표면 탄성파

Surface acoustic wave
산화텔루[1] 결정의 표면음파 실험 이미지

표면탄성파(SAW)는 탄성을 나타내는 재료의 표면을 따라 이동하는 탄성파이며, 일반적으로 재료의 깊이에 따라 기하급수적으로 감소하여 약 1파장의 [2][3]깊이로 제한된다.

검출

SAW는 1885년 레일리 경에 의해 처음 설명되었는데, 그는 전파의 표면 음향 모드를 설명하고 그의 고전 [4]논문에서 그 특성을 예측했습니다.발견자의 이름을 딴 레일리 파장은 표면에 접촉하는 추가 층과 같은 매체와 결합할 수 있는 세로 및 수직 전단 성분을 가지고 있습니다.이 커플링은 파형의 진폭과 속도에 강하게 영향을 미치므로 SAW 센서가 질량 및 기계적 특성을 직접 감지할 수 있습니다.'레일리 웨이브'라는 용어는 'SAW'와 동의어로 자주 사용되지만 엄밀하게 말하면 종방향과 수직이 아닌 표면의 평면에서 편광되는 러브 웨이브와 같은 여러 유형의 표면 음향파가 있다.

러브파나 레일리파와 같은 SAW는 3차원이 아닌 2차원으로만 이동해야 하기 때문에 벌크파보다 훨씬 오랫동안 전파되는 경향이 있습니다.또한 일반적으로 벌크 모델보다 속도가 더 빠릅니다.

SAW 장치

표면 음파 장치는 지연 라인, 필터, 상관기 및 DC-DC 컨버터를 포함한 전자 시스템을 사용하여 광범위한 응용 프로그램을 제공합니다.이러한 SAW 장치의 가능성은 레이더 시스템, 통신 시스템에 잠재적 필드를 제공할 수 있다.

전자 부품에 적용

이런 종류의 파동은 전자회로의 SAW 소자로 불리는 장치에 흔히 사용된다.SAW 장치는 필터, 발진기 및 변압기, 즉 음파의 변환에 기반한 장치로 사용됩니다.전기 에너지에서 기계적 에너지(SAW의 형태)로의 변환은 압전 재료를 사용하여 이루어집니다.

일반적인 SAW 장치 설계의 개략도

SAW를 채용한 전자 디바이스는 보통 하나 이상의 디지털 변환기(IDT)를 사용하여 석영, 니오베이트 리튬, 탄탈산 리튬, 규산 란타넘 갈륨 등과 [5]같은 특정 물질의 압전 효과를 이용하여 음파를 전기 신호로 변환합니다.이러한 소자는 연마, 금속화, 포토 리소그래피 및 수동 보호(유전체)층 제조와 같은 기판 세척/처리에 의해 제작됩니다.실리콘 집적회로 등 반도체 제조에 사용되는 전형적인 공정 단계다.

장치의 모든 부분(기판, 표면, 금속화 재료 유형, 금속화의 두께, 포토 리소그래피로 형성된 가장자리, 금속화를 코팅하는 층과 같은 수동화)은 SAW 장치의 성능에 영향을 미친다. 왜냐하면 레일리 파의 전파는 기판 재료 표면에 크게 의존하기 때문이다.y 및 기판과 접촉하는 모든 층.예를 들어 SAW 필터에서 샘플링 주파수는 IDT 핑거의 폭에 따라 달라지며, 파워 핸들링 능력은 IDT 핑거의 두께와 재료에 따라 달라지며, 온도 안정성은 기판의 온도 거동에 따라 달라지며, IDT 전극과 가능성에 따라 선택되는 금속에 따라 달라진다.기판 및 전극을 코팅하는 블릿 유전체층.

SAW 필터는 현재 휴대 전화에 사용되고 있으며, 필터링이 필요한 RF 전력에 따라 1.5~2.5GHz 미만의 주파수에서 특히 석영 결정(벌크파 기반), LC 필터 및 도파관 필터 등 다른 필터 기술에 비해 성능, 비용 및 크기 면에서 기술적인 이점을 제공합니다.1.5~2.5GHz 이상의 주파수에서 SAW 기술을 보완하는 것은 박막 벌크 음향 공진기(TFBAR, FBAR)를 기반으로 합니다.

지난 20년 동안 표면 음파 [6]센서 분야에서 많은 연구가 이루어졌습니다.센서 적용에는 모든 감지 영역(화학, 광학, 열, 압력, 가속도, 토크 및 생물학적)이 포함됩니다.SAW 센서는 지금까지 비교적 상업적인 성공을 거뒀지만, 터치 스크린 디스플레이와 같은 일부 애플리케이션에서 일반적으로 상업적으로 사용할 수 있습니다.

라디오 및 텔레비전의 SAW 장치 응용 프로그램

SAW 공진기는 더 높은 [7]주파수로 작동할 수 있기 때문에 석영 결정이 사용되는 것과 동일한 용도로 많이 사용됩니다.조정성이 필요하지 않은 무선 송신기에서 자주 사용됩니다.이들은 차고 문 개폐기 리모컨, 컴퓨터 주변기기용 단거리 무선 주파수 링크, 채널라이제이션이 필요하지 않은 기타 장치 등의 응용 프로그램에서 자주 사용됩니다.무선 링크가 여러 채널을 사용할 수 있는 경우 위상 잠금 루프를 구동하는 데 석영 결정 발진기가 더 일반적으로 사용됩니다.SAW 디바이스의 공진 주파수는 결정의 기계적 특성에 의해 설정되기 때문에 단순한 LC 발진기만큼 드리프트되지 않습니다.여기서 콘덴서 성능이나 배터리 전압 등의 조건은 온도와 연령에 따라 크게 달라집니다.

SAW 필터는 정밀하게 결정되고 좁은 통과 대역을 가질 수 있기 때문에 무선 수신기에서도 자주 사용됩니다.이것은, 송신기와 수신기가 1개의 안테나를 공유할 필요가 있는 경우에 도움이 됩니다.SAW 필터는 신호에서 서브캐리어를 추출하기 위해 텔레비전 수신기에서도 자주 사용되었습니다.아날로그 스위치가 꺼지기 전까지는 텔레비전 수신기 또는 비디오 레코더의 중간 주파수 스트립에서 디지털 오디오 서브캐리어를 추출하는 것이 SAW 필터의 주요 시장 중 하나였습니다.

초기의 선구자 Jeffery Collins는 1970년대에 개발한 Skynet 수신기에 표면 음향파 장치를 통합했습니다.기존 [8]기술보다 빠르게 신호를 동기화했다.

또한 디지털 수신기에 자주 사용되며 슈퍼헤트 애플리케이션에 매우 적합합니다.이는 로컬 오실레이터가 수신 신호와 혼합된 후에는 중간 주파수 신호가 항상 고정 주파수로 유지되기 때문에 주파수가 고정되고 Q가 높은 필터를 통해 원치 않는 신호나 간섭 신호를 효과적으로 제거할 수 있기 때문입니다.

이러한 응용 프로그램에서 SAW 필터는 거의 항상 위상 잠금 루프 합성 로컬 오실레이터 또는 Varicap 구동 오실레이터와 함께 사용됩니다.

지구물리학에서의 SAW

지진학에서 음파는 [9]지진에 의해 발생하는 가장 파괴적인 유형의 지진파가 될 수 있으며, 이는 해저, 바위 등과 같은 보다 복잡한 매체로 전파되기 때문에 생활 환경을 보호하기 위해 사람들이 이를 알아차리고 감시해야 한다.

양자 음향의 SAW

SAW는 물질과 빛의 상호작용을 연구하는 양자 광학(QO)과 달리 양자 시스템과 음파 사이의 상호작용(폰론, (준)입자 및 인공 큐비트)을 분석하는 양자 음향(QA) 분야에서 중요한 역할을 한다.QA의 각 파형의 전파 속도는 QO의 전파 속도보다 5배 느리다.그 결과 QA는 QO가 [10]커버하지 않은 파장의 관점에서 양자 상태에 대한 다른 관점을 제공한다.이러한 추가의 한 예는 자연 원자의 본질적인 측면, 예를 들어 에너지 레벨 구조 및 [11][12][13][14][15]전자기장에 대한 결합을 에뮬레이트하도록 제작된 큐비트 및 양자 닷의 양자 광학 조사이다.이러한 인공적인 원자의 크기 10−4–10−3 m.[16]양자 광학 실험 일반적으로 전자 레인지 분야의matter-light 상호 작용을 위해 사용한 것에 도달함으로 인한 회로'giant 원자의 더빙,로 번역되었지만, 파장의 거대한 원자와 전자 레인지 분야 사이의 차이 때문에, 후반 파장을 이르는 베틌다로 놓여 있다.ween 10−2-10m−1, 보다 적합한 파장(10m)[17]을−6 위해 SAW가 대신 사용되었습니다.

마그노닉스 및 스핀트로닉스 분야에서는 스핀파와 표면 음향파 사이의 공명 결합을 통해 동일한 파장 벡터 및 주파수로 에너지를 어느 방향으로든 한 [10]형태에서 다른 형태로 전달할 수 있습니다.예를 들어 외부 자기장의 강도와 방향에 민감한 자기장 센서의 구성에 유용할 수 있습니다.자기저항층과 압전층의 구조를 사용하여 제작된 이 센서는 배터리와 와이어 없이 작동할 수 있을 뿐만 아니라 고온 또는 회전 [18]시스템과 같은 광범위한 작동 조건을 갖출 수 있는 장점이 있습니다.

단일 전자 제어

표면 음파를 통해 전달되는 전자의 애니메이션.

현재의 반도체 기술 중 가장 작은 규모에서도 각각의 연산은 거대한 전자 [19]흐름으로 이루어진다.이러한 과정에 관여하는 전자의 수를 줄이는 것은 하나의 전자 제어를 달성한다는 궁극적인 목표와 함께 심각한 도전입니다.이것은 전자들이 서로 및 그 주변과 매우 상호작용하기 때문에 하나의 전자를 [20]나머지로부터 분리하는 것이 어렵기 때문입니다.SAW를 사용하면 이 목표를 달성하는 데 도움이 됩니다.압전 표면에서 SAW가 생성되면 변형파가 전자전위를 생성한다.그러면 전위 최소값이 단일 전자를 가둬서 개별적으로 운반할 수 있습니다.이 기술은 처음에는 [21]전류의 표준 단위를 정확하게 정의하는 방법으로 생각되었지만, 양자 [22]정보 분야에서 더 유용하게 쓰였습니다.보통 큐비트는 정지되어 있기 때문에 큐비트 간의 정보 전송이 어렵습니다.SAW에 의해 운반되는 단일 전자는 한 장소에서 다른 곳으로 정보를 전달할 수 있는 소위 비행 큐비트로 사용될 수 있습니다.이를 실현하기 위해서는 단일 전자원과 그 사이에 전자를 수송할 수 있는 수신기가 필요하다.양자점(QD)은 일반적으로 이러한 고정 전자 구속에 사용됩니다.이 잠재적인 최소값은 SAW QD라고 불리기도 합니다.오른쪽의 GIF에서 볼 수 있듯이 프로세스는 일반적으로 다음과 같습니다.제1SAW는 전극 사이에 특정 치수의 디지털간 변환기로 생성되어 바람직한 [19]파장을 얻는다.그런 다음 정상 QD에서 전자 양자 터널이 전위 최소값(SAW QD)까지 도달합니다.SAW는 운동 에너지를 전자로 전달하여 전자로 이동시킵니다.그런 다음 GaAs와 [20][21]같은 압전 반도체 재료 표면에 있는 1차원 채널을 통해 전달됩니다.마지막으로 전자는 SAW QD에서 나와 리시버 QD로 터널링되고 그 후 전송이 완료됩니다.이 과정은 [23]양방향으로도 반복할 수 있습니다.

SAW 및 2D 재료

음향 진동이 벌크 재료의 변형 유도 압전장을 통해 압전 반도체 내의 이동 전하와 상호작용할 수 있기 때문에 이 음향 전기(AE) 결합은 그래핀과 같은 2D 재료에서도 중요합니다.이 2D 물질에서 2차원 전자 가스는 일반적으로 물질을 통과하는 SAW 포논의 에너지보다 훨씬 높은 밴드 갭 에너지를 가집니다.따라서 SAW 포논은 일반적으로 대역 내 전자 천이를 통해 흡수됩니다.그래핀은 전자의 선형 분산 관계가 SAW를 흡수하여 밴드 간 [24]전환을 할 때 운동량/에너지 보존을 방해하기 때문에 이러한 전환이 유일한 방법입니다.

종종 이동 전하와 SAW 사이의 상호작용으로 SAW 강도가 2D 전자 가스를 통과할 때 감소하며 SAW 속도를 다시 정규화하기도 합니다.전하들은 SAW로부터 운동 에너지를 빼앗고 반송파 산란을 통해 이 에너지를 다시 잃는다.

SAW 강도 감쇠 외에도 파형이 증폭될 수 있는 특정 상황이 있습니다.재료에 전압을 인가함으로써 전하 캐리어는 SAW보다 높은 드리프트 속도를 얻을 수 있다.그런 다음 운동 에너지의 일부를 SAW로 전달하여 SAW가 그 강도와 속도를 증폭시킵니다.그 반대도 효과가 있습니다.SAW가 반송파보다 빠르게 이동하면 운동 에너지가 반송파로 전달되어 속도와 강도가 [25]저하될 수 있습니다.

미세유체학에서의 SAW

최근 몇 년 동안 SAW를 사용하여 미세 유체 작동 및 기타 다양한 프로세스를 구동하는 데 관심이 모아지고 있다.SAW 기판과 유체의 음속 불일치로 인해 SAW는 유체에 효율적으로 전달되어 상당한 관성력과 유체 속도를 생성할 수 있다.이 메커니즘을 이용하여 펌핑, 혼합 및 분사 등의 유체 동작을 구동할 수 있습니다.[8] 이러한 과정을 구동하기 위해 액체-기판 계면에서 파형의 변화가 있다.SAW파는 가로파이며, 액적에 들어가면 세로파가 된다.[9] 미세유체액적액적 내에서 유체의 흐름을 만들어 혼합을 가능하게 하는 종파입니다.이 기술은 기판 조작을 위한 마이크로채널 및 마이크로밸브의 대안으로 사용할 수 있어 개방적인 [26]시스템을 가능하게 한다.

이 메커니즘은 액체 조작을 위한 액체 기반의 미세 유체 공학에도 사용되고 있습니다.특히 SAW를 작동 메커니즘으로 사용하여 물방울이 분류를 위해 두 개 이상의[29] 배출구 쪽으로[27][28] 밀려났다.또한 SAW는 액체 크기 변조,[30][31] 분할,[32][27][33] 포획,[34] 트위징 [35]및 나노유체 피펫팅에 [33]사용되었습니다.평면 및 경사면에 대한 액체 충격은 [36][37]SAW를 사용하여 조작 및 제어되었습니다.

PDMS(폴리디메틸실록산)는 마이크로채널과 마이크로유체칩을 만드는 데 사용할 수 있는 재료다.그것은 살아있는 세포를 시험하거나 가공하는 실험을 포함하여 많은 용도를 가지고 있다.만약 살아있는 유기체를 계속 살려둘 필요가 있다면, 열과 pH 수치와 같은 그들의 환경을 감시하고 통제하는 것이 중요하다. 그러나 만약 이러한 요소들이 조절되지 않는다면, 세포는 죽거나 원치 않는 [38]반응을 일으킬 수 있다.PDMS는 음향 에너지를 흡수하여 PDMS가 빠르게 가열되는 것으로 확인되었습니다(2000Kelvin/[39]second를 초과합니다.이러한 PDMS 장치를 마이크로채널 내부의 액체와 함께 가열하는 방법으로 SAW를 사용하는 것은 이제 온도를 0.1°[39][40]C 이내로 조정할 수 있는 제어된 방식으로 수행할 수 있는 기술이 되었습니다.

유량 측정의 SAW

표면 음파는 흐름 측정에 사용할 수 있습니다.SAW는 지진 활동과 유사한 파면 전파에 의존한다.파동은 들뜸 중심에서 생성되어 고체 물질의 표면을 따라 퍼져 나간다.전기 펄스에 의해 SAW가 생성되어 지진의 파동처럼 전파됩니다.인터디지털 변환기는 송신기 및 수신기의 역할을 합니다.1개가 송신기 모드일 경우 가장 먼2개가 수신기로 동작합니다.SAW는 측정 튜브의 표면을 따라 이동하지만 일부는 액체와 결합됩니다.디커플링 각도는 각각 액체에 고유한 파동의 전파 속도에 따라 달라집니다.측정 튜브의 다른 쪽에서는 파형의 일부가 튜브에 결합되어 표면을 따라 다음 디지털 변환기로 계속 이동합니다.또 다른 부분은 다시 결합되어 측정 튜브의 다른 쪽으로 이동하며, 여기서 효과가 반복되고 이 쪽의 변환기가 파장을 감지합니다.즉, 여기 있는 하나의 변환기의 들뜸은 거리에 있는 두 개의 다른 변환기에 일련의 입력 신호를 발생시킵니다.변환기 중 두 개는 흐름 방향으로 신호를 보내고 두 개는 다른 [41]방향으로 신호를 보냅니다.

「 」를 참조해 주세요.

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