hacia adelante. Luego se lleva a través de un canal unidimensional en una superficie de material semiconductor piezoeléctrico como GaAs . [23] [24] Finalmente, el electrón hace un túnel fuera del QD SAW y dentro del QD receptor, después de lo cual se completa la transferencia. Este proceso también se puede repetir en ambas direcciones. [26]
Como las vibraciones acústicas pueden interactuar con las cargas móviles en un semiconductor piezoeléctrico a través del campo piezoeléctrico inducido por la tensión en materiales a granel, este acoplamiento acústico-eléctrico (AE) también es importante en materiales 2D, como el grafeno . En estos materiales 2D, el gas de electrones bidimensional tiene energías de brecha de banda generalmente mucho más altas que la energía de los fonones SAW que viajan a través del material. Por lo tanto, los fonones SAW generalmente se absorben a través de transiciones electrónicas intrabanda . En el grafeno, estas transiciones son la única forma, ya que la relación de dispersión lineal de sus electrones evita la conservación del momento/energía cuando absorbería un SAW para una transición interbanda. [27]
A menudo, la interacción entre cargas en movimiento y ondas electromagnéticas da como resultado la disminución de la intensidad de la onda electromagnética a medida que se mueve a través del gas de electrones 2D, así como la renormalización de la velocidad de la onda electromagnética. Las cargas absorben la energía cinética de la onda electromagnética y la pierden nuevamente a través de la dispersión de portadores .
Además de la atenuación de la intensidad de la onda SAW, existen situaciones específicas en las que también se puede amplificar la onda. Al aplicar un voltaje sobre el material, los portadores de carga pueden obtener una velocidad de deriva mayor que la onda SAW. Luego, pasan una parte de su energía cinética a la onda SAW, lo que hace que amplifique su intensidad y velocidad. Lo inverso también funciona. Si la onda SAW se mueve más rápido que los portadores, puede transferirles energía cinética y, por lo tanto, perder algo de velocidad e intensidad. [28]
En los últimos años, se ha llamado la atención sobre el uso de ondas sonoras para impulsar la actuación microfluídica y una variedad de otros procesos. Debido al desajuste de las velocidades del sonido en el sustrato y el fluido de las ondas sonoras, las ondas sonoras se pueden transferir de manera eficiente al fluido, creando fuerzas de inercia y velocidades de fluido significativas. Este mecanismo se puede explotar para impulsar acciones de fluidos como bombeo , mezcla y chorro .[8] Para impulsar estos procesos, hay un cambio de modo de la onda en la interfaz líquido-sustrato. En el sustrato, la onda de ondas sonoras es una onda transversal y al ingresar a la gota, la onda se convierte en una onda longitudinal .[9] Es esta onda longitudinal la que crea el flujo de fluido dentro de la gota microfluídica, lo que permite que se produzca la mezcla. Esta técnica se puede utilizar como una alternativa a los microcanales y microválvulas para la manipulación de sustratos, lo que permite un sistema abierto. [29]
Este mecanismo también se ha utilizado en microfluídica basada en gotitas para la manipulación de gotitas. En particular, utilizando SAW como mecanismo de actuación, las gotitas fueron empujadas hacia dos [30] [31] o más [32] salidas para su clasificación. Además, las SAW se utilizaron para la modulación del tamaño de las gotitas, [33] [34] la división, [35] [30] [36] el atrapamiento, [37] el pinzado, [38] y el pipeteo nanofluídico. [36] El impacto de las gotitas en superficies planas e inclinadas se ha manipulado y controlado utilizando SAW. [39] [40]
El PDMS ( polidimetilsiloxano ) es un material que se puede utilizar para crear microcanales y chips microfluídicos. Tiene muchos usos, incluso en experimentos en los que se deben probar o procesar células vivas. Si es necesario mantener vivos a los organismos vivos, es importante monitorear y controlar su entorno, como el calor y los niveles de pH; sin embargo, si estos elementos no se regulan, las células pueden morir o pueden producirse reacciones no deseadas. [41] Se ha descubierto que el PDMS absorbe energía acústica, lo que hace que el PDMS se caliente rápidamente (superando los 2000 Kelvin/segundo). [42] El uso de SAW como una forma de calentar estos dispositivos PDMS, junto con líquidos dentro de los microcanales, es ahora una técnica que se puede realizar de manera controlada con la capacidad de manipular la temperatura con una precisión de 0,1 °C. [42] [43]
El desarrollo de dispositivos de ondas acústicas de superficie flexibles (SAW) ha sido un factor importante en el avance de la tecnología portátil y los sistemas microfluídicos . Estos dispositivos se fabrican normalmente sobre sustratos de polímeros, como naftalato de polietileno (PEN) y poliimida , y utilizan la deposición por pulverización catódica de materiales como AlN y ZnO . [44] Esta combinación de flexibilidad y materiales avanzados ha ampliado su potencial de aplicación en varios campos.
Las ondas acústicas de superficie se pueden utilizar para la medición del caudal. Las ondas acústicas de superficie se basan en la propagación de un frente de onda, que parece similar a las actividades sísmicas. Las ondas se generan en el centro de excitación y se extienden a lo largo de la superficie de un material sólido. Un pulso eléctrico las induce a generar ondas acústicas de superficie que se propagan como las ondas de un terremoto . El transductor interdigital actúa como transmisor y receptor . Cuando uno está en modo transmisor, los dos más distantes actúan como receptores. Las ondas acústicas de superficie viajan a lo largo de la superficie del tubo de medición, pero una parte se acoplará al líquido. El ángulo de desacoplamiento depende del líquido o de la velocidad de propagación de la onda, que es específica del líquido. En el otro lado del tubo de medición, partes de la onda se acoplarán al tubo y continuarán su camino a lo largo de su superficie hasta el siguiente transductor interdigital. Otra parte se acoplará nuevamente y viajará de regreso al otro lado del tubo de medición, donde el efecto se repite y el transductor de este lado detecta la onda. Esto significa que la excitación de cualquier transductor aquí generará una secuencia de señales de entrada en otros dos transductores a la distancia. Dos de los transductores envían sus señales en la dirección del flujo, dos en la otra dirección. [45]
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