Акустические датчики: Оптико-акустические датчики движения – купить фотоакустический датчик для включения света по низкой цене – интернет-магазин ВсеИнструменты.ру

Содержание

MARPOSS acoustic sensors

ОПИСАНИЕ

Системы контроля основаны на акустических технологиях, отслеживая шум, возникающий тогда, когда деталь или устройство для правки шлифовального круга соприкасается со шлифовальным кругом. Шум возникает в процессе резки и распространяется по станку в виде ультразвуковых волн. По мере того, как эти волны проходят через различные компоненты станка, их частота и амплитуда меняется. Отслеживая эти волны, можно выявлять любые изменения в станке и, следовательно, проводить корректировку работы станка. Эффективность датчиков определяется их возможно более близким местоположением к участку обработки.

Контроль с использованием акустических датчиков используется для определения контакта детали или устройства для правки шлифовального круга со шлифовальным кругом, снижая время воздушного зазора. Изменения в акустической эмиссии могут указывать на изменение прижимающей силы, вызванное изменением режима резания шлифовальным кругом, и помочь скорректировать цикл, оптимизируя процесс производства.

Существуют два типа акустических датчиков:

Стационарные акустические датчики: датчики состоят из одного элемента, и сигнал может передаваться по воздуху или по жидкости. Имеются различные размеры, чтобы удовлетворить все требования к использованию.
Бесконтактные акустические датчики: датчик состоит из неподвижной части (статора) и вращающейся части (ротора), у которых могут быть разные формы и размеры, чтобы удовлетворить все требования к использованию. Сигнал передается без непосредственного контакта между ротором и статором.

Эти датчики могут соединяться со следующими системами:

P1dAE
P3SE
P7SE
Sensitron6
DS5000
DS6000
DS7000

ПРЕИМУЩЕСТВА

Контроль производственного процесса
Контроль воздушного зазора и сокращение времени производственного цикла

Контроль столкновений и снижение риска серьезного повреждения шлифовального круга и станка
Снижение расходов на техобслуживание и общих расходов.
Продление срока службы компонентов станка.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Частотный диапазон: до 1000 кГц
Скорость вращения: до 120 000 об/мин

ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ

Есть различные варианты акустических сенсоров, позволяющие их разместить как можно ближе к участку обработки, где соотношение сигнал/шум является наилучшим.

Неподвижные акустические датчики: датчики ультразвуковой акустической эмиссии с поверхностным распространением и передачей сигнала по кабелю. Этот датчик размещается на детали или на штоке толкателя устройства для правки шлифовального круга

Жидкостные акустические датчики: датчики ультразвуковой акустической эмиссии с поверхностным распространением и передачей сигнала по кабелю. Сигнал передается от детали или фиксатора детали, или режущего инструмента, через смазку или охлаждающую жидкость станка.

Вращающийся акустический датчик: датчик ультразвуковой акустической эмиссии с бесконтактной передачей сигнала. Датчик устанавливается на шпиндель, на опорный фланец шлифовального круга или на диск устройства для правки шлифовального круга.

Внутренний акустический датчик шпинделя: датчик ультразвуковой акустической эмиссии с бесконтактной передачей сигнала. Вращающаяся часть не является единым целым и состоит из пьезоэлектрического датчика и устройства передачи электрического сигнала. Размеры датчика могут быть адаптированы к конкретным условиям системы. Датчик устанавливается на шлифовальный круг или на шпиндель устройства для правки шлифовального круга.

Кольцевой акустический датчик: датчик ультразвуковой акустической эмиссии с бесконтактной передачей сигнала. Неподвижная и вращающаяся части имеют форму кольца и могут быть различных размеров и формы, так как они устанавливаются снаружи на различных моделях шлифовальных станков. Датчик устанавливается на фланце шлифовального круга, на шпинделе или на держателе детали

3.5. Универсальные акустические датчики-выключатели. Электронные самоделки

3.5. Универсальные акустические датчики-выключатели

Среди радиолюбительских конструкций встречаются простые устройства, собранные по разным схемам. Их отличает набор элементов, уровень усиления и чувствительность к акустическим колебаниям. На основе чувствительных акустических устройств — датчиков, управляющих различными устройствами нагрузки, можно создавать автоматические устройства. Большое (определяющее) значение в этом случае имеет чувствительность и возможность ее регулировки. Одним из таких устройств, реагирующим на малейший шум и даже ветерок (об этом далее), является рассматриваемое устройство чувствительного акустического датчика с задержкой выключения.

Электрическая схема устройства представлена на рис. 3.7.

Усилитель слабых звуковых сигналов выполнен на высокочувствительном микрофонном усилителе DA1. Чувствительность микросхемы операционного усилителя (далее ОУ) такова, что он воспринимает входной сигнал амплитудой 1 мВ. Корректировкой сопротивления резистора R7 чувствительность усилителя можно изменять в широких пределах. Суммарный коэффициент усиления при указанных на схеме номиналах элементов составляет более 3000 и может быть еще более увеличен с помощью увеличения сопротивления резистора R7 и емкости конденсаторов С5 до 1000 пФ. Эти конденсаторы компенсационной цепочки введены в схему для устранения возможного самовозбуждения на высоких частотах усилителя при максимальном режиме усиления. Для увеличения общего коэффициента усиления также рекомендуется увеличить емкость разделительных конденсаторов С6 и С8 до 2 мкФ и 50 мкФ соответственно.

Соответственно при уменьшении сопротивления резистора R7 до 50 кОм (в 10 раз) чувствительность ОУ уменьшится так, что устройство будет реагировать только на голос человека (хлопок в ладоши или другой громкий звук) на расстоянии до 1 м от микрофона ВМ1.

Усиленный сигнал переменного напряжения с выхода ОУ DA1.1 через разделительный конденсатор C8 поступает на выпрямитель, реализованный на диодах VD1 и VD2. Выпрямленное напряжение сглаживается оксидным конденсатором С9 и шунтируется резистором R9. Цепь С9R9 одновременно является узлом задержки. Когда в точке А (на выходе схемы) появится высокий уровень напряжения (амплитудой 3,6…3,8 В), заряжающий конденсатор С9, этот уровень будет присутствовать в точке А не менее чем 4 мин. Высокий уровень в точке А является управляющим по отношению к исполнительному узлу (на схеме не показан), соответственно управляющему любой электронной нагрузкой, например, лампой накаливания в сети 220 В, установленной на лестничной клетке. В этом случае устройство будет полезно, как автомат-включатель освещения при приближении жильцов к микрофону ВМ1. Когда вблизи электретного микрофона наступит тишина, по истечении выдержки 4 мин, лампа освещения автоматически погаснет до следующего акустического воздействия на микрофон. Если шум вокруг ВМ1 сохранится во время отсчета времени после первоначального звукового воздействия, то выдержка времени соответственно увеличится и лампа освещения будет гореть до тех пор, пока шум не прекратится плюс еще 4 мин.

Если задержка выключения не нужна, то ее можно отключить. Для этого управляющий сигнал берут напрямую с вывода 7 микросхемы DA1.

Есть и еще одна интересная особенность усилителя сигналов на микросхеме DA1. Если изменить (увеличить емкость) номиналы элементов в цепи обратной связи (конденсаторы С5, С7 и разделительные конденсаторы С6, С8 — об этом написано выше), чувствительность устройства оказывается такова, что управляющий выходной сигнал появится на выводе 7 элемента DA1.2 не после звукового воздействия на микрофон, а даже при слабом ветерке, потоке воздуха, направленного на микрофон ВМ1 с расстояния 0,5–1 м. Для получения такого эффекта потребуется полностью изолировать помещение от посторонних звуков (что в больших городах сделать в бытовых условиях средней квартиры почти невозможно, ибо уровень шума с улицы превышает все мыслимые пределы). Этот авторский эксперимент проводился ночью, поэтому в связи с вышеизложенным можно рекомендовать данную разработку тем радиолюбителям, кто сможет найти для нее другое рациональное применение (взяв за основу), например, для создания шумомера — устройства фиксирующего, измеряющего уровень шума и индицирующего превышение этого уровня. В больших городах, а также в производственных помещениях такой прибор сегодня оказывается весьма актуальным, ибо позволяет сберечь людям здоровье, нервы и, как следствие, продлить жизнь.

Кроме того, рекомендованную на рис. 3.7 электронную схему можно с успехом применить как составную часть других радиолюбительских конструкций, описанных в этой книге, в качестве высокочувствительного акустического узла.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

🔺ТЭК установил акустические датчики на сетях.. | ГУП “ТЭК СПб”

ТЭК установил акустические датчики на сетях в 7 районах Петербурга

105 акустических датчиков Ortomat-МТС, способных выявлять дефекты на ранней стадии, установлены на трубопроводах в 89 тепловых камерах ТЭКа.

Инновационная система мониторинга появилась на 19 участках сетей общей протяженностью 15 000 метров.
Больше всего устройств – в Красносельском, Калининском и Кировском районах, при этом 42 датчика появились в зоне реновации домов массовой серии. Кроме того, датчики мониторят состояние теплосетей в Московском, Невском, Выборгском и Фрунзенском районах. Участки сетей для монтажа оборудования специалисты ТЭКа выбирали исходя из срока их службы и преимущественно это магистральные трубопроводы – от них зависит теплоснабжение большого числа зданий. Таким образом, технология позволяет следить за состоянием трубопроводов с большим сроком эксплуатации, на которых вероятность дефектов наиболее высока.

Принцип работы «шумовых» датчиков основывается на измерении уровня шума, обусловленного воздействием потока на тело трубы. В случае отклонения от базового сигнала система с высокой точностью определяет место и время возникновения дефекта. Данные передаются на сервер и компьютер диспетчеров ТЭКа для визуализации и дальнейшего анализа с помощью специальной программы. Важно, что «прослушка» трубопровода позволяет найти и предотвратить развитие дефекта на сетях на ранней стадии, то есть до выхода воды теплоносителя на поверхность, и, следовательно, сократить потери теплоносителя, издержки, связанные с устранением дефекта, а также предотвратить возможные нештатные ситуации и минимизировать риск причинения ущерба третьим лицам.

Новое оборудование теплоэнергетики протестировали в Московском районе в декабре 2019 года. Для испытаний был выбран участок магистральной теплосети длиной 810 метров. Умные устройства доказали свою эффективность, зафиксировав ряд дефектов.

#ГУПТЭК
#инновацииТЭК
#модернизацияТЭК
#ТЭКнастражетепла
#теплоэнергетика
#СанктПетербург

выбираем звуковой или оптико-акустический датчик для выключения освещения, схема датчика шума и хлопка для включения света

Датчики звука для включения света появились сравнительно недавно и были по достоинству оценены потребителями. Ими стали оснащать осветительные приборы в жилых домах и общественных зданиях, сокращая таким образом потребление электроэнергии и значительно экономя бюджет.

Что это такое?

Датчики звука пришли на современный рынок в начале 90-х годов и поначалу использовались в составе систем безопасности и сигнализации. Первые образцы отличались низкой чувствительностью и большим процентом ложных срабатываний. Современные модели стали более совершенными и характеризуются высокой точностью фиксации и сверхчувствительностью.

Главным элементом датчика является микрофон, работающий в паре со специальным усилителем. Кроме этого, в конструкцию устройства входят электронные устройства, которые анализируют поступивший с усилителя сигнал, и в случае необходимости отправляют команду на электрическое реле. Распознавание звука происходит на основе сравнения с эталоном, который уже записан в памяти устройства. Самые простые датчики не способны к глубокому анализу и запрограммированы на любой шум, чуть более модернизированные – на хлопок, и самые совершенные образцы программируются на целый спектр команд, из-за чего стоят значительно дороже.

Назначение и сфера использования

Датчики звука предназначены для автоматического включения осветительных приборов при приближении к ним человека. Приборы получили широкое распространение в тамбурах зданий, общественных туалетах, подъездах многоквартирных домов и других местах общественного пользования. Кроме того, датчики часто устанавливают в системы охранной сигнализации. Устройства способны работать со всеми типами осветительных приборов, включая люминисцентные и светодиодные лампы.

Помимо мест общего пользования, датчики устанавливают в помещениях жилых домов, в которых домочадцы бывают редко, например, в кладовые или другие подсобные помещения. Более того, датчик является оптимальным решением для освещения длинных и тёмных коридоров, что особенно актуально в домах с маленькими детьми. Часто бывает так, что ребёнок просто опасается выходить в тёмное пространство, а до выключателя ещё не дорос. Устройства очень востребованы в домах, где есть люди с ограниченными возможностями, которые передвигаются по дому в инвалидных креслах, а также на складах и базах, где не всегда есть возможность включить освещение с помощью рук. Датчики позволяют осуществлять загрузку и выгрузку товара, не выпуская тяжёлых коробок для того, чтобы включить свет.

Датчики часто устанавливают и в проходных коридорах, где они мгновенно включат свет при появлении человека, и незамедлительно выключат его, как только тот покинет коридор. Ещё одной важной сферой использования датчиков звука являются медицинские учреждения, где отсутствие выключателя продиктовано требованиями гигиены. Используют устройства и в помещениях, в которых установка стандартного выключателя по техническим причинам невозможна. В более широких масштабах датчики используются в речных и морских портах, где после срабатывания тревожной сирены они мгновенно включают дополнительные прожекторы, освещающие акваторию.

В таких случаях автоматика часто приходит на помощь неуспевающим отреагировать людям и нередко предотвращает серьёзные инциденты.

Преимущества и недостатки

Как и любой другой электронный прибор, датчики звука имеют свои сильные и слабые стороны. К достоинствам приборов относят:

невысокую стоимость, делающую устройства доступными для всех категорий населения;
большой радиус действия, позволяющий издалека «слышать» звук приближающегося человека и вовремя включать освещение;
значительное снижение затрат на электроэнергию и покупку лампы.

Кроме того, выключение света происходит не сразу, а спустя 20-30 секунд после ухода человека. Это позволяет ему не оказаться сразу в кромешной темноте, а спокойно уйти в другое помещение.

Недостатков у датчиков звука не так уж и много. К ним относят невозможность размещения в слишком шумных местах и вероятность ложных срабатываний более дешёвых моделей.

Принцип действия

Звуковые датчики для включения света относятся к группе акустических устройств. Основой принципа их работы является обнаружение и распознавание акустических волн. Волна проникает внутрь прибора и создаёт в нём отклонение от стандартного параметра тишины. В качестве контрольных точек выступают скорость звуковой волны и её амплитуда. Скорость, в свою очередь, регистрируется благодаря определению частоты и фазности.

Далее, после обработки звуковой волны и её сравнения с эталоном, прибор посылает команду реле, которое замыкает электрическую цепь, запускает таймер и включает освещение, например, на 50 секунд. В течение этого времени датчик не обращает внимания на звуковой фон помещения, а по завершении периода начинает вновь регистрировать наличие и скорость акустических волн.

Если фон не изменился и в помещении наблюдается шум, то свет продолжит гореть ещё 50 секунд.

Если же звуки стихли, и прибор перестал регистрировать акустическую волну, то реле разомкнётся и освещение будет автоматически отключено. После выключения датчик вновь готов к приёму и обработке акустической волны, и незамедлительно включит свет при её обнаружении. В качестве шумовой нагрузки может выступать открытие двери, человеческие шаги, голоса разной громкости, покашливание или хлопок в ладоши.

Из-за высокой чувствительности встроенного микрофона и риска ложных срабатываний, звуковые датчики нуждаются в грамотной настройке. Для этих целей на корпусе имеются регуляторы, выполненные в виде колесиков либо кнопок. Один из них регулирует границы предельного шума, при которых прибор срабатывает. Оптимальным вариантом является настройка на срабатывание при уровне звука 50 дБ, что эквивалентно звуку от хлопка в ладоши взрослого человека. При помощи второго регулятора выставляют время, через которое прибор должен будет включиться после принятия им звуковой волны.

Разновидности

Современный рынок предлагает три вида звуковых датчиков, включающих освещение. Это стандартные звуковые и оптико-акустические модели, а также приборы, реагирующие ещё и на движение.

Если классические звуковые модели способны реагировать только на звуковую волну, то оптико-акустические приборы работают несколько по иной схеме. Помимо приёма и обработки звукового сигнала, они способны самостоятельно оценивать уровень освещённости помещения и не позволят включить лампу в светлое время суток, несмотря на присутствие шума. В конструкцию таких моделей входит чувствительный фотоэлемент, реагирующий на количество света в помещении.
Звуковые датчики с функцией движения способны включать свет как при прохождении звуковой волны, так и при появлении человека или животного. Однако такие модели не очень удобны в том плане, что часто реагируют на грызунов и домашних питомцев, повышая тем самым процент ложных срабатываний.
Стандартные звуковые модели подразделяются на два типа: приборы, срабатывающие от любого шума и командные образцы.

Датчики, реагирующие на общий шум, представляют более многочисленную группу устройств и выпускаются в широком ассортименте.

Такие модели устанавливают исключительно в общественные пространства, а в жилых помещениях не используют. Исключение составляют приборы, оснащённые реле задержки отключения, которые иногда используются в ванных комнатах и туалетах.

Образцы дополнены функцией задержки времени отключения и самостоятельно отключаются только через 50-60 секунд после стихания последнего шума. Некоторые модели данного вида оснащены дополнительной опцией задержки включения, которая не позволит прибору зажечь свет от короткого акустического удара, например, раската грома или сигнала авто. Устройство включит свет только в том случае, если шум будет продолжаться в течение сколько-нибудь продолжительного времени. Параметры времени в большинстве случаев можно запрограммировать самому. Достоинствами вида является простота устройства и низкая цена. К недостаткам относят невозможность установки в подъезды, выходящие окнами на шумную магистраль, и использование в жилых помещениях.

Звуковое реле, реагирующее на конкретные команды, например, на хлопок в ладоши, позволяет использовать его в жилых пространствах и офисных коридорах. По своей сути данное устройство является тем же шумовым датчиком, но с более высоким порогом срабатывания, улавливающим одну или две команды. Принцип его действия немного отличается от принципа работы шумового прибора и состоит в следующем: при одном хлопке в ладоши устройство замыкает цепь, свет включается и продолжает гореть до тех пор, пока не прозвучит команда на отключение света. Обычно в качестве команды выключения используют двойной хлопок.

Более сложные модели способны различать голосовые команды, состоящие из кодовых слов. Однако такие образцы больше являются творением домашних умельцев и на рынке присутствуют в ограниченном количестве. Достоинствами моделей этого вида является возможность их установки в места с умеренным шумом, на который датчик не реагирует. К недостаткам относят неудобство использования моделей, работающих по хлопку, при занятных руках.

В целом установка звуковых датчиков быстро оправдывает затраты на их приобретение, существенно экономит электричество и исключает вероятность порчи выключателей злоумышленниками в общественных местах.

О том, как выбрать датчик звука для включения света, смотрите в следующем видео.

На городские сети водоснабжения устанавливают акустические данные (СЮЖЕТ)

Теперь городские сети водоснабжения будут под постоянным наблюдением. Следить за состоянием наружных труб обязаны специальные звуковые датчики. В течение месяца устройства будут работать в разных районах города. Пока используют 20 аппаратов, они охватывают около трех километров сети. Но за счет простоты установки и их мобильности аппараты будут перевозить с места на место. Так, всего за месяц специалисты планируют обследовать около 10 километров наружных водопроводов.

«Датчик имеет магнитную основу, и крепится на любой металлический элемент трубопроводной сети, в данном случае — на трубу. Вот таким вот образом. И передающее устройство крепится на металлический элемент колодца».

Следить за состоянием наружных водопроводов можно будет ежедневно и оперативно. Данные с устройства по GSM-каналу поступают в систему специального программного обеспечения. После этого установить, где произошла утечка, можно за считанные секунды.

ДЕНИС ГОРБАЧЕВ, ТЕХНИЧЕСКИЙ ДИРЕКТОР КОМПАНИИ-ПРОИЗВОДИТЕЛЯ ДАТЧИКОВ:

«Это устройство состоит из двух частей. Сам датчик воспринимает вибрацию и шум трубопровода. Представим, что у нас стоят два датчика. Каждый из них слышит шум предполагаемой утечки. И определяет на каком расстоянии от каждого датчика находится данная утечка. В результате диспетчер видит на экране, на карте города, точное место, где находится утечка благодаря умной системе, предусмотренной в этих датчиках».

Такая «умная» схема работает не только против утечек. С помощью датчиков можно определить и нарушителей, что незаконно делают врезку в городские трубы, а также установить бесхозные и неучтенные сети.

ЕВГЕНИЙ ГОРЛОВ, ДИРЕКТОР ДЕПАРТАМЕНТА ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА СЕВАСТОПОЛЯ:

«Вообще, в планах у нас – приобретение около ста датчиков. Таких, чтобы мы максимально обследовали те участки, где у нас есть подтверждения о том, что идут потери, где могут быть коммерческие врезки, незаконное потребление. Это в основном для сохранения водного баланса в городе. При этом, сама история, вот сегодня реализация этого мероприятия, – это составление электронной модели системы водоснабжения в городе. То есть, учета бесхозных сетей, которые на сегодняшний момент или ранее не получили технические условия и не нанесены на общую схему водоснабжения».

Так, благодаря этим небольшим аппаратам, можно будет значительно сократить потери в сетях. Из-за аварийных коммуникаций ежесуточно город терял до 40% воды, которая просто не доходила до потребителей.

Автор:

Алевтина Игнатьева

Датчики с технологией акустических волн | FierceElectronics

Кустик-волновые устройства используются в коммерческих целях более 60 лет. Отрасль электросвязи является крупнейшим потребителем, на нее ежегодно приходится около 3 миллиардов фильтров акустических волн, в основном в мобильных сотовых телефонах и базовых станциях. Обычно это устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые действуют как полосовые фильтры как в радиочастотной, так и в промежуточной частотной части электроники приемопередатчика.Некоторые из новых приложений для устройств акустических волн в качестве датчиков могут в конечном итоге удовлетворить спрос на рынке телекоммуникаций. К ним относятся автомобильные приложения (датчики крутящего момента и давления в шинах), медицинские приложения (химические датчики), а также промышленные и коммерческие приложения (датчики пара, влажности, температуры и массы). Датчики акустических волн имеют конкурентоспособную цену, по своей сути прочны, очень чувствительны и по своей сути надежны. Некоторые из них также могут опрашиваться в пассивном и беспроводном режиме (источник питания датчика не требуется).

Обзор технологии акустических волн

Датчики акустических волн названы так потому, что их механизм обнаружения представляет собой механическую или акустическую волну. Когда акустическая волна распространяется через или на поверхность материала, любые изменения характеристик пути распространения влияют на скорость и / или амплитуду волны. Изменения скорости можно отслеживать, измеряя частотные или фазовые характеристики датчика, и затем их можно соотнести с соответствующей измеряемой физической величиной.

Практически все устройства и датчики акустических волн используют пьезоэлектрический материал для генерации акустической волны. Пьезоэлектричество было открыто братьями Пьером и Полем-Жаком Кюри в 1880 году, получило свое название в 1881 году от Вильгельма Ганкеля и оставалось в значительной степени диковинкой до 1921 года, когда Уолтер Кэди открыл кварцевый резонатор для стабилизации электронных генераторов [1]. Пьезоэлектричество относится к производству электрических зарядов путем наложения механического напряжения. Явление обратное.Приложение соответствующего электрического поля к пьезоэлектрическому материалу создает механическое напряжение. Пьезоэлектрические датчики акустических волн прикладывают колеблющееся электрическое поле для создания механической волны, которая распространяется через подложку и затем преобразуется обратно в электрическое поле для измерения.

Пьезоэлектрические материалы подложки

Рис. 1. Устройства на акустических волнах производятся посредством фотолитографического процесса, аналогичного тому, который используется для изготовления ИС.Единственное отличие состоит в том, что в датчиках акустических волн нет перехода.

Среди пьезоэлектрических материалов подложек, которые могут использоваться для датчиков и устройств акустических волн, наиболее распространенными являются кварц (SiO ₂), танталат лития (LiTaO ₃) и, в меньшей степени, ниобат лития (LiNbO _{). 3}). Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки, в том числе стоимость, температурную зависимость, затухание и скорость распространения.В таблице 1 перечислены некоторые соответствующие спецификации для каждого материала, включая наиболее популярные разрезы и ориентации [2]. Интересным свойством кварца является возможность выбора температурной зависимости материала по углу среза и направлению распространения волны. При правильном выборе можно минимизировать температурный эффект первого порядка. Датчик температуры акустической волны может быть сконструирован с максимальным увеличением этого эффекта. Это не относится к ниобату лития или танталату лития, где линейная температурная зависимость всегда существует для всех разрезов материала и направлений распространения.Другие материалы с коммерческим потенциалом включают арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiC), лангасит (LGS), оксид цинка (ZnO), нитрид алюминия (AlN), титанат циркония свинца (PZT) и поливинилиденфторид (PVdF).

Производство акустических волновых устройств

Рис. 2. Типичное устройство акустических волн состоит из двух наборов встречно-штыревых преобразователей. Один преобразователь преобразует энергию электрического поля в энергию механической волны; другой преобразует механическую энергию обратно в электрическое поле.

Датчики изготавливаются методом фотолитографии (см. Рисунок 1). Производство начинается с тщательной полировки и очистки пьезоэлектрической подложки. Затем на подложку равномерно наносится металл, обычно алюминий. Устройство покрывается фоторезистом методом центрифугирования и обжигается для его затвердевания. Затем он подвергается воздействию ультрафиолетового света через маску с непрозрачными участками, соответствующими участкам, которые необходимо металлизировать на конечном устройстве. Открытые участки подвергаются химическому изменению, что позволяет удалить их с помощью проявляющего раствора.Наконец, оставшийся фоторезист удаляется. Металлический узор, оставшийся на устройстве, называется встречно-штыревым преобразователем или IDT. Изменяя длину, ширину, положение и толщину IDT, можно повысить производительность датчика.

Режимы распространения акустических волн

Устройства на акустических волнах описываются способом распространения волны через пьезоэлектрическую подложку или на ней. Акустические волны различаются в первую очередь своей скоростью и направлением смещения; возможно множество комбинаций в зависимости от материала и граничных условий.IDT каждого датчика создает электрическое поле, необходимое для смещения подложки и, таким образом, образования акустической волны. Волна распространяется через подложку, где она преобразуется обратно в электрическое поле в IDT на другой стороне. На рисунке 2 показана конфигурация типичного акустического волнового устройства. Поперечные, или поперечные, волны имеют смещения частиц, которые перпендикулярны направлению распространения волны и которые могут быть поляризованы, так что смещения частиц параллельны или перпендикулярны чувствительной поверхности.Сдвиговое горизонтальное волновое движение означает поперечные смещения, поляризованные параллельно чувствительной поверхности; сдвиговое вертикальное движение указывает на поперечные смещения, перпендикулярные поверхности.

Рис. 3. Хотя это самый старый акустический волновой прибор, резонатор, работающий со сдвигом по толщине, все еще используется для измерения скорости осаждения металла.

Волна, распространяющаяся через подложку, называется объемной волной.Наиболее часто используемые устройства на объемных акустических волнах (BAW) – это резонатор для сдвигового режима толщины (TSM) и датчик для сдвигово-горизонтальной акустической пластины (SH-APM).

Если волна распространяется по поверхности подложки, она называется поверхностной волной. Наиболее широко используемыми устройствами для обработки поверхностных волн являются датчик поверхностных акустических волн и датчик поперечно-горизонтальных поверхностных акустических волн (SH-SAW), также известный как датчик поверхностных поперечных волн (STW).

Все устройства на акустических волнах являются датчиками в том смысле, что они чувствительны к возмущениям многих различных физических параметров.Любое изменение характеристик пути, по которому распространяется акустическая волна, приведет к изменению выходной мощности. Все датчики будут работать в газовой или вакуумной среде, но только часть из них будет работать эффективно при контакте с жидкостями. TSM, SH-APM и SH-SAW генерируют волны, которые распространяются в основном в поперечном горизонтальном движении. Сдвиговая горизонтальная волна не излучает заметную энергию в жидкости, что позволяет работать с жидкостью без чрезмерного демпфирования.Напротив, датчик на ПАВ имеет значительное смещение по нормали к поверхности, которое излучает волны сжатия в жидкость, вызывая чрезмерное демпфирование. Исключением из этого правила являются устройства, использующие волны, которые распространяются со скоростью ниже скорости звука в жидкости. Независимо от составляющих смещения, такие моды не излучают когерентно и, таким образом, относительно незатухают жидкостями.

Другие акустические волны, которые являются многообещающими для датчиков, включают волну изгибной пластины (FPW), волну Лява, поверхностную объемную волну (SSBW) и волну Лэмба.Прежде чем переходить к примерам применения, полезно кратко рассмотреть каждый тип датчика.

Рис. 4. В датчике в режиме поперечно-горизонтальной акустической пластины (SH-APM) волны распространяются между верхней и нижней поверхностями пластины, что позволяет проводить измерения с любой стороны.

Датчики объемных волн

Резонатор моды сдвига толщины. TSM, широко известный как микровесы с кварцевым кристаллом (QCM), является самым известным, самым старым и простым устройством акустических волн.Как показано на Рисунке 3, TSM обычно состоит из тонкого диска кварца с АТ-огранкой с параллельными круглыми электродами с рисунком на обеих сторонах. Приложение напряжения между этими электродами приводит к деформации сдвига кристалла.

Это устройство известно как резонатор, потому что кристалл резонирует при возникновении электромеханических стоячих волн. Смещение максимально на гранях кристалла, что делает устройство чувствительным к поверхностным взаимодействиям. Резонатор TSM первоначально использовался для измерения скорости осаждения металла в вакуумных системах, где он обычно использовался в схеме генератора [3].Частота колебаний отслеживает резонанс кристалла и указывает на накопление массы на поверхности устройства. В конце 1960-х годов было показано, что резонатор TSM работает как датчик пара.

TSM отличается простотой изготовления, способностью выдерживать суровые условия окружающей среды, температурной стабильностью и хорошей чувствительностью к дополнительной массе, осаждаемой на поверхности кристалла [4]. Из-за своей составляющей распространения поперечной волны резонатор TSM также способен обнаруживать и измерять жидкости, что делает его хорошим кандидатом в качестве биосенсора.К сожалению, у этих устройств самая низкая массовая чувствительность из рассмотренных здесь сенсоров. Типичные резонаторы TSM работают в диапазоне от 5 до 30 МГц. Изготовление очень тонких устройств, работающих на более высоких частотах, может увеличить массовую чувствительность, но уменьшение толщины датчиков за пределами нормального диапазона приводит к получению хрупких устройств, которые трудно производить и обрабатывать. Недавно была проделана работа по формированию высокочастотных резонаторов TSM с использованием пьезоэлектрических пленок и методов микрообработки объемного кремния [5].

Рисунок 5. Волны Рэлея движутся вертикально в направлении, нормальном к плоскости поверхности датчика поверхностных акустических волн (ПАВ). Волны на ПАВ очень чувствительны к изменениям поверхности, но не подходят для большинства приложений измерения жидкости.

Сдвигово-горизонтальные акустические пластинчатые сенсоры. В этих устройствах используется тонкая пьезоэлектрическая подложка или пластина, функционирующая как акустический волновод, ограничивающий энергию между верхней и нижней поверхностями пластины (см. Рисунок 4).В результате обе поверхности подвергаются смещению, поэтому обнаружение может происходить с любой стороны. Это важное преимущество, так как одна сторона содержит встречно-штыревые преобразователи, которые должны быть изолированы от проводящих жидкостей или газов, а другая сторона может использоваться в качестве датчика.

Как и в случае с резонатором TSM, относительное отсутствие нормального к поверхности компонента волнового смещения позволяет датчику вступать в контакт с жидкостью для применения в биосенсорах. Датчики SH-APM успешно использовались для определения уровней ртути в микрограммах на литр, что является достаточным для испытаний на соответствие Закону о безопасной питьевой воде [6].Хотя датчики SH-APM более чувствительны к массовой нагрузке, чем резонатор TSM, они менее чувствительны, чем датчики поверхностных волн. На это есть две причины. Первая заключается в том, что чувствительность к массовой нагрузке и другим возмущениям зависит от толщины подложки, причем чувствительность увеличивается по мере истончения устройства. Минимальная толщина ограничена производственными процессами. Во-вторых, энергия волны не максимальна на поверхности, что снижает чувствительность.

Датчики поверхностных волн

Рисунок 6. Энергия волны ограничена одной длиной волны от поверхности датчика на ПАВ. Благодаря этой характеристике датчик очень чувствителен к взаимодействию с поверхностью.

Датчики поверхностных акустических волн. В 1887 году лорд Рэлей открыл способ распространения поверхностных акустических волн [7] и в своей классической статье предсказал свойства этих волн. Названные в честь своего первооткрывателя, волны Рэлея имеют продольную и вертикальную компоненты сдвига, которые могут взаимодействовать со средой, контактирующей с поверхностью устройства (см. Рис. 5,71).Такая связь сильно влияет на амплитуду и скорость волны. Эта функция позволяет датчикам на ПАВ непосредственно определять массу и механические свойства. Поверхностное движение также позволяет использовать устройства в качестве микроактюаторов. Волна имеет скорость, которая на ~ 5 порядков меньше, чем соответствующая электромагнитная волна, что делает поверхностные волны Рэлея одними из самых медленных для распространения в твердых телах. Амплитуды волн обычно составляют ~ 10 Å, а длины волн находятся в диапазоне от 1 до 100 микрон [8].

На рисунке 6 показано поле деформации, вызванное распространением ПАВ вдоль оси Z, и соответствующее распределение потенциальной энергии.Поскольку практически вся акустическая энергия волн Рэлея ограничена одной длиной волны поверхности, датчики на ПАВ обладают самой высокой чувствительностью среди рассмотренных акустических датчиков.

Типичные датчики на ПАВ работают в диапазоне от 25 до 500 МГц. Одним из недостатков этих устройств является то, что волны Рэлея являются нормальными к поверхности волнами, что делает их плохо подходящими для измерения жидкости. Когда датчик SAW контактирует с жидкостью, возникающие в результате волны сжатия вызывают чрезмерное затухание поверхностной волны.

Фото 1. Датчики акустических волн коммерчески доступны в нескольких форм-факторах. Большинство датчиков начинаются с обработанных пластин, которые затем тестируются, нарезаются кубиками и устанавливаются в пакеты.

Датчики поперечных и горизонтальных поверхностных акустических волн. Если разрез материала пьезоэлектрического кристалла повернуть соответствующим образом, режим распространения волны изменится с датчика вертикального сдвига на ПАВ на датчик на поперечно-горизонтальном ПАВ.Это значительно снижает потери при контакте жидкости с распространяющейся средой, позволяя датчику SH-SAW работать как биосенсор (см. Рисунок 7).

Сравнение датчиков акустических волн

Как правило, чувствительность датчика пропорциональна количеству энергии возмущенного пути распространения. Датчики объемных акустических волн обычно рассеивают энергию от поверхности через объемный материал к другой поверхности. Такое распределение энергии сводит к минимуму плотность энергии на поверхности, на которой и производится зондирование.Датчики на ПАВ, наоборот, фокусируют свою энергию на поверхности, что делает их более чувствительными [9,10] (см. Таблицу 2). Другие конструктивные соображения при выборе датчиков акустических волн включают стабильность генератора и уровень шума.

Применение датчиков

Все датчики акустических волн в разной степени чувствительны к возмущениям от множества различных физических параметров. Некоторые коммерчески доступные датчики акустических волн показаны на фото 1. Фактически, все устройства акустических волн, производимые для телекоммуникационной отрасли, должны быть герметично закрыты, чтобы предотвратить любые помехи, поскольку они будут восприниматься устройством и вызывать нежелательное изменение выходного сигнала. .

Рис. 7. При правильном выборе ориентации разреза материала поперечно-горизонтальные поверхностные акустические волны (SH-SAW) будут преобладать. Эти волны имеют смещение, параллельное поверхности устройства.

Диапазон явлений, которые могут быть обнаружены устройствами акустической волны, можно значительно расширить, покрывая устройства материалами, которые претерпевают изменения в своей массе, эластичности или проводимости при воздействии какого-либо физического или химического воздействия.Эти датчики становятся датчиками давления, крутящего момента, удара и силы под действием приложенного напряжения, которое изменяет динамику распространяющейся среды. Они становятся массовыми или гравиметрическими датчиками, когда частицам позволяют контактировать со средой распространения, изменяя давление на нее. Они становятся датчиками пара, когда наносится покрытие, поглощающее только определенные химические пары. Эти устройства работают, эффективно измеряя массу поглощенного пара. Если покрытие поглощает определенные биологические химические вещества в жидкостях, детектор становится биосенсором.Как отмечалось ранее, беспроводной датчик температуры может быть создан путем выбора правильной ориентации распространения. Распространяющаяся среда изменяется в зависимости от температуры, влияя на производительность. Ниже подробно описаны некоторые из наиболее распространенных применений датчиков акустических волн.

Датчик температуры. Скорости поверхностных волн зависят от температуры и определяются ориентацией и типом кристаллического материала, используемого для изготовления датчика. Датчики температуры на основе генераторов с линиями задержки на ПАВ имеют миллиградусное разрешение, хорошую линейность и низкий гистерезис [11].Однако они очень чувствительны к массовой нагрузке и поэтому должны быть запечатаны в герметичной упаковке. Недавно сообщалось, что кварцевый датчик температуры объемной волны, снимающий поверхностную волну, на 124 МГц ST-срез имеет температурный коэффициент 32 ppm / C и разрешение 0,22ÞC [12]. Он также показал на три порядка меньшую чувствительность к массовому нагружению, чем датчики на ПАВ. Время отклика составило 0,3 с, что в 10 3 раза быстрее, чем у датчиков BAW. Эти датчики температуры обладают дополнительным преимуществом, так как не требуют питания и являются беспроводными, что делает их хорошо подходящими для использования в удаленных местах.

Датчик давления. В 1975 году впервые было сообщено об использовании технологии SAW для сенсорного применения в виде датчика давления [13]. На скорости ПАВ сильно влияют напряжения, приложенные к пьезоэлектрической подложке, по которой распространяется волна. Таким образом, датчик давления на ПАВ создается путем преобразования устройства на ПАВ в диафрагму (см. Рисунок 8,).

Рис. 8. Частота ПАВ изменяется с напряжением.Когда диафрагма изгибается из-за давления, датчик SAW изменяет свой выходной сигнал. К сожалению, изменения температуры также вызывают изменение производительности.

Некомпенсированные температурные дрейфы, которые имеют тенденцию мешать датчикам давления на ПАВ, могут быть минимизированы путем размещения эталонного устройства на ПАВ рядом с измерительной ПАВ на той же подложке и смешивания двух сигналов [14]. Один датчик действует как датчик температуры, близость которого к датчику давления гарантирует, что оба они подвергаются воздействию одинаковой температуры.Однако датчик температуры SAW должен быть изолирован от нагрузок, которые испытывает SAW под давлением (см. Рисунок 9).

SAW являются пассивными (не требует питания), беспроводными, недорогими, прочными, чрезвычайно маленькими и легкими, что делает их хорошо подходящими для измерения давления в движущихся объектах (например, в шинах легковых и грузовых автомобилей). Эти характеристики предлагают преимущества по сравнению с такими технологиями, как емкостные и пьезорезистивные датчики, которые требуют рабочего питания и не являются беспроводными.Датчик давления на ПАВ весом <1 г с разрешением 0,73 фунта на квадратный дюйм был недавно интегрирован в автомобильную шину с отличными результатами [15]. Такая система позволяет оператору видеть давление в каждой шине, не выходя из кабины. Правильно накачанные шины обеспечивают повышенную безопасность, большую топливную экономичность и более длительный срок службы шин. Эта технология особенно интересна для рынка новых шин Run-Flat (также называемых нулевым давлением или повышенной мобильностью).

Датчик крутящего момента. Если устройство SAW жестко закреплено на плоской точке на валу, и вал испытывает крутящий момент, этот крутящий момент приведет к нагрузке на датчик и превратит его в беспроводной, пассивный, легкий датчик крутящего момента.Поскольку вал вращается в одну сторону, датчик крутящего момента SAW находится под напряжением; повернутый в другую сторону, он сжимается. Для практических целей используются два датчика крутящего момента на ПАВ, осевые линии которых расположены под прямым углом (см. Рисунок 10) [16]. Таким образом, когда один датчик находится в состоянии сжатия, другой – в напряжении. Поскольку оба датчика подвергаются воздействию одинаковой температуры, сумма двух сигналов сводит к минимуму любые эффекты температурного дрейфа.

Рисунок 9. Добавление второй, стратегически размещенной SAW эффективно минимизирует температурный дрейф датчика давления SAW.

По сравнению с другими датчиками крутящего момента, включая резистивные тензодатчики, оптические преобразователи и торсионные стержни, датчики крутящего момента на ПАВ предлагают более низкую стоимость, более высокую надежность и беспроводную работу. Мониторинг крутящего момента на грузовиках и легковых автомобилях значительно улучшит управляемость и торможение, поскольку крутящий момент измеряет тягу колес намного лучше, чем датчики частоты вращения, используемые в настоящее время.

Датчик массы. Из всех устройств, оцениваемых здесь, датчики на ПАВ наиболее чувствительны к массовым нагрузкам. Это открывает ряд приложений, включая датчики твердых частиц и датчики толщины пленки. Если датчик покрыт клеящим веществом, он становится датчиком твердых частиц; любая частица, упавшая на поверхность, останется там и нарушит распространение волны. Сообщалось о разрешении по массе в 3 пг для кварцевой SAW ST-среза 200 МГц, что составляет 1000 3 чувствительности испытанного резонатора TSM 10 МГц [17].Датчики твердых частиц используются в чистых помещениях, мониторах качества воздуха и атмосферных мониторах.

работают в основном по тому же принципу, что и датчики твердых частиц, за исключением того, что они не имеют покрытия. Измеренный сдвиг частоты пропорционален массе нанесенной пленки, поэтому датчик предоставляет данные о толщине путем измерения плотности пленки и акустического импеданса. Этот метод является точным при условии, что пленка тонкая (в идеале не более нескольких процентов от длины акустической волны) [18].Большинство имеющихся в продаже датчиков толщины основаны на резонаторах TSM. Хотя эти устройства не так чувствительны, как датчики на ПАВ, они просты в использовании и обладают достаточной чувствительностью.

Датчик точки росы / влажности. Если датчик SAW регулируется по температуре и подвергается воздействию окружающей атмосферы, вода будет конденсироваться на нем при температуре точки росы, что делает его эффективным датчиком точки росы. Современные коммерческие инструменты для высокоточных измерений точки росы основаны на оптических методах, которые имеют проблемы с ценой, загрязнением, точностью, чувствительностью и долговременной стабильностью.Был разработан датчик точки росы на ПАВ из ниобата лития с YZ-срезом на 50 МГц, который невосприимчив к обычным загрязняющим веществам, имеет разрешение ± 0,025 ° C (по сравнению с ± 0,2 ° C для оптического датчика), имеет низкую стоимость и значительно дешевле. более стабильный [19].

Рис. 10. Напряжение в валу передается на датчик SAW, который изменяет свою выходную частоту в зависимости от напряжения и, следовательно, крутящего момента. Добавление еще одной SAW сводит к минимуму температурные эффекты.

Датчики акустических волн с эластичным гигроскопичным полимерным покрытием являются отличными датчиками влажности.Три рабочих механизма влияют на реакцию датчиков: массовая нагрузка, акустоэлектрические эффекты и вязкоупругие эффекты, каждый из которых можно эффективно контролировать, чтобы получить точный и недорогой датчик влажности. Датчик на ПАВ из ниобата лития с YZ-срезом 50 МГц, покрытый polyXIO, был продемонстрирован как датчик влажности с диапазоном относительной влажности 0–100% и гистерезисом порядка 5% [20]. Кроме того, недавно был продемонстрирован кварцевый датчик SH-SAW с АТ-срезом 767 МГц, покрытый модифицированным плазмой гексаметилдисилоксаном (HMDSO), как датчик влажности с чувствительностью 1.4 ppm /% относительной влажности и гистерезис 5%. Было обнаружено, что он на 4–10 3 более чувствителен, чем резонатор TSM с частотой 14 МГц, покрытый тем же полимером [21].

В той же категории датчик на ПАВ из ниобата лития с YZ-срезом 434 МГц использовался в качестве удаленного датчика воды [22], а кварцевый датчик волны Лява с XY-срезом на 86 МГц был продемонстрирован в качестве датчика льда [23].

– с покрытием и без покрытия. Первые сообщения о химических датчиках паров на основе устройств на ПАВ относятся к 1979 г. [24]. Большинство из них полагаются на массовую чувствительность детектора в сочетании с химически селективным покрытием, которое поглощает пары, представляющие интерес, и приводит к увеличению массовой нагрузки на устройство (см. Рисунок 11).Как и в случае датчиков давления с температурной компенсацией, одна ПАВ используется в качестве эталона, эффективно сводя к минимуму влияние колебаний температуры.

Фотография 2. Коммерчески доступный портативный химический анализатор паров на ПАВ включает в себя набор из четырех датчиков на ПАВ, каждый из которых покрыт различным полимером.

При выборе и нанесении химически сорбирующего покрытия необходимо учитывать ряд конструктивных соображений.В идеале покрытие должно быть полностью обратимым, что означает, что оно будет поглощать, а затем полностью десорбировать пар при продувке чистым воздухом. Скорость абсорбции и десорбции покрытия должна быть довольно быстрой, например, <1 с. Покрытие должно быть достаточно прочным, чтобы выдерживать коррозионные пары. Он должен быть избирательным, поглощать только очень специфические пары, отвергая другие. Покрытие должно работать в реалистичном диапазоне температур. Он должен быть стабильным, воспроизводимым и чувствительным. И наконец, очень важны его толщина и однородность.

Когда несколько датчиков на ПАВ, каждый с уникальным химически специфическим покрытием, сконфигурированы как матрица, каждый из них будет иметь разный выходной сигнал при воздействии определенного пара. Программное обеспечение для распознавания образов позволяет обнаруживать и идентифицировать разнообразный список летучих органических соединений, что дает очень мощный химический анализатор. Коммерчески доступный анализатор с массивом из четырех датчиков на ПАВ показан на фото 2.

TSM также успешно использовались для химического зондирования паров [25], но они значительно менее чувствительны, чем их аналоги на ПАВ.Кроме того, химические датчики паров на ПАВ изготавливаются без покрытий. В этом методе используется газовая хроматографическая колонка для разделения химических компонентов пара и ПАВ с регулируемой температурой, которая конденсирует пар и измеряет соответствующую массовую нагрузку [26].

Рис. 11. Путем покрытия устройства на ПАВ химически сорбирующим полимером создается химический датчик паров. Добавление еще одного устройства на ПАВ минимизирует температурный дрейф и обеспечивает управляемую разность частот.

Биосенсор. Подобно химическим датчикам пара, биосенсоры обнаруживают химические вещества, но в жидкостях, а не в парах. Как отмечалось ранее, устройство на ПАВ – плохой выбор для этого применения, поскольку вертикальная составляющая распространяющейся волны будет подавляться жидкостью. Биосенсоры изготовлены с использованием резонатора TSM, датчиков SH-APM и SH-SAW. Из всех известных акустических датчиков для измерения жидкости датчик волны Лява, особый класс поперечно-горизонтальной ПАВ, имеет самую высокую чувствительность [27].Для изготовления датчика волн Лява покрытие волновода помещается на устройство SH-SAW таким образом, чтобы энергия поперечных горизонтальных волн фокусировалась в этом покрытии. Затем на покрытие волновода наносят покрытие для биораспознавания, образуя полноценный биосенсор. Достигнуто успешное обнаружение анти-козьего IgG в диапазоне концентраций 3 3 10 ^–8 –10 ^–6 моль с использованием SH-SAW с разрезом YZ 110 МГц с полимерным волноводным покрытием Лява [28].

Список сокращений

BAW
FPW
IDT
QCM
SAW
SH-APM
SH-SAW
SSBW
STW
TSM

Объемная акустическая волна
Волна изгибно-пластинчатой
Встречно-штыревой преобразователь
Кварцевый кристалл-микровесы
Поверхностная акустическая волна
Сдвигово-горизонтальная акустическая волна
Сдвигово-горизонтальная поверхностная акустическая волна
Поверхностная объемная волна
Поверхностная поперечная волна
Режим сдвига толщины

Заключение

Датчики акустических волн – чрезвычайно универсальные устройства, которые только начинают реализовывать свой коммерческий потенциал.Они по конкурентоспособной цене, по своей сути прочны, очень чувствительны и по своей сути надежны и могут опрашиваться пассивно и по беспроводной сети. Беспроводные датчики полезны при мониторинге параметров движущихся объектов, таких как давление в шинах автомобилей или крутящий момент на валах. Датчики, не требующие рабочего питания, очень желательны для удаленного мониторинга химических паров, влажности и температуры. Другие приложения включают измерение силы, ускорения, удара, угловой скорости, вязкости, смещения и потока в дополнение к характеристике пленки.Датчики также обладают акустоэлектрической чувствительностью, что позволяет определять уровни pH, ионные загрязнения и электрические поля. Датчики поверхностных акустических волн в целом оказались наиболее чувствительными из-за их большей плотности энергии на поверхности. Для обнаружения жидкости наиболее чувствительным оказался специальный класс датчиков поперечных и горизонтальных поверхностных акустических волн, называемых датчиками волны Лява. Продолжается большая работа по разработке этих датчиков для будущих приложений.

Список литературы

1.А. Баллато. 1996. «Пьезоэлектричество: история и новые направления», Proc Ultrasonics Symposium, Vol. 1: 575-583.

2. Д. Морган. 1991. Устройства поверхностных волн для обработки сигналов, Elsevier, Амстердам: 152.

3. H. Wohltjen et al. 1997. Датчик акустических волн – теория, конструкция и физико-химические приложения, Academic Press, Сан-Диего: 39.

4. M. Schweyer et al. 1997. «Новый монолитный пьезоэлектрический датчик», Proc Ultrasonics Symposium, Vol. 1: 371-374.

5. С.Мартин. 1996. «Газовое зондирование с помощью акустических устройств», Proc Ultrasonics Symposium, Vol. 1: 423-434.

6. M. Schweyer et al. 1996. «Акустический пластинчатый датчик для водной ртути», Proc Ultrasonics Symposium, Vol. 1: 355-358.

7. J.W.S. Рэлей. 1885. Proc London Math Soc, Vol. 17: 4-11.

8. Х. Вольтен. 1987. «Микросенсоры поверхностных акустических волн», Преобразователи.

9. H. Wohltjen et al. 1997. op. соч .: 144.

10. Дж. Грейт, С. Мартин и Р. Уайт.1993. «Микросенсоры акустических волн», Аналитическая химия, Vol. 65, № 21: 940-948.

11. H. Wohltjen. 1987. op. соч.

12. C. Wold et al. 1991. «Измерение температуры с использованием объемных волн поверхностного скимминга», Proc Ultrasonics Symposium, Vol. 1: 441-444.

13. Д. Каллен и Т. Ридер. 1975. «Измерение зависимости скорости ПАВ от деформации для кварца YX и ST», Proc Ultrasonics Symposium: 519-522.

14. Д. Каллен и Т. Монтресс. 1980. «Прогресс в разработке датчиков давления на ПАВ-резонаторах», Proc Ultrasonics Symposium, Vol.2: 519-522.

15. A. Pohl et al. 1997. «Мониторинг давления в шинах автомобилей с помощью пассивных датчиков на ПАВ», Симпозиум Proc Ultrasonics, Vol. 1: 471-474.

16. Патент США № 5,585,571.

17. У. Бауэрс, Р. Чуан и Т. Дуонг. 1991. «Массовые микровесы с резонатором поверхностных акустических волн с частотой 200 МГц», Re Sci Instrum, Vol. 62 (6): 1624-1629.

18. Дж. Грейт, С. Мартин и Р. Уайт. op. соч.

19. K. Vetelino et al. 1996. «Улучшенные измерения точки росы на основе датчика на ПАВ», Датчики и исполнительные механизмы, Vol.В 35-36: 91-98.

20. Дж. Чик, Н. Таштуш, Н. Эдди. 1996. «Датчик влажности поверхностных акустических волн на основе изменений вязкоупругих свойств полимерной пленки», Proc Ultrasonics Symposium, Vol. 1: 449-452.

21. Е. Радева, И. Аврамов. 1998. «Свойства измерения влажности поверхностных поперечных волновых резонаторов с плазменным полимерным покрытием», Proc Ultrasonics Symposium, Vol. 1: 509-512.

22. L. Reindl et al. 1999. «Пассивный радиоуправляемый запрашиваемый датчик содержания воды на ПАВ», Proc Ultrasonics Symposium, Vol.1: 461-466.

23. М. Веллекоп и Б. Якоби, 1999. «Детектор льда с волнами любви», Proc Ultrasonics Symposium, Vol. 1: 453-456.

24. Х. Вольтен и Р. Десси. 1979. «Зонд поверхностных акустических волн для химического анализа I. Введение и конструкция прибора», Ana Chem, Vol. 51 (9): 1458-1475.

25. Т. Накамото, К. Накамура, Т. Мориидзуми. 1996. «Исследование поведения схемы генератора для газового датчика QCM», Симпозиум Proc по ультразвуку, Vol. 1: 351-354.

26. E.Скобы. 1999. «Электронное моделирование обонятельной реакции носа с использованием 500 ортогональных датчиков за 10 секунд», Proc Ultrasonics Symposium, Vol. 1: 417-423.

27. Г. Ковач. и М. Венема. 1992. «Теоретическое сравнение чувствительности акустических поперечных волн для биохимических измерений в жидкостях», Appl Phys Lett, Vol. 61, № 6: 639.

28. E. Gizeli et al. 1997. «Связывание антител с функционализированным поддерживаемым липидным слоем: прямой акустический иммуносенсор», Anal Chem, Vol.69: 4808-4813.

Исследование и разработка малошумящих акустических датчиков MEMS | OMRON TECHNICS | Технология

Технологии акустического зондирования, такие как распознавание речи или шумоподавление, в последнее время привлекают большое внимание. Эти новые приложения стимулируют спрос на акустические датчики MEMS (микроэлектромеханические системы) с низким уровнем шума. Датчики микромасштабов чувствительны к собственному шуму, вызванному воздушным демпфированием. Следовательно, понимание и управление воздушным демпфированием имеет решающее значение для разработки датчиков с низким уровнем шума.
В этой статье мы сообщаем о новой конструкции акустических датчиков MEMS, которая обеспечивает SNR (отношение сигнал / шум) более 68 дБ. Мы смоделировали доминирующие источники шума на основе анализа эквивалентных схем и представили оригинальные конструкции, которые значительно снижают демпфирование сжатой воздушной пленки. Эта новая конструкция была успешно коммерциализирована благодаря усовершенствованным методам обеспечения стабильности процесса изготовления тонких пленок. Разработанные нами акустические датчики могут широко использоваться в приложениях, требующих мелкомасштабного и точного акустического зондирования.

1. Введение

Тенденция к установке различных датчиков на различных инструментах или живых организмах для сбора данных и использования полученных данных для жизнеобеспечения и промышленности растет день ото дня. В таких условиях большие ожидания от небольших и высокоточных сенсорных устройств. Микро-электромеханическая система (МЭМС), представляющая собой технологию микрообработки, в которой применяется технология обработки полупроводников, является эффективным методом, который позволяет уменьшить размеры, повысить точность и снизить энергопотребление.Компания Omron практически реализовала датчики давления и расходомеры на основе технологии MEMS.
Как правило, уменьшение размера датчика снижает его чувствительность и облегчает погружение в шум, создаваемый самим датчиком. В случае МЭМС, который дополнительно уменьшен до микрометрового масштаба, поскольку на него значительно влияют тепловые флуктуации, влияние шума представляет собой большую проблему ¹⁾. Таким образом, метод проектирования малошумящих датчиков MEMS является важной темой.
То же самое и с микрофонами (далее «акустические датчики»). С расширением потребностей в использовании акустического зондирования в новых приложениях, таких как распознавание речи и шумоподавление, ожидается, что акустические датчики будут иметь более высокую точность, то есть с меньшим уровнем шума ²⁾.
В этом исследовании мы систематически работали над реализацией малошумящего датчика MEMS, используя в качестве объекта акустические датчики.В результате нам удалось добиться значительно более низкого уровня шума, чем на момент начала массового производства, за счет выявления основных источников шума и перепроектирования соответствующих конструкций. В этой статье мы сообщаем о моделировании, направленном на снижение шума, о результате проверки эффекта снижения шума посредством прототипирования и оценки реальных устройств, а также о технологии стабилизации процесса.

2. Состав акустического датчика MEMS

2.1 Модуль акустического датчика

На рис. 1 показан состав модуля акустического датчика MEMS. Микросхема датчика MEMS для обнаружения звуков и микросхема IC для считывания сигналов установлены на подложке, которая закрыта крышкой. Фиг.1 (a) – фотография, показывающая внешний вид модуля акустического датчика MEMS с открытой крышкой, а фиг.1 (b) – схематический вид в разрезе. В случае акустического датчика звуковой порт на подложке и внутренний объем крышки являются важными составляющими элементами, которые имеют решающее влияние на акустические характеристики.На этом рисунке показан оценочный модуль (2,95 × 3,76 × 1,25 мм).

2.2 Микросхема акустического датчика MEMS

На рис. 2 (a) показана структура нашей обычной микросхемы акустического датчика MEMS емкостного типа ³⁾. В этой структуре задняя пластина с множеством отверстий (из нитрида кремния, толщиной 3,5 мкм и стороной 750 мкм) и квадратной тонкой диафрагмой (из поликремния и 0.Толщиной 8 мкм) обращены друг к другу с воздушным зазором 3–4 мкм между ними, образуя конденсатор. Вибрация диафрагмы, вызванная звуковым давлением, определяется как небольшое изменение емкости. Как показано на изображении с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) на рис. 2 (b), использование технологии MEMS позволило уменьшить размер датчика до одного миллиметра, что меньше, чем у механических акустических датчиков.
В микросхеме акустического датчика, показанной на рис. 2 (а), между периметром диафрагмы и кремниевой подложкой есть небольшие участки, обозначенные на рисунке буквой L, где они перекрываются (в дальнейшем именуемые «перекрытие , ”Что равно 2.2 мкм в высоту и 60 мкм в ширину). Эти области представляют собой вентиляционные отверстия, соединяющие переднюю сторону диафрагмы с ее задней стороной, которые важны для предотвращения изменения характеристик из-за изменения внешнего атмосферного давления. Однако, если эти области слишком велики, возникает дифракция звука и снижается чувствительность. Следовательно, акустическое сопротивление должно быть достаточно высоким, когда воздух проходит через эти пространства.

3.Источник шума акустического датчика

3.1 Проблема шума с компактными датчиками

Не ограничиваясь акустическими датчиками, сигнал, который генерируется изнутри активированного сенсорного модуля, даже если все входы извне заблокированы, называется «самошумом». Предпочтительно, чтобы собственный шум был низким, поскольку он определяет минимальный обнаруживаемый предел. Для компактных датчиков собственный шум более проблематичен по следующим трем причинам:

(1): Наличие механизма генерации шума, характерного для микрометрической шкалы: см. Следующий раздел.
(2): Ухудшение баланса из-за шума IC из-за низкой чувствительности: Если область измерения мала, чувствительность снижается и, как правило, скрывается в электрическом шуме, индуцированном IC (например, шум Джонсона и фликкер-шум).
(3): Шум, возникающий из-за небольшого объема: В случае акустического датчика низкочастотный шум увеличивается по мере уменьшения объема упаковки.

Следовательно, при проектировании датчика необходимо учитывать влияние соответствующих шумов. Объем, который является позицией № 3, зависит от требований заказчика, а для позиции № 2 ключевым моментом является разработка малошумящей ИС для датчика. В этом исследовании мы работали над уменьшением собственного шума, создаваемого микросхемой MEMS, описанного в пункте № 1.

3.2 Источник шума, характерный для устройств с микрометрической шкалой

Структуры микрометрической шкалы трудно перемещать из-за влияния вязкости ⁴⁾.Сила сопротивления, препятствующая свободным движениям, действует на пластину, которая находится на расстоянии нескольких микрометров от неподвижной пластины и колеблется вертикально. Это явление называется «демпфированием пленки сжатия», которое связано с вязкостью жидкости, возникающей, когда тонкий слой жидкости между пластинами проталкивается внутрь и снаружи пластин вдоль поверхности стенки, как показано на рис. 3 (а). Поскольку эта сила сопротивления обратно пропорциональна кубу расстояния между пластинами, она становится очень большой в микрометрической шкале ⁵⁾.Это демпфирующее сопротивление может быть значительным источником шума для устройств MEMS, потому что сила сопротивления, описанная выше, вызывает тепловые колебания, и колебания сотрясают диафрагму, превращаясь в собственный шум. Тепловой шум вызывается тепловыми колебаниями воздуха или конструкции, а амплитуда колебаний пропорциональна квадратному корню из силы сопротивления ¹⁾. Акустический датчик MEMS, показанный на рис. 2, также имеет область, в которой происходит вышеупомянутое демпфирование сжатой пленки в области перекрытия и в воздушном зазоре.
Для уменьшения описанного выше демпфирующего сопротивления обычно используется неподвижная или подвижная пластина с отверстиями, показанными на рис. 3 (b) ⁵⁾. Однако следует отметить, что создание отверстий приводит к чрезмерному снижению чувствительности.

3.3 Анализ шума на основе модели эквивалентной схемы

Известно, что анализ, основанный на модели эквивалентной схемы, эффективен для расчета свойств датчика ⁶⁾.На рис. 4 показан модуль акустического датчика, показанный на рис. 1, в модели электроакустической эквивалентной схемы, которая показывает поток звукового давления, который поступает из звукового порта и затем преобразуется в электрический сигнал через элементы, соответствующие соответствующие структуры MEMS и IC. Перекрытие, описанное в разделе 2.2, выражается двумя резистивными элементами: а также . Исходя из этой модели эквивалентной схемы, собственный шум всего модуля можно спрогнозировать с помощью имитатора схемы, добавив как шум, индуцированный интегральной схемой, так и шум, вызванный МЭМС и структурой корпуса.Подробнее о том, как его рассчитать, см. В предыдущем отчете ⁷⁾.

На рис. 5 (а) показаны спектры плотности шума нашего обычного акустического датчика, полученные в результате моделирования и экспериментального результата. Результат расчета хорошо воспроизводит фактически измеренную форму спектра. Кроме того, в среднем диапазоне (100 Гц – 10 кГц), который важен для слухового восприятия человека, определено, что шум, индуцированный МЭМС, является более доминирующим, чем шум, индуцированный IC.На рис. 5 (b) показан шум МЭМС, который в эквивалентной схеме разбит на резистивные составляющие. На рис. 5 (b) показаны спектры мощности шума, взвешенные (A-weight) в отражении слуховых ощущений человека. Площадь каждого графика соответствует мощности шума. Из этого рисунка определено, что шум, вызванный МЭМС, состоит в основном из шума, генерируемого во всем модуле (92% всего шума). Доля шума MEMS, вызванного вкладом демпфирующего сопротивления Rd в перекрытии, чрезвычайно высока (80% от общего количества), за ним следует вклад демпфирующего сопротивления Rag в воздушном зазоре (11% от общего количества) и другие вклады можно почти проигнорировать.

3.4 Подход к снижению шума

Разбивка факторов шума прояснила, какой части мы должны уделять первоочередное внимание при работе над уменьшением шума. Демпфирующее сопротивление в узком пространстве является основной причиной собственного шума, генерируемого акустическими датчиками MEMS, и мы описываем уменьшение демпфирования ниже. Сначала мы работаем над уменьшением демпфирования в перекрытии, а затем над воздушным зазором.

4. Предложение новой малошумной конструкции

4.1 Конструкция щелевой диафрагмы

Как описано в разделе 3.3, перекрытие считается основным источником шума. Однако это перекрытие необходимо, чтобы уменьшить влияние изменения давления. Поэтому мы предлагаем новую конструкцию диафрагмы, показанную на рис. 6 (а) ⁷⁾. В конструкции периметр диафрагмы разделен узкой щелью, и только внутренняя диафрагма, окруженная щелью, колеблется под звуковым давлением.Преимущество этой конструкции состоит в том, что можно полностью исключить демпфирование между диафрагмой и подложкой, поскольку кремниевая подложка не расположена где-либо напротив вибрирующей диафрагмы (т. Е. равен нулю). Кроме того, поскольку прорезь играет роль вентиляционного отверстия, которое соединяет переднюю сторону диафрагмы с ее задней стороной, выполнение прорези с узкой шириной позволяет поддерживать высокое акустическое сопротивление.

На рисунках 6 (b) – (d) показаны СЭМ-изображения структуры с щелевой диафрагмой, которую мы разработали ^{7 )}. На изображении поперечного сечения можно подтвердить, что диафрагма разделена щелью шириной 0,5 мкм. Для практического использования этой щелевой структуры важна стабильность коробления диафрагмы. Это связано с тем, что если щель становится смещенной в вертикальном направлении на 1 мкм или более, вентиляционное отверстие увеличивается, а чувствительность в низкочастотном диапазоне снижается.Следовательно, требуется точный контроль напряжения тонкой пленки поликремния, образующей диафрагму. Контролируя ключевые параметры, такие как образование пленки поликремния, температуры ионной имплантации и отжига ⁸⁾, нам удалось стабильно поддерживать коробление диафрагмы в пределах +/- 0,5 мкм по всей поверхности 8-дюймовой пластины.

4.2 Схема проемов с малым шагом

Если перекрытие, которое является самым большим источником шума, устранено, демпфирующее сопротивление в воздушном зазоре становится следующим доминирующим.В последние годы было хорошо изучено демпфирующее сопротивление между перфорированной пластиной с регулярным сотовым рисунком отверстий и неподвижной пластиной, показанной на рис. 3 (b), и было предложено несколько формул анализа ⁹⁾ ¹⁰⁾. В этом исследовании мы рассчитали демпфирующее сопротивление на основе различных комбинаций диаметра и поле используя теоретическую формулу, полученную Veijola ¹⁰⁾.Демпфирующее сопротивление уменьшается по мере увеличения степени открытия задней пластины. Однако, если коэффициент открытия чрезмерно увеличен, уменьшение чувствительной области вызывает снижение чувствительности и ухудшение отношения сигнал / шум (SNR). Поэтому мы рассчитали модуль SNR для соответствующих диаметров и шагов с учетом изменения чувствительности и сопротивления демпфирования, как показано на рис. 7 ¹¹⁾. Из нашего обычного продукта с диаметром 17 мкм и шагом 24 мкм было определено, что отношение сигнал / шум можно дополнительно улучшить, если шаг и диаметр отверстий находятся в пределах диапазона, обозначенного белой пунктирной линией.

Поэтому мы разработали сенсорные чипы, оснащенные задней пластиной, для которой диаметр отверстия и шаг находятся в диапазоне, ограниченном белой пунктирной линией, показанной на рис. 7. В таблице 1 показан список схем расположения отверстий. . Структура щелевой диафрагмы, описанная в предыдущем разделе, была применена ко всем компоновкам, и мы изменили только компоновку отверстий в задней панели. В таблице 1 также показаны виды сверху разработанных нами задних пластин ¹¹⁾.По сравнению с обычным продуктом ширина , который показывает ширину оставшейся задней пластины между соседними отверстиями, мала. Для реализации подобных схем отверстий с узким шагом стабилизация процесса травления, при котором формируются отверстия, является ключевым моментом. Управление условиями фотолитографии и травления таким образом, чтобы угол наклона поверхности стенки приближался к вертикальному углу, позволяло свести к минимуму отклонения на поверхности 8-дюймовой пластины даже в случае узкого шага, когда оставшаяся ширина составляла 3 мкм или меньше.

5. Проверка эффекта шумоподавления

5.1 Метод измерения

Мы установили микросхему MEMS, в которую были внедрены новые структуры, описанные в главе 4, а также ИС, изготовленную Omron, на оценочный модуль, аналогичный показанному на рис. 1. Кроме того, мы измерили чувствительность к звуковому давлению. 1 Па и шум с помощью звуконепроницаемого бокса.При оценке отверстий с малым шагом мы использовали корпус с внешними размерами 2,65 × 3,50 × 0,98 мм, который был более компактным, чем показанный на рис. 1 (а). Для измерения мы использовали аудиоанализатор (Audio Precision, SYS2722). Кроме того, чтобы отделить шум, индуцированный МЭМС, от шума, индуцированного ИС, мы также измерили шум, когда МЭМС был заменен конденсатором микросхемы или эквивалентным конденсатором.

5.2 Результаты оценки

Рис.8 показаны результаты измерения спектра шума, проведенного для изучения влияния структуры щелевой диафрагмы ⁷⁾. По сравнению с обычным изделием (длина перекрытия составляет 60 мкм) минимальный уровень шума в диапазоне от 1 до 10 кГц уменьшался по мере уменьшения длины перекрытия, а минимальный уровень шума становился еще ниже, когда применялась щелевая структура. Это согласуется с предсказанием, описанным в разделе 3.3, о том, что основным источником шума в среднем диапазоне является сопротивление перекрытия. В результате применения щелевой структуры мы подтвердили, что собственный шум значительно снизился, а отношение сигнал / шум модуля увеличилось до более 66 дБ, в то время как у обычного модуля оно составило 62 дБ.Описывая только результат, приняв узкую ширину щели, можно было расширить полосу пропускания без снижения чувствительности до более низкого диапазона (<20 Гц), чем у обычного продукта. Было подтверждено, что использование щелевой структуры эффективно для расширения полосы частот частотных характеристик ⁷⁾.

Далее на рис. 9 показаны спектры шума акустических датчиков с измененным расположением отверстий на задней панели, как описано в разделе 4.211). Во всех модулях от A до C было определено, что минимальный уровень шума в диапазоне от 1 кГц до 10 кГц был ниже, чем у стандартной схемы, и шум уменьшался по мере увеличения отношения открытия. Это согласуется с результатом расчета разбивки шума, описанным в разделе 3.3, о том, что основным источником шума после устранения перекрытия был воздушный зазор. Как показано на вставке на рис. 9, существует хорошая корреляция между измеренным демпфирующим сопротивлением воздушного зазора и теоретическим расчетным значением.В таблице 2 показаны результаты измерения чувствительности, шума и отношения сигнал / шум разработанного нами модуля. Во всех модулях от A до C отношение сигнал / шум составляло около 68,5 дБ, что было улучшено на 1,0 дБ или больше, чем у стандартной схемы проема. Можно сказать, что хотя увеличение степени открытия задней панели снижает чувствительность, эффект снижения шума преобладает в модулях A – C, что привело к улучшению отношения сигнал / шум ¹¹⁾. Принимая во внимание баланс механической прочности задней панели, мы, наконец, выбрали расположение проема модуля B.

5.3 Резюме эффекта шумоподавления

Как мы описали в предыдущем разделе, введение структуры щелевой диафрагмы, а также оптимизация расположения отверстий на задней пластине позволили снизить собственный шум акустического датчика до одной четвертой (эквивалент –6 дБ).

6. Выводы

Мы представили новые конструкции для подавления основных источников шума в акустическом датчике MEMS, чтобы создать компактный и высокопроизводительный акустический датчик. Нам удалось снизить собственный шум датчика на 6 дБ по сравнению с обычными датчиками и достичь отношения сигнал / шум 68 дБ, что было самым высоким уровнем в мире для акустических датчиков MEMS по состоянию на 2018 год. на 6 дБ означает, что качество сигнала может быть сохранено, если расстояние между датчиком и источником звука было увеличено вдвое, что является преимуществом для получения четких акустических данных.Ожидается, что акустический датчик, который мы разработали на этот раз, будет использоваться в новых приложениях акустического зондирования, таких как обнаружение неисправностей оборудования или биологическое обнаружение звука, за счет использования его характеристик, которые заключаются в небольшом размере, низком уровне шума и широкой полосе частот.
Кроме того, метод количественного определения источников шума с использованием модели эквивалентной схемы может быть применен к широкому спектру приложений, отличных от акустических датчиков, для систематического снижения шума.В частности, мы можем сказать, что управление воздушным демпфированием является общей проблемой при разработке устройств MEMS, оснащенных приводными частями микрометрического порядка, и этот метод можно эффективно использовать.
Наконец, практическая реализация новых структур, которые мы представили на этот раз (структура щелевой диафрагмы и расположение отверстий с узким шагом), является результатом совершенствования производственных технологий, таких как контроль напряжения тонкой пленки поликремния и стабильность травления в плоскости.Можно сказать, что усилия, которые мы приложили в этой разработке, являются примером передовой практики, показывающей, насколько важно сотрудничество между технологиями проектирования и технологическими процессами для устройств MEMS.

Благодарности

Эта разработка была проведена при поддержке г-на Такафуми Ота, г-на Кенты Кадзикавы и сотрудников завода Ясу, которые сотрудничали в производстве прототипов пластин и улучшении процесса. Мы также хотели бы поблагодарить г.Такаши Фучимото и г-н Такуя Катагири, которые принадлежат к отделу разработки III и участвовали в установке пакетов, сотрудники отдела обеспечения качества, которые участвовали в наблюдении за SEM, и участники разработки микрофонов, которые дали много ценных советов. Мы хотели бы воспользоваться этой возможностью, чтобы выразить нашу искреннюю признательность.

Список литературы

Названия продуктов в тексте могут быть торговыми марками каждой компании.

Обзор высокочастотных акустических сенсоров – QCM, SAW и FBAR – Химические и биохимические приложения

Abstract

Акустические устройства нашли широкое применение в химической и биосенсорной областях благодаря своей высокой чувствительности, прочности, миниатюрной конструкции и возможности интеграции с полевые электронные системы. Одним из потенциальных преимуществ использования этих устройств является их механизм обнаружения без меток, поскольку масса является фундаментальным свойством любого целевого анализируемого вещества, которое контролируется этими устройствами.Здесь мы даем краткий обзор высокочастотных акустических преобразователей, таких как кварцевые микровесы (QCM), поверхностные акустические волны (SAW) и объемные пленочные акустические резонаторы (FBAR), чтобы сравнить их принципы работы, резонансные частоты, выбрать пьезоэлектрические материалы для их изготовления. изготовление, температурно-частотная зависимость и работа в жидкой фазе. Выбранные области применения этих высокочастотных акустических преобразователей обсуждаются в основном с упором на две основные области восприятия, т.е.е., биосенсор для работы с жидкостями и зондирование газовой / паровой фазы. Кроме того, характеристики сенсоров высокочастотных акустических преобразователей в отдельных случаях сравниваются с хорошо зарекомендовавшими себя аналитическими инструментами, такими как жидкостная хроматография, масс-спектрометрия (ЖХ-МС), газовый хроматографический (ГХ) анализ и методы иммуноферментного анализа (ИФА). Наконец, проводится общее сравнение этих акустических устройств, чтобы обсудить их сильные стороны, ограничения и коммерческую применимость, таким образом, чтобы выбрать наиболее подходящий преобразователь для конкретной области химического / биохимического зондирования.

Ключевые слова: кварцевые микровесы (QCM), поверхностные акустические волны (SAW), пленочный резонатор объемных акустических волн (FBAR), химические сенсоры, биохимические сенсоры

1. Введение

Химические / биохимические сенсоры [1,2, 3] представляют собой интеллектуальные миниатюрные устройства, имеющие химические или биологически полученные элементы распознавания, интегрированные с подходящим преобразователем, который преобразует информацию о событии связывания между слоем сенсора и анализируемым веществом в измеримый электрический сигнал.Природа преобразователя играет жизненно важную роль в достижении высокой чувствительности, более быстрого времени отклика / восстановления и низкого уровня шума. Более того, стабильность устройства также имеет решающее значение по отношению к окружающим параметрам, таким как вязкость, температура, влажность и другие. Для измерений в полевых условиях [4], размер, конструкция, сбор данных и возможность интеграции преобразователей [5] также считаются необходимыми характеристиками. Помимо всех этих характеристик, одной из наиболее важных характеристик идеального сенсора является обнаружение целевого аналита без использования какого-либо индикатора-метки [6].Это означает, что целевой аналит должен анализироваться как таковой на основе его внутренних или встроенных характеристик, которые могут включать оптические, электрохимические, термические, магнитные и другие свойства. Так, например, оптические преобразователи [7,8] будут обнаруживать оптические сдвиги в результате связывания анализируемого вещества с интерфейсом сенсора. В том случае, если целевой аналит не имеет ярко выраженных оптических, электрохимических или других функций, его все же можно распознать с помощью акустических устройств [9,10,11,12,13]. Масса – это фундаментальное свойство любого аналита, которое можно контролировать с помощью акустических или гравиметрических устройств, что делает акустические резонаторы универсальными преобразователями.

Акустические устройства широко используются для разработки приложений интеллектуальных химических и биохимических датчиков. Основным преимуществом использования этих преобразователей является их способность распознавать [14,15,16] целевого анализируемого вещества без метки без использования каких-либо внешних реагентов / химикатов. Это позволяет исключить этап мечения, таким образом распознавая аналит исключительно на основе его внутренних свойств, тем самым сокращая стоимость и время этапа мечения. Современные сенсорные исследования в основном сосредоточены на протоколах обнаружения без этикеток, и акустические устройства являются наиболее подходящими датчиками для удовлетворения этого требования.Хотя существует огромное количество электрохимических [17,18,19] и оптических сенсорных технологий [20,21,22], описанных в литературе для различных целей, тем не менее, акустические датчики [23] хорошо отличаются от устройств прежних типов. благодаря их уникальной функции обнаружения без этикеток, исключительно высокой чувствительности, то есть вплоть до уровня пг [24,25], миниатюрным размерам всего 1 мм или меньше и простой интеграции для беспроводной связи.

В 1959 году Зауэрбрей опубликовал свой классический труд [26], связанный с взвешиванием тонких пленок с использованием кристаллов кварца, который заложил основу акустических преобразователей для гравиметрического зондирования и других приложений.На раннем этапе акустические устройства использовались в основном для разработки частотных фильтров, резонаторов, обработки сигналов, приведения в действие и прочего. Последние два десятилетия стали свидетелями значительного увеличения использования устройств акустических волн [27,28,29] для химического / биохимического зондирования. Эти устройства включают в себя в основном микровесы на кристалле кварца (QCM), объемные пленочные акустические резонаторы (FBAR), поверхностную акустическую волну (SAW), поперечную горизонтальную поверхностную акустическую волну (SH-SAW), сдвиговую горизонтальную акустическую пластинчатую моду (SH-APW) и поперечную поперечную волну. волновые (STW) и пластинчато-изгибные устройства (FPW).Все, что влияет на распространение волны или вызывает поверхностные возмущения на границе раздела устройств, приведет к изменению характеристических параметров этих устройств, включая резонансную частоту, скорость акустической волны и другие акустоэлектрические свойства. В зависимости от режима распространения волн устройства на акустических волнах в основном подразделяются на два класса, то есть устройства для объемных акустических волн и устройства на поверхностных акустических волнах. В резонаторах объемных акустических волн (ОАВ) [30,31] акустическая волна распространяется через пьезоэлектрический кристалл в направлении толщины, тогда как в устройствах на ПАВ [32,33] акустическая волна распространяется параллельно поверхности пьезоэлектрической подложки.Таким образом, QCM, FBAR, SH-APM представляют собой типичные объемные акустические устройства, а SAW, SH-SAW и STW – поверхностные акустические устройства.

Существует множество покрытий рецепторов, которые можно комбинировать с акустическими устройствами для создания высокочувствительных датчиков. Эти рецепторы могут варьироваться от природных антител [34,35,36,37], аптамеров [38,39,40,41], ДНК [42,43,44,45], белков / пептидов [46,47,48,49]. ] к синтетическим аффинным материалам, включая функционализированные полимерные слои [50,51,52,53], наночастицы [54,55,56,57], углеродные нанотрубки [58,59,60,61], оксид графена [62,63,64 , 65] и многие другие.В результате область восприятия акустических устройств значительно больше, что охватывает обнаружение различных биоаналитов, таких как бактерии [66,67], вирусы [68,69] и целые клетки [70,71,72,73], распознавание клинических биомаркеров в сложных образцах [74,75,76], анализ пищевых продуктов [77,78], контроль процесса и мониторинг токсинов окружающей среды [79] в жидкой и газовой фазах. С точки зрения чувствительности и надежности результаты сенсоров этих устройств часто сопоставимы с классическими аналитическими приборами, такими как системы жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии (ЖХ-МС), газовая хроматография (ГХ), иммуноферментный анализ (ИФА), полимеризованные цепная реакция (ПЦР) и другие.Кроме того, размер акустических сенсорных устройств значительно меньше по сравнению с другими крупногабаритными приборами, которые позволяют проводить измерения в полевых условиях. В отличие от многих известных электрических датчиков, выгодным аспектом акустических датчиков является их способность работать в условиях окружающей среды, что означает, что для работы этих устройств не требуются особые условия, например температура, что упрощает обнаружение целевых аналитов.

Среди акустических резонаторов QCM [80,81,82] – один из самых известных и наиболее широко изученных гравиметрических преобразователей.Основными особенностями устройств QCM являются их низкая стоимость, легкая доступность, простая конструкция и способность работать как в жидких, так и в газообразных средах. Резонансная частота устройств QCM обычно находится в диапазоне 5–20 МГц [83,84]. Поскольку QCM представляют собой тип резонаторов с модовой сдвиговой модой (TSM) [85] и, таким образом, более высокочастотные устройства требуют более тонких кварцевых пластин, что в конечном итоге делает QCM хрупким и ограничивает его применение. Согласно Sauerbrey [26], основная резонансная частота имеет первостепенное значение для получения более высокой чувствительности, и поэтому очень желательны акустические устройства с высокой рабочей частотой.Поверхностные акустические устройства, такие как датчики на ПАВ [86,87,88], предлагают гораздо более высокие рабочие частоты, чем QCM, и, следовательно, приводят к повышенной чувствительности. Однако они страдают от чрезмерных потерь демпфирования в жидких средах, что делает их непригодными для измерения в жидкой фазе. FBAR [89,90] – это типичные устройства BAW, которые имеют аналогичную структуру и принцип работы, как и QCM. Однако их рабочая резонансная частота даже выше, чем у ПАВ, то есть в диапазоне ГГц. В этой обзорной статье мы дадим краткий обзор высокочастотных акустических датчиков, проходящих через QCM, SAW и FBAR, включая их принцип работы, рабочие частоты, выбор пьезоэлектрического материала и конструкцию изготовления, соотношение температуры и частоты и работу в жидких средах.Отдельные или продемонстрированные приложения для измерения высокочастотных устройств QCM, SAW и FBAR для биодатчиков, а также для измерения газовой фазы будут рассмотрены исключительно. В отдельных случаях мы будем сравнивать чувствительность высокочастотных акустических устройств с установленными аналитическими методами, чтобы продемонстрировать потенциал акустических преобразователей. У каждого типа акустического преобразователя есть свои особенности в отношении чувствительности, миниатюрной конструкции, способности работать с жидкостями, производственных затрат, коммерческой адаптации и производственных проблем.Поэтому, помимо их значительных преимуществ, также обсуждаются их основные ограничения.

2. Акустические датчики QCM, SAW и FBAR

Этот раздел в первую очередь посвящен типичным высокочастотным акустическим химическим датчикам, то есть QCM, SAW и FBAR. Здесь мы кратко опишем принцип их работы, рабочие частоты, выбор пьезоэлектрических материалов для их изготовления, температурно-частотную зависимость и работу в жидких фазах.

2.1. Сравнение принципа работы

QCM и FBAR относятся к семейству BAW-резонаторов, в то время как SAW-устройства являются типичными поверхностными акустическими резонаторами. QCM – это акустические резонаторы первого поколения, которые уже более двух десятилетий используются в качестве гравиметрических химических / биохимических датчиков. Они называются резонаторами для сдвиговых колебаний по толщине (TSM), которые состоят из тонкой кварцевой пластины AT-среза, имеющей с обеих сторон симметрично расположенные круглые электроды. При приложении напряжения между электродами происходит деформация сдвига, что делает пластины QCM очень чувствительными к любым поверхностным возмущениям [91].Более того, из-за распространения поперечных волн в этих устройствах они не излучают значительную энергию, поэтому подходят для работы в жидкой фазе [92] без значительных потерь на демпфирование.

A показывает изображение QCM высокой основной частоты (HFF) 195 МГц, полученное от KVG Quartz Crystal Technology GmbH (Неккарбишофсхайм, Германия). B показывает изображение 150 МГц HFF-QCM, интегрированного с заказной печатной платой (PCB) для улучшения работы с устройством HFF-QCM.

( A ) Изображение HFF-QCM 195 МГц от KVG Quartz Crystal Technology GmbH, (Неккарбишофсхайм, Германия).Кристалл кварца имеет диаметр около 5 мм, согласно [93]. ( B ) 150 МГц HFF-QCM производства Advanced Wave Sensors (AWS) S. L. (Патерна, Испания). Устройство интегрировано в специализированную печатную плату (PCB) для облегчения работы, размер платы составляет 17,5 × 14 мм ² с толщиной 1,55 мм, адаптировано из [94].

В устройствах на ПАВ режим распространения акустической волны можно описать волнами Рэлея, как объяснил лорд Рэлей [95]. Эти волны состоят из двух компонентов: i.е., продольный и сдвигающий вертикальный компонент, который может соединяться с материалом слоя, контактирующим на границе раздела устройства. Связь между материалом слоя и устройством сильно влияет на распространение акустических волн. Это означает, что акустическая энергия сильно ограничена на границе раздела устройств, и поэтому любые взаимодействия поверхности с материалом слоя делают эти устройства чрезвычайно чувствительными к массовым нагрузкам, изменениям проводимости и другим факторам. Глубина проникновения этих волн находится в диапазоне нескольких акустических длин волн и не зависит от всей толщины подложки.В типичной конструкции на ПАВ электроды встречно-штыревого преобразователя (ВШП) [96,97] изготавливаются на пьезоэлектрическом материале, где при приложении электрического напряжения генерируются акустические волны, которые распространяются по поверхности подложки. Покрывая эти IDT подходящим слоем распознавания, эти устройства можно использовать для химического зондирования. A показывает изображение с высоким разрешением устройства на ПАВ, полученное оптическим микроскопом, а B отображает увеличенное изображение, показывающее геометрические детали IDT. C показывает изображения различных резонаторов на ПАВ с частотами 100, 200, 433 и 1000 МГц.При увеличении частоты устройства от 100 до 1000 МГц размер уменьшается с 8 до 1 мм. Это говорит о том, что увеличение резонансной частоты требует более компактной конструкции. Размеры IDT, включая длину, ширину, высоту и расстояние между пальцами IDT, могут быть оптимизированы для повышения чувствительности устройств на ПАВ. Устройства на ПАВ хорошо известны для измерения газовой фазы и нашли ряд применений, включая коммерческие датчики [98,99]. Однако, когда эти устройства погружены в жидкую фазу, генерируются волны сжатия, которые страдают от больших потерь акустической энергии на затухание.Эта проблема решается путем регулировки угла среза пьезоэлектрического материала таким образом, чтобы вертикальная составляющая акустических волн изменялась на поперечные горизонтально поляризованные поверхностные акустические волны (SH-SAW), что приводило к значительному снижению затухания устройства при использовании в жидкостях [100,101]. Устройства SH-SAW также рассматриваются как резонаторы поперечной поперечной волны (STW), которые также нашли ряд применений для измерения жидкой фазы [102,103].

( A ) Оптическое микроскопическое изображение высокого разрешения резонатора на поверхностных акустических волнах (ПАВ), адаптированное с разрешения [102].( B ) Увеличенное изображение показывает геометрические детали IDT, т.е. ширина электрода составляет 1,69 мкм, а расстояние между двумя последовательными пальцами составляет 0,76 мкм, согласно [104]. ( C ) Изображения различных резонаторов на ПАВ в диапазоне от 100 МГц до 1000 МГц, размер устройств изменяется примерно от 8 мм до 1 мм. Это указывает на то, что увеличение основной резонансной частоты ПАВ требует более компактной конструкции.

Однако основной принцип работы устройств FBAR аналогичен принципу работы QCM; Эти устройства предлагают гораздо более высокую резонансную частоту и меньшую базовую массу, чем QCM, что делает их превосходными с точки зрения чувствительности.Кроме того, их миниатюрный дизайн и простое управление отлично подходят для интеграции с электронными системами. Конструкция изготовления, природа подложки и механизм трансдукции FBAR отличаются от QCM. Поскольку в случае FBAR тонкая пленка пьезоэлектрического материала зажата между двумя металлическими электродами, и при приложении электрического напряжения к электродам в пьезоэлектрическом слое генерируется стоячая волна, резонирующая с частотой, зависящей от толщины пьезоэлектрического слоя.Пьезоэлектрически активная область изолирована от материала подложки, так что генерируемые акустические волны не могут излучаться в подложку, тем самым теряя резонанс. На основе методов изоляции различают две структуры FBAR: в первом случае воздушная полость предназначена для акустической изоляции пьезоэлектрической области от подложки, а во втором – акустические брэгговские отражатели, т.е. состоящие из чередующихся слоев низкого и высокого уровня. акустический импеданс. Последний тип устройств также называют монолитными резонаторами (SMR) [105].A показывает схематическую диаграмму устройства FBAR, а B представляет конструкцию SMR. C показывает упакованное устройство FBAR, подключенное к сетевому анализатору и интегрированное с настраиваемой печатной платой. В устройствах FBAR есть два резонирующих режима [106]: продольная мода по толщине (TLM) и мода сдвига по толщине (TSM). В первом типе генерируются продольные волны, во втором – сдвиговые волны. Основное различие между этими режимами заключается в ориентации пьезоэлектрического кристалла, то есть, угол оси c [107,108], как и в случае TLM, где угол ориентации кристалла c перпендикулярен материалу подложки.В то время как в TSM кристалл плоский, т.е. наклонен около 34,5 °, что создает поперечные волны. В TLM акустические волны страдают от высоких потерь на затухание при использовании в жидких средах и, таким образом, в основном используются для измерения газовой фазы, в то время как устройства TSM демонстрируют низкое затухание и, таким образом, лучше подходят для операций с жидкой фазой.

( A ) Схема типичного пленочного резонатора на объемных акустических волнах (FBAR), ( B ) Принципиальная схема монолитного резонатора (SMR), адаптированная с разрешения [90].( C ) ( a ) Изображение упакованного датчика FBAR, предназначенного для определения формальдегида, ( b ) Устройство FBAR, интегрированное с печатной платой, ( c ) увеличенное изображение сенсорного элемента, адаптированное с разрешения [109] .

2.2. Сравнение рабочих частот

Типичная резонансная частота QCM находится в диапазоне 5–20 МГц [110,111], причем большинство устройств имеют 10 МГц. Поскольку QCM являются примерами резонаторов TSM [112], их резонансная частота зависит от толщины пьезоэлектрической подложки.Следовательно, уменьшение толщины сверх определенной точки сделает их механически нестабильными и хрупкими. Это главное ограничение при создании квантовых модулей с высокими фундаментальными резонансными частотами. Эта проблема была решена путем создания более тонкой центральной части вокруг круглой области электрода QCM, в то время как внешняя рама оставалась толстой, что является механически устойчивым. Эта стратегия называется «перевернутая меза» или «двояковыпуклая» конструкция [113], а такие устройства называются HFF-QCM [114]. Этот метод приводит к изготовлению сверхчувствительных датчиков QCM, имеющих основную резонансную частоту до 200 МГц.Эти устройства могут быть изготовлены с помощью различных технологий, включая влажное травление, глубокое реактивное ионное травление (DRIE), то есть методы газофазного травления и распыления металла. Влажное травление – относительно недорогой метод, тогда как DRIE более дорогой, но предлагает сильно анизотропное травление. Добротность или добротность – это безразмерный параметр, описывающий спектры затухания акустического резонатора. Уменьшение толщины кварцевой пластины увеличивает добротность, что можно объяснить тем, что с уменьшением толщины улучшается захват акустической энергии [115].Более того, более тонкие QCM обеспечивают хорошую электропроводность и уменьшают нежелательные или паразитные колебательные моды.

Основная резонансная частота устройств на ПАВ первого поколения изначально находилась в диапазоне нескольких сотен МГц, а в настоящее время с последующими технологическими достижениями резонансная частота была значительно увеличена до диапазона ГГц. В устройствах на ПАВ основная частота зависит от геометрии электродов IDT, включая расстояние между пальцами IDT.Зайдель и Хешедал [116,117] объяснили, что для достижения частоты 5 ГГц устройства на ПАВ необходимо разработать геометрию электродов размером около 0,15 мкм (линии и зазоры), имея два электрода на длину волны с равной шириной и зазорами и скорость акустической волны около 3000 м / с. Геометрию электродов 0,15 мкм трудно достичь с помощью обычных фотолитографических процессов, поскольку эти методы ограничены производством электродов с размерами около 0,5 мкм.Следовательно, чтобы разработать электроды меньших размеров для разработки высокочастотных устройств на ПАВ, можно использовать альтернативные технологии изготовления, такие как литография наноимпринт [118], электронно-лучевая литография [119] и другие. Из-за ограниченной геометрии IDT они работают на более высоких частотах, то есть генерируются источниками с низкой основной частотой. Тем не менее, в традиционных конструкциях устройств эффективность возбуждения ПАВ снижается на более высоких гармониках, что ограничивает их работу на более высоких частотах.В дополнение к геометрии IDT, природа пьезоэлектрической подложки также имеет решающее значение для увеличения скорости акустических волн, что может привести к более высоким рабочим частотам.

Хотя QCM и FBAR являются устройствами BAW и имеют одинаковый рабочий механизм, рабочая резонансная частота устройств FBAR обычно находится в диапазоне от субггц до примерно 10 ГГц [120], что существенно выше, чем у QCM. Более того, FBAR также имеют более высокие частоты, чем SAW, поскольку первое устройство предлагает более высокий частотный диапазон ГГц по сравнению с несколькими ГГц, предлагаемыми SAW.Есть два важных фактора, которые способствуют высокой резонансной частоте FBAR, то есть толщина и природа пьезоэлектрического материала. Толщина пьезоэлектрических пленок находится в диапазоне от субмикрона до нескольких микрометров, например, 0,5–3 мкм [121], поскольку в конечном итоге это приводит к небольшой базовой массе пьезоэлектрической подложки, которая обеспечивает высокую резонансную частоту. Высокая чувствительность FBAR в основном обусловлена основной резонансной частотой и добротностью, которые характеризуют полосу пропускания резонансных явлений.Небольшие частотные сдвиги более точно определяются FBAR, имеющими высокую добротность с острыми резонансами, чем FBAR с низкой добротностью, что в конечном итоге приводит к повышенной чувствительности. Кроме того, высокое значение Q указывает на адекватный захват акустической энергии в пьезоэлектрическом слое.

2.3. Выбор пьезоэлектрического материала

Существует широкий спектр пьезоэлектрических подложек, как природных, так и синтетических, используемых для акустических устройств, тем не менее, кварц является основным пьезоэлектрическим материалом, который наиболее широко и часто используется для акустических датчиков, особенно для QCM.Выбор типичного пьезоэлектрического материала и определенного угла резки имеет жизненно важное значение при разработке высокочастотных акустических устройств. Использование кварца в качестве пьезоэлектрического материала первого выбора обусловлено его высокой добротностью, простой конструкцией, доступностью и низкой стоимостью изготовления. Кварц AT-среза, т.е. однократно повернутый Y-образный срез, нормальная ось которого параллельна оси y с θ 35,25 ° [122], является наиболее распространенной конструкцией QCM для сенсорных приложений.

Помимо кварца, наиболее распространенными пьезоэлектрическими материалами, используемыми для изготовления ПАВ, являются танталат лития (LiTaO ₃) и ниобат лития (LiNbO ₃).LiTaO ₃ (36 ° Y-X) и LiNbO ₃ (64 ° Y-X) предлагают более высокие скорости волны, чем кварц, и поэтому подходят для изготовления высокочастотных устройств на ПАВ. Нитрид алюминия (AlN) является подходящим пьезоэлектрическим материалом [123], который показывает высокую скорость акустической волны и подходит для разработки высокочастотных устройств на ПАВ. Пленки AlN / алмаз [124] известны чрезвычайно высокой акустической скоростью, т.е. около 11000 м / с, что обеспечивает высокие константы электромеханической связи, что приводит к развитию высокочастотных устройств на ПАВ.Кирш и др. [125] использовали слоистые структуры AlN / алмаз для изготовления ПАВ с частотой 5 ГГц. Ширина электродов IDT составляла 0,5 мкм, проявленных электронно-лучевой литографией.

Подобно другим акустическим устройствам, выбор пьезоэлектрического материала для изготовления FBAR является обязательным шагом для обеспечения как высокой резонансной частоты, так и улучшенного значения добротности. Тонкие пленки оксида цинка (ZnO) [126] и AlN [127] являются двумя наиболее изученными пьезоэлектрическими материалами, используемыми при разработке FABR из-за их улучшенных электроакустических свойств.Структурные свойства пьезоэлектрического материала, такие как кристаллографическая ориентация, морфология поверхности и электрический импеданс, оказывают значительное влияние на характеристики FBAR. Как упоминалось выше, AlN обеспечивает высокую скорость акустической волны, что позволяет создавать высокочастотные устройства FBAR. В дополнение к этому, интерфейс AlN инертен и биосовместим, поэтому подходит для интеграции с биологическими рецепторными материалами для приложений биочувствительности. Гарсия-Ганседо и др. [128] показали рост углеродных нанотрубок (УНТ) на поверхности AlN для использования их в качестве верхних электродов и сравнили их характеристики с металлом i.э., электроды Au. Полученное устройство показало более высокие значения добротности, что указывает на то, что электроды из УНТ имеют более низкие акустические потери и более высокий уровень захвата акустической энергии на пьезоэлектрическом слое. Более того, поверхность УНТ может быть функционализирована химическим или биологическим слоем для повышения чувствительности и селективности в типичных сенсорных приложениях. По сравнению с AlN, тонкие пленки ZnO обладают более тонкой и гладкой поверхностью, высоким коэффициентом электромеханической связи и относительно легко синтезируются.С другой стороны, скорость звука в ZnO сравнительно меньше, и он несовместим с производством микроэлектронных устройств, таких как дополнительный металлооксидный полупроводник (CMOS), что несколько ограничивает его применение. Титанат свинца-циркония (PZT) [129] – другой выбор пьезоэлектрического материала с более высоким коэффициентом электромеханической связи, чем AlN и ZnO. Однако, с другой стороны, PZT демонстрирует более высокое акустическое затухание, более низкую скорость звука и недостаточную биосовместимость, что ограничивает его использование в сенсорных приложениях.В общем, AlN и ZnO – два наиболее распространенных пьезоэлектрических материала, используемых для изготовления FBAR. Тем не менее, выбор между ними в основном зависит от условий изготовления и конечных применений устройства.

2.4. Зависимость от температуры и частоты

Скорость акустической волны зависит от температуры, и природа пьезоэлектрического материала, ориентация кристалла и угол среза являются важными факторами, влияющими на сдвиг частоты из-за изменения температуры. При выборе типичного пьезоэлектрического материала для разработки высокочастотных акустических устройств не менее важно учитывать температурно-частотные зависимости [23].Сдвиги частоты из-за колебаний температуры во время измерений датчика должны быть минимальными. Кварц в этом отношении выгоден, поскольку он показывает незначительные или почти нулевые сдвиги частоты относительно комнатной температуры. Максимальная рабочая температура для кварца очень высока [130], что позволяет предположить, что акустические устройства на основе кварца устойчивы к высоким тепловым нагрузкам. Кристаллы кварца АТ-огранки, то есть самый популярный материал для ККМ, остаются устойчивыми к температурным сдвигам до тех пор, пока они не покрыты оболочкой.Однако, когда на эти устройства наносится определенный материал покрытия, они перестают оставаться нечувствительными к температуре. Более того, температурная чувствительность становится более серьезной, когда QCM, покрытый химическим / биологическим слоем, подвергается воздействию жидких сред. Подходящим способом решения этой проблемы является введение электрода / канала сравнения для компенсации сдвигов частоты из-за колебаний температуры.

ST-cut, то есть кварц со стабильной температурной резкой, имеет почти нулевой температурный коэффициент частоты (TCF) для разработки датчиков на ПАВ, что означает, что такие устройства на ПАВ практически устойчивы к температурным сдвигам.LiTaO ₃ и LiNbO ₃ – два наиболее часто используемых пьезоэлектрических материала для изготовления ПАВ. Эти материалы демонстрируют линейную зависимость температуры от частоты, которая указывает на то, что повышение температуры будет увеличиваться с увеличением частотных сдвигов. Ориентация кристалла и угол резки этих пьезоэлектрических материалов также влияют на значения TCF. Устройства на ПАВ в качестве физических датчиков широко используются для мониторинга температурных сдвигов [131], однако использование ПАВ для химического или биохимического зондирования требует наличия элемента компенсации температуры для определения частотных сдвигов температуры.

В случае FBAR, AlN и ZnO чувствительны к температурным сдвигам, имея значения TCF [132] 25 и 40 ppm / ° C соответственно. Для компенсации сдвигов частоты из-за температуры в литературе сообщается об использовании дополнительного компенсационного слоя из определенного пьезоэлектрического материала [133]. Главный недостаток этой стратегии состоит в том, что общая толщина пьезоэлектрического слоя увеличивается, что в конечном итоге снижает основную резонансную частоту, а также коэффициент электромеханической связи.Bjurstrom et al. [134] сообщили, что температурная компенсация сдвигового режима второй гармоники в композитной тонкой пленке из Al / AlN / Al / SiO ₂ привела к высокой добротности и высокой основной резонансной частоте. Помимо использования композитных упорядоченных слоев, Pang et al. [135] сообщили о создании микропроектированного конденсатора с воздушным зазором, который пассивно минимизирует TCF примерно на 40 ppm / ° C. Когда температура увеличивается, воздушный зазор конденсатора также увеличивается из-за разницы в коэффициентах теплового расширения биметаллического слоя, что в конечном итоге снижает емкость.Авторы сообщили, что с помощью этой стратегии можно достичь почти нулевого TCF с использованием FBAR, полученных из AlN.

2,5. Работа в жидкой фазе

Все акустические устройства эффективно работают как датчики в газовых условиях. Однако при измерениях в жидкой фазе свойства жидкости, такие как плотность, вязкость, проводимость и поверхностный заряд, сильно влияют на колебания акустических резонаторов и, таким образом, приводят к затуханию акустической энергии. QCM – это резонаторы TSM, которые генерируют сдвиговые акустические волны, которые не излучают значительное количество энергии в жидкой фазе.Таким образом, эти устройства демонстрируют низкое затухание и подходящий резонанс. ККМ являются наиболее изученными акустическими датчиками для жидкофазных операций [136, 137] и описываются для различных приложений. Канадзава и Гордон [138] изучили влияние свойств жидкости, то есть вязкости и плотности, на колебания QCM и получили математическое соотношение для расчета сдвига основной резонансной частоты. Позже Мартин и др. [139] охарактеризовали поведение ККМ при одновременных жидких и массовых нагрузках.Основная резонансная частота уменьшалась как в контактной жидкости, так и в поверхностной массе, и было важно различать сдвиги частоты из-за этих факторов. Авторы показали, что с помощью электромеханической модели изменение массы поверхности можно отличить от изменения свойств раствора. Недавно Kang et al. [140] сообщили о связанной модели высокочастотного резонанса (HFR) для изучения операций QCM в жидкой фазе. Модель HFR объясняет, что полный резонанс является результатом емкости и индуктивности растворителя, статической емкости кварцевой пластины и индуктивности подводящих проводов.Авторы наблюдали за типичным процессом клеточной адгезии и обсуждали ответы от пиков HFR и TSM. Они выяснили, что совместное применение HFR и TSM является подходящим способом повышения стабильности сигналов QCM в жидкой фазе и, таким образом, получения надежных данных датчика.

В случае устройств на ПАВ работа в жидкой фазе серьезно затруднена из-за связи продольной составляющей волн Рэлея с контактирующей жидкостью. Эта связь приводит к значительному ослаблению амплитуды и скорости поверхностных волн.Кроме того, использование кварца в качестве пьезоэлектрического материала для ПАВ вызывает серьезные проблемы в водной фазе из-за значительной разницы в диэлектрических постоянных кварца (3.8) и воды (78). Это несоответствие диэлектрических постоянных приводит к отсутствию резонансного сигнала при воздействии высокой частоты. Принимая во внимание вышеупомянутые проблемы, необходимо изучить альтернативные пьезоэлектрические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью и подходящими углами среза, а также изучить другие режимы распространения волн, которые не страдают от потерь акустической энергии в жидкой фазе.Шиокава и Мориидзуми [141] изучали работу на ПАВ в жидкостях, используя режим вытекающей ПАВ, имеющий сдвиговое горизонтальное распространение. Их выводы показали, что угол среза пьезоэлектрического материала, то есть LiTaO ₃, должен быть повернут примерно на 36 °, чтобы режим распространения акустических волн изменился с вертикального на сдвигово-горизонтальный, что значительно снижает акустические потери. Кроме того, LiTaO ₃ (36 ° Y-X), имеющий достаточно высокую диэлектрическую проницаемость около 43, является подходящим пьезоэлектрическим материалом для измерения жидкой фазы.LiNbO ₃ – другой выбор пьезоэлектрического материала для изготовления устройств SH-SAW, которые имеют гораздо более высокую константу электромеханической связи. Однако акустические потери относительно выше. При правильном выборе пьезоэлектрической подложки и угла среза кристалла, SH-SAW, также называемая устройством STW, была известна для приложений измерения жидкой фазы. Акустические устройства типа волны Лява являются типичным примером SH-SAW, которые демонстрируют высокую чувствительность и низкие потери на затухание при воздействии жидкой фазы [142].В датчиках волн Лява [143,144] специальный волноводный слой покрыт таким образом, чтобы акустическая энергия удерживалась в этом слое, в то время как слой химического распознавания наносился поверх этого направляющего слоя. Толщина направляющего слоя важна для достижения оптимальных характеристик.

Устройства FBAR, как упомянуто выше, имеют два основных резонирующих режима, то есть TLM и TSM, с разницей только в ориентации пьезоэлектрического кристалла. В устройствах TLM распространяются продольные волны, которые страдают от сильного демпфирования в жидкостях, что приводит к значительному снижению значений добротности и, таким образом, ограничивает их работу в основном сухими средами.В то время как устройства TSM демонстрируют сильный сдвиговый резонанс в жидкостях с небольшим демпфированием, что приводит к высокому значению добротности и, таким образом, подходит для измерения жидкой фазы. Существует ряд применений датчиков жидкой фазы для устройств FBAR с режимом сдвига, включая биосенсоры и другие. Zhang et al. [145] сообщили, что для FBAR в жидкостях значение добротности при резонансе второй гармоники значительно выше, чем на частоте основного резонанса. В более позднем отчете [146] авторы исследовали влияние свойств жидкости, таких как плотность и проводимость, на резонансную частоту устройств FBAR.Авторы показали, что с увеличением плотности растворителей, т. Е. Ацетона, воды и диметилсульфоксида; уменьшились как параллельные, так и последовательные резонансные частоты. Это можно объяснить тем, что плотность и масса имеют прямую связь, тем самым вызывая уменьшение частоты при увеличении плотности жидкости. В то время как увеличение проводимости нагруженной жидкости продемонстрировало уменьшение последовательной резонансной частоты, но увеличение параллельной частоты. Авторы предположили, что это обратное поведение резонансных частот из-за проводимости жидкости может быть использовано для различения сдвигов резонансной частоты из-за массовой нагрузки от проводящих эффектов.

содержит обзор высокочастотных устройств QCM, SAW и FBAR, описывающий тип акустической волны, рабочую частоту, чувствительность, выбор пьезоэлектрических материалов и их характеристики, рабочую среду, доступность, стоимость производства, коммерческую адаптируемость и некоторые общие комментарии о эти устройства.

Таблица 1

Обзор высокочастотных акустических устройств для химических / биохимических сенсоров. Кратко описаны тип акустической волны, рабочая частота, чувствительность, природа пьезоэлектрических материалов, диэлектрическая проницаемость, скорость акустической волны, температурный коэффициент частоты, рабочая среда, доступность, производственные затраты, коммерческий успех и общие комментарии.

	Кварцевые микровесы (QCM)	Поверхностная акустическая волна (SAW)	Пленочный объемный акустический резонатор (FBAR)
Тип акустической волны	навалом	на поверхности	навалом
Рабочая частота	5–200 МГц	100–1500 МГц	1,0–4,5 ГГц
Чувствительность	Низкий	Средний	Высокий
Общие пьезоэлектрические материалы	Кварц	Кварц, LiNbO ₃, LiTaO ₃	AlN, ZnO
Диэлектрическая проницаемость	Кварц = 3.8	LiNbO ₃ = 29 LiTaO ₃ = 43	AlN = 8,5 ZnO = 8,8
Скорость акустической волны (м / с)	Кварц = 3158	LiNbO ₃ = 3488–3992 LiTaO ₃ = 3230–3394	AlN = 5600 ZnO = 2558
Температурный коэффициент частоты (TCF) (ppm / ° C)	Кварц ≅ 0	LiNbO ₃ = 75–94 LiTaO ₃ = 35–64	AlN = 25 ZnO = 40
Рабочая среда	Жидкости и газы	Газы	Жидкости и газы
Наличие	Обычный и легко доступный	Обычный и легко доступный	Недоступный
Затраты на производство	Низкий	Средний	Высокий
Коммерческая адаптируемость	Средний	Высокий	–
Общие комментарии	Самый распространенный и широко используемый акустический преобразователь для сенсорных приложений.QCM имеют низкие производственные затраты. Но имеет сравнительно невысокую чувствительность из-за низкой резонансной частоты.	Хорошо известен и широко используется для датчиков газовой фазы и нашел ряд коммерческих применений. Однако обычно не используется для измерения жидкой фазы.	Высокочувствительный акустический преобразователь для измерения газовой и жидкой фазы. Обычно они не доступны, поскольку для их изготовления требуются передовые технологии изготовления, поэтому требует высоких затрат.

3.Примеры применения датчиков

В этом разделе будут кратко рассмотрены избранные приложения датчиков высокочастотных QCM, SAW и FBAR в различных областях. Будут охвачены исключительно две основные области восприятия, то есть биосенсор, связанный с применением датчиков жидкой фазы, и измерение газовой фазы. Кроме того, мы будем сравнивать характеристики датчиков высокочастотных акустических устройств с другими аналитическими стратегиями, где это необходимо.

3.1. Биосенсоры

Типичный биосенсор – это устройство, которое имеет слой биохимического распознавания, интегрированный с датчиком, который преобразует информацию о событии связывания в измеряемый сигнал.Здесь мы обсудим высокочастотные акустические преобразователи, то есть QCM, SAW и FBAR для приложений биодатчика. Уттенталер и соавторы [149] использовали HFF-QCM 39, 56, 70 и 110 МГц и сравнили их результаты с QCM 19 МГц для обнаружения бактериофага M13. HFF-QCM 70 и 110 МГц показали гораздо более высокий уровень шума, в то время как устройство 56 МГц показало лучшее соотношение сигнал / шум. Авторы сообщили, что при использовании HFF-QCM 56 МГц предел обнаружения был увеличен в 200 раз по сравнению с устройством 19 МГц, что примечательно с точки зрения повышения чувствительности и снижения пределов обнаружения в иммуноанализах.Fernandez et al. [94] использовали 150 МГц HFF-QCM для изучения связывающих взаимодействий между протеином А и антителами IgG. Авторы выполнили моделирование методом конечных элементов (МКЭ) для улучшения геометрической конструкции разработанного датчика и, таким образом, оптимизации электрического отклика. Численные данные моделирования методом конечных микроскопов хорошо коррелировали с экспериментальными характеристиками акустического датчика. Используя HFF-QCM 150 МГц, авторы заявили, что комбинированный сдвиг частоты 51000 Гц для адсорбции протеина A и инъекции IgG, в то время как в литературе сообщенный сдвиг частоты для датчика QCM 9 МГц составлял всего 200 Гц для аналогичных исследований.March et al. [150] разработали иммуносенсор HFF-QCM с частотой 100 МГц для обнаружения пестицидов, то есть карбарила и тиабендазола. Авторы сравнили аналитические характеристики, то есть чувствительность анализа (значение I ₅₀), предел обнаружения (LOD) и рабочий диапазон (WR) иммуносенсора HFF-QCM с традиционными низкочастотными методами QCM, SPR и ELISA. Сравнительные данные стандартных и оптимизированных датчиков ELISA, SPR и QCM для обнаружения карбарила показаны на рис. Здесь более высокое значение I ₅₀ указывает на более низкую чувствительность.Для определения карбарила они сообщили, что иммуносенсор HFF-QCM с частотой 100 МГц демонстрирует значительно более высокую чувствительность, более низкий предел обнаружения и более широкие диапазоны обнаружения, чем SPR и QCM с основными частотами 9, 10 и 50 МГц. При сравнении данных с ELISA производительность датчика HFF-QCM несколько ниже, чем у оптимизированного ELISA, но все же тесно связана с результатами стандартного метода ELISA. Аналогичным образом, датчик HFF-QCM с частотой 100 МГц для тиабендазола показал лучший предел обнаружения, чем SPR.

Таблица 2

Сравнение аналитических характеристик для обнаружения карбарила с помощью ELISA, SPR и QCM с переменной частотой, адаптировано с разрешения [150].

Аналитические параметры (мкг л ⁻¹)	ELISA		SPR	QCM: частота основного резонанса (МГц)
Аналитические параметры (мкг л ⁻¹)	Стандартный		SPR				100
LOD	0.13	0,01	1,41	13,30	4,00	0,23	0,14
Я ₅₀	0,72	0,06	3,12	30,34	16,70	1,95	0,66
WR	0,23–2,36	0,02–0,18	1,91–5,75	18,30–50,30	7,00–35,00	0,50–7,20	0.26–1.72

В более позднем отчете [151] они расширили свою предыдущую стратегию для обнаружения остатков карбарила в образцах меда и сравнили результаты сенсора HFF-QCM с тандемной масс-спектрометрией жидкостной хроматографии (ЖХ-МС). показывает сравнение данных HFF-QCM и LC-MS для обнаружения карбарила в образцах обогащенного меда. Анализ образцов меда с добавками с помощью HFF-QCM показал сопоставимые пределы обнаружения и количественное определение с ЖХ-МС для обнаружения карбарила.Кроме того, разработанный датчик требует минимальных протоколов предварительной обработки образцов и, таким образом, подходит для быстрого анализа карбарила. Эти результаты показывают, что датчики HFF-QCM могут быть потенциальной альтернативой классическим приборам, таким как LC-MS. В другом усилии [152] авторы объединили HFF-QCM 100 МГц с указанными моноклональными антителами для высокочувствительного обнаружения биомаркера туберкулеза, то есть белка 38 кДа из Mycobacterium tuberculosis . Аналитические данные датчиков HFF-QCM в отношении чувствительности, предела обнаружения и рабочих диапазонов лучше, чем ранее сообщенные результаты ELISA.Кроме того, диапазон обнаружения разработанного иммуносенсора сопоставим с антигенами туберкулеза, обнаруженными в образцах пациентов, страдающих этим заболеванием.

Анализ образцов обогащенного меда с помощью датчика HFF-QCM и ЖХ-МС, коэффициент корреляции для HFF-QCM составлял 0,999, а для ЖХ-МС – 0,992. Наклон линейной регрессии для HFF-QCM составлял 1,14, а для ЖХ-МС – 1,04, адаптировано с разрешения [151].

Länge et al. [153] всесторонне рассмотрели биосенсорные приложения резонаторов на ПАВ, включая устройства на ПАВ и ПАВ.Авторы объяснили, что подходящая модификация поверхности SAW-преобразователей очень важна для успешного применения биосенсоров. Они описали различные протоколы для покрытия распознающих слоев на интерфейсе SAW, такие как использование прямой иммобилизации аналит-специфичных слоев, иммобилизация антител через белок A / белок G, функционализированные слои декстрана или гидрогеля и другие. Заявленные применения датчиков охватывают обнаружение антител, бактерий, ДНК и различных небольших молекул, включая полициклические ароматические углеводороды, атразин и другие.Большинство описанных в литературе биосенсоров на ПАВ имели основную резонансную частоту менее 1 ГГц. Существует относительно немного статей, посвященных устройствам на ПАВ с частотой ГГц для биодатчиков. Например, Кришнамурти и др. [154] функционализировали моноклональные антитела к интерлейкину-6 (ИЛ-6) на устройствах с ПАВ 0,7 ГГц и 1,5 ГГц для обнаружения ИЛ-6. Поскольку IL-6 является важным белком, который помогает регулировать иммунные реакции, а его повышенные уровни связаны с различными заболеваниями, включая сердечно-сосудистые заболевания, диабет, артрит и некоторые виды рака, его обнаружение в крови имеет большое значение.Авторы изучили три различных подхода к интеграции белков IL-6 на поверхность SAW, а именно: (a) путем прямой поверхностной адсорбции, (b) модификации поверхности с помощью бычьего сывороточного альбумина (BSA) и (c) модификации поверхности с помощью моноклональных антител. Было замечено, что прямая поверхностная адсорбция не является эффективным подходом для адекватного распознавания белка и, таким образом, приводит к низкой чувствительности обнаружения IL-6. Вторым методом была иммобилизация IL-6 через BSA, которая показала гораздо более высокие частотные сдвиги для обнаружения IL-6, чем простая поверхностная адсорбция.В то время как третья стратегия, то есть иммобилизация IL-6 с помощью моноклональных антител, показала самые высокие сенсорные сдвиги для обнаружения IL-6. продемонстрировали сенсорные ответы двух устройств SAW с частотой 1,5 ГГц, покрытых иммобилизацией IL-6 посредством BSA (A) и иммобилизацией IL-6 посредством моноклональных антител (B). Видно, что иммобилизация IL-6 с помощью антител проявляла более высокую чувствительность по сравнению с иммобилизацией с помощью BSA. Более того, из этих результатов также можно заметить, что за счет увеличения активной области датчика i.например, 20 × 20 мкм ², дальность обнаружения может быть улучшена по сравнению с 5 × 5 мкм ². Наконец, авторы протестировали разработанный биосенсор SAW для обнаружения IL-6 в сыворотке крови человека и обнаружили, что он показал удовлетворительные результаты в соответствии с ELISA для обнаружения низких концентраций IL-6.

( A ) Отклик сенсора SAW в виде измеренной массы IL-6 (фг / мл) по сравнению с нанесенной массой IL-6 (мкг / мл), поверхность сенсора была модифицирована после иммобилизации IL-6 посредством BSA. ( B ) Отклик сенсора SAW как измеренная масса IL-6 (фг / мл) в зависимости отПосле нанесения массы IL-6 (мкг / мл) поверхность сенсора следует за специфическим связыванием IL-6 посредством иммобилизации моноклональных антител к IL-6. На обоих рисунках были протестированы два окна размером 5 × 5 мкм ² и 20 × 20 мкм ², измерения датчика показали, что при увеличении активной площади поверхности устройства отклик датчика увеличивается, как показано на 20 × 20 мкм ^{2 окна} в обоих случаях, адаптировано с разрешения из [154].

Kim et al. [155] сообщили о биосенсоре на ПАВ с частотой 2,4 ГГц, имеющем биотин-стрептавидин и ДНК-гибридизованный интерфейс биомолекулярного связывания.Авторы сообщили о низком пределе обнаружения, т.е. ~ 1 нг / мл, и быстром отклике для обнаружения целевого аналита с возможностью интеграции беспроводного датчика. Cai et al. [156] разработали высокочувствительный биосенсор на ПАВ, использующий режим гармоники третьего порядка устройства 2 ГГц для достижения резонансной частоты 6,4 ГГц с добротностью более 4000. Они сообщили о значительной чувствительности для обнаружения ДНК-мишени, т. Е. 6,7 × 10 ⁻¹⁶ г / см ² / Гц с замечательной способностью обнаружения отдельных клеток.Кроме того, была записана линейная кривая сенсора в диапазоне концентраций от 1 мкг / мл до 1 нг / мл. Разработанный биосенсор продемонстрировал высокую селективность, как показано, где можно увидеть, что ответ целевой ДНК (Образец 1) с концентрацией 1 мкг / мл с 15 основаниями имеет наибольший относительный частотный сдвиг. Образец 2 имеет такую же концентрацию с 15 основаниями, но имеет только одно основание с несовпадением, поэтому сдвиг частоты ниже, чем у 1. Таким же образом образец 3 имел такую же концентрацию с 15 основаниями, но с двумя основаниями с несовпадением, что приводит к еще более низкому ответу.Образцы 4 и 5 с концентрацией 1 мкг / мл каждый представляют ответы 4 и 3 оснований соответственно. Образцы 6, 7 и 8 показывают сенсорные ответы целевой ДНК с 15 основаниями, имеющими концентрации 100, 10 и 1 нг / мл соответственно. Наконец, Образец 9 показывает реакцию BSA, т. Е. Мешающего аналита, а Образец 10 представляет реакцию буфера PBS. Предлагаемая сенсорная установка имеет потенциал для безметочного обнаружения целевых аналитов с высокой чувствительностью, что может быть использовано для медицинской диагностики и других приложений.

Сравнение частотных сдвигов ПАВ для разных целей. Здесь 1 – это ответ целевой ДНК (1 мкг / мл), имеющей 15 оснований, 2 – ответ нецелевой ДНК (1 мкг / мл), имеющей 15 оснований, с одним основанием с несоответствием, 3 – это ответ ответ нецелевой ДНК (1 мкг / мл), имеющей 15 оснований с двумя основаниями с несовпадением, 4 – ответ нецелевой ДНК (1 мкг / мл), имеющей только 4 основания, 5 – ответ нецелевой ДНК (1 мкг / мл), имеющей только 3 основания, 6 – ответ целевой ДНК (100 нг / мл), имеющей 15 оснований, 7 – ответ целевой ДНК (10 нг / мл), имеющей 15 оснований, 8 – ответ целевой ДНК (1 нг / мл), имеющей 15 оснований, 9 – ответ на BSA, 10 – ответ на буфер PBS, адаптированный с разрешения [156].

Weber et al. [12] объяснил работу FBAR в жидкой фазе специально для биосенсорных приложений. Они экспериментально показали, что характеристики датчика сдвигового FBAR намного лучше, чем у устройства с продольным FBAR, из-за более низкого значения добротности и высокого уровня шума устройств более позднего типа. Разрешение по массе или наименьшая обнаруживаемая масса с помощью устройства сдвиговой FBAR была лучше, чем установка QCM при тех же условиях.

Недавний обзор, связанный с применением FBAR для биочувствительности, был опубликован Zhang et al.[157], в котором авторы описали теоретические аспекты работы и операций FBAR в различных средах и, кроме того, предложили некоторую оптимизацию в конструкции. Кроме того, авторы эксклюзивно обсуждали биосенсорный домен FABR для различных биоаналитов с использованием иммобилизованных антител, аптамеров, модифицированных ДНК-зондов, ферментов и других материалов в качестве рецепторных материалов. Как и в случае устройств SAW, авторы объяснили, что поверхностная плотность иммобилизованных антител и их ориентация сильно влияют на связывание целевого антигена и в конечном итоге влияют на работу сенсора.Габл и др. [158] интегрировали олигомеры ДНК (25 оснований) посредством тиоловой модификации на интерфейсе золотого электрода устройства FBAR с частотой 2 ГГц. Авторы использовали эту установку для обнаружения белков, а также гибридизации ДНК. Они сообщили о высокой чувствительности к массе, то есть 2400 Гц см ² / нг, которая была рассчитана примерно в 2500 раз выше, чем QCM с частотой 20 МГц. Lin et al. [159] контролировали синтез ДНК с помощью устройства FBAR с частотой 3,16 ГГц, покрытого самоорганизующимся праймером ДНК, модифицированным тиолом. Авторы сообщили, что разработанная установка способна контролировать добавление одного нуклеотида, который может использоваться для расширенных приложений секвенирования ДНК.В более позднем исследовании [160] авторы сообщили об обнаружении биомаркера рака, то есть специфического антигена простаты (PSA), с использованием антител к иммуноглобулину G (IgG) в качестве рецепторов. Ориентация антител IgG на золотом электроде была улучшена путем иммобилизации антител через белок G с помощью подходящего сшивающего агента. Полученный датчик показал высокую чувствительность, т. Е. 25 нг / см ² с использованием устройства 3,6 ГГц и исключительно низкий предел обнаружения в диапазоне нг / мл. Более того, датчик показал подходящую селективность при воздействии на BSA, поскольку даже в 100 раз более высокая концентрация BSA, чем PSA, не показала заметных частотных сдвигов.После повторного связывания комплекс антитело-антиген на интерфейсе сенсора можно легко удалить подходящей промывкой глицином и буфером. Полученную поверхность сенсора можно повторно использовать для дальнейших измерений, поскольку регенерированная поверхность показала сдвиги частоты, сравнимые с таковыми для свежего покрытия сенсора. В другом отчете Zhao et al. [161] сообщили об обнаружении специфического антигена предстательной железы человека (hPSA) с помощью устройства FBAR с частотой 1,5 ГГц с еще большей чувствительностью, т.е. 1,5 нг / см ² и более высоким Q-фактором i.е., около 800. Авторы использовали мышиный моноклональный антиген-специфический антиген простаты (анти-hPSA) в качестве рецепторов с оптимальным количеством 1 мг / м ². Они предположили, что большее количество антител, чем оптимальное, приводит к увеличению стерических затруднений, вызывая снижение эффективности связывания, в то время как более низкая концентрация антител приводит к ограниченному количеству сайтов связывания. Авторы показали, что адсорбция антител h-PSA на электроде FBAR (1-я колонка) приводит к сдвигу частоты на 230 кГц, затем после блокирования BSA к дальнейшему смещению на 70 кГц (2-я колонка) и, наконец, связывание антигена h-PSA приводит к Сдвиг частоты 46 кГц (3-й столбец).В контрольных экспериментах адсорбция BSA электродом FBAR привела к 71 кГц (4-й столбец), что соответствует сдвигу частоты этапа блокировки, то есть 70 кГц, как показано во 2-м столбце. Дальнейшее связывание антигена h-PSA поверх BSA дает только 2 кГц (5-й столбец), что свидетельствует о неспецифических взаимодействиях антигена с BSA. Эти результаты указывают на потенциал FBAR как безметочного сенсора, который можно использовать для высокочувствительного и селективного обнаружения адсорбции антител и их связывания с антигенами.Chen et al. [162] сообщили об обнаружении альфа-фетопротеина (AFP), то есть биомаркера рака, с помощью FBAR с частотой 2,1 ГГц. Авторы использовали моноклональные антитела против AFP и сообщили о пределе обнаружения 1 нг / мл антигенов AFP, что сопоставимо с ELISA. Разработанный сенсор показал подходящую селективность при воздействии других эндогенных веществ, таких как спирт, аскорбиновая кислота, мочевая кислота и глюкоза.

Сдвиг частоты после адсорбции антитела h-PSA (5 мг / л) в течение 15 минут составлял 230 кГц (1-я колонка), затем блокирование BSA (50 мг / л) в течение 25 минут приводит к смещению 70 кГц (2-я колонка) и дальнейшее связывание антигена h-PSA (5 мг / л) в течение 15 мин привело к еще одному сдвигу на 46 кГц (3-я колонка).В контрольных экспериментах адсорбция БСА на поверхности электрода (50 мг / л) в течение 30 мин приводила к сдвигу 71 кГц (4-я колонка), а затем адсорбция антигена h-PSA (5 мг / л) в течение 15 мин над БСА приводила только к сдвигу 2 кГц. (5-й столбец) вдоль оси y Δf представляет сдвиги резонансной частоты, адаптированные с разрешения из [161].

3.2. Газофазное зондирование

Химическое зондирование газообразных аналитов с помощью акустических преобразователей [163] было широко признано благодаря высокой чувствительности, более низким пределам обнаружения и небольшому размеру для миниатюризации и портативности.Повышенная чувствительность в первую очередь обусловлена высокой основной резонансной частотой устройства. Однако высокая частота также приводит к сильному демпфированию, что требует повышенной стабильности колебаний. Основным преимуществом использования высокочастотных устройств для измерения газовой фазы является их относительно низкое демпфирование по сравнению с жидкостями и, следовательно, более высокая добротность. Fanget et al. [164] рассмотрели различные типы электромеханических преобразователей для гравиметрического обнаружения газов / паров. Они объяснили принцип работы, механизм адсорбции и обнаружения газа, а также важные детали конструкции для улучшения обнаружения газа.

Вальдфогель и его коллеги [93] разработали прототип мобильной переносной сенсорной установки с HFF-QCM 195 МГц для обнаружения аналитов в воздухе. Чтобы улучшить обработку сигналов HFF-QCM и его пригодность для приложений в реальном времени, авторы исследовали характеристики устройства в различных условиях, включая давление и турбулентность, статическое и динамическое влияние температуры и чувствительность к ускорению. Авторы стремились улучшить соотношение сигнал / шум при непрерывном потоке воздуха и минимизировать влияние условий окружающей среды, чтобы установку HFF-QCM можно было использовать в качестве портативного портативного устройства.В другом отчете [165] они разработали устройство QCM с частотой 200 МГц, покрытое модифицированными дендримерными структурами, для онлайн-обнаружения трипероксида триацетона (ТАТФ), то есть взрывчатого вещества. При такой высокой резонансной частоте предел обнаружения ТАТФ в 1 ppm был достигнут при подходящем времени отклика / восстановления, т.е. <5 с. Чтобы повысить селективность за счет снижения неспецифических взаимодействий, авторы [166] модифицировали поверхность электрода HFF-QCM алкилированными фосфоновыми кислотами и соответствующими группами частично фторированной фосфоновой кислоты.Интересным аспектом этих модификаций является их гидрофобные и липофобные свойства, поскольку это привело к снижению частотных сдвигов на 55% для воды и 74% для циклогексана, соответственно. Они сообщили, что модификация поверхности QCM снижает нанопористость и полярность оксида алюминия (электродного материала) и, кроме того, позволяет подходящую интеграцию супрамолекулярных аффинных слоев на модифицированной поверхности QCM для обнаружения ТАТФ. Анализ главных компонентов (PCA) разработанной матрицы датчиков для обнаружения ТАТФ продемонстрировал, что после модификации поверхности сигналы датчиков для ТАТФ намного лучше отделяются от обычных помех, таких как вода, ацетон, перекись водорода и tBuOOtBu i.е. соединение, аналогичное ТАТФ. A, B демонстрируют данные первого главного компонента (PC1) и второго главного компонента (PC2) немодифицированного и поверхностно модифицированного массива датчиков HFF-QCM для обнаружения ТАТФ, соответственно.

( A ) Результат PCA матрицы датчиков HFF-QCM для обнаружения TATP без предварительной обработки, ( B ) Результат PCA матрицы датчиков HFF-QCM для обнаружения TATP после предварительной обработки поверхности, что указывает на результат обработки поверхности улучшенное обнаружение TATP с лучшим отделением от помех, адаптированное с разрешения из [166].

Устройства на ПАВ широко используются для зондирования газовой фазы больше, чем любые другие акустические преобразователи. Это просто связано с естественной пригодностью волн Рэлея в газовых средах, высокой резонансной частотой, которая приводит к низким пределам обнаружения, быстрому времени отклика и способности интеграции с миниатюрными электронными системами. Эти особенности делают датчики на ПАВ очень конкурентоспособными для разработки жизнеспособных газовых датчиков для коммерческого применения. Начиная с ранней работы Вольтьена [167, 168], устройства на ПАВ в качестве газовых сенсоров широко исследуются.Афзал и др. [169] рассмотрели множество различных материалов для распознавания молекул, которые можно комбинировать с датчиками на ПАВ для разработки быстрых и высокочувствительных датчиков газа / пара. К ним относятся наноструктуры оксидов металлов, углеродные нанотрубки (УНТ), гибриды и композиты оксида графена, полимеры с молекулярным отпечатком, супрамолекулярные структуры, полимерные аффинные слои, самоорганизующиеся монослои и другие. Основными критериями выбора покрытия сенсора на ПАВ являются его селективность, время отклика / восстановления, низкая перекрестная чувствительность к влажности и температурным сдвигам, а также способность работать в условиях окружающей среды.Дикерт и соавторы [170] показали, что устройство на ПАВ с частотой 1 ГГц, покрытое структурой перметилированного β-циклодекстрина, присоединенного гексафторбензолом, может обнаруживать м -ксилола до 1 ppm. Кроме того, они продемонстрировали, что увеличение резонансной частоты SAW с 80 МГц до 1000 МГц приводит к увеличению отклика датчика параболическим образом, тогда как шум увеличивается линейно. A показывает отклики датчиков от устройств 80, 301, 433 и 1000 МГц с одинаковыми покрытиями. Об аналогичной тенденции также сообщает Abraham et al.[171], поскольку они интегрировали гибридные покрытия из ZnO-CuO и УНТ для обнаружения различных летучих органических соединений (ЛОС). Созданный нанокомпозит ZnO-CuO-CNT показал повышенную чувствительность по сравнению с исходными УНТ. Авторы сравнили отклики датчиков различных устройств на ПАВ с частотами 80, 315, 433, 915 и 1000 МГц, как показано на B. Здесь можно увидеть, что увеличение резонансной частоты приводит к увеличению отклика датчика, что согласуется с предыдущие исследования [170].

( A ) Отклики сенсоров на ПАВ 80, 301, 433 и 1000 МГц против 1000 ppm паров толуола, вдоль оси x , f _o представляет основную резонансную частоту, все устройства были покрыты перметилированным β-циклодекстрин, связанный с гексафторбензолом, имеющий толщину 60 нм, адаптирован с разрешения [170]. ( B ) Отклики сенсоров на ПАВ 80, 315, 433, 915 и 1000 МГц против 100 ppm различных паров, все устройства были покрыты нанокомпозитом ZnO-CuO-CNT, адаптированным с разрешения [171].На обоих рисунках чувствительность датчика увеличивается по мере увеличения резонансной частоты резонатора на ПАВ.

Liu et al. [172] объединили неорганические и органические материалы, то есть наночастицы CeO ₂ с нановолокнами поливинилпирролидона, соответственно методом электроспиннинга и интегрировали в покрытия сенсора на ПАВ. Авторы использовали прибор на ПАВ 1,56 ГГц и протестировали на определение относительной влажности в диапазоне от 11 до 95%. Они продемонстрировали сдвиг частоты на 2,5 МГц с использованием устройства 1,56 ГГц, что примерно в 8 раз больше, чем 0.SAW 879 ГГц с таким же покрытием сенсора, таким образом, демонстрируя более высокую резонансную частоту, приводит к увеличению сдвигов сенсора. Кроме того, разработанный датчик показал быструю кинетику отклика / восстановления, подходящую повторяемость сигналов датчика и хорошую стабильность материала покрытия даже через один месяц. В параллельном отчете [173] авторы протестировали Ni (SO ₄) _0,3 (OH) _1,4, т. Е. Наноленты (NSOH) и наночастицы NiO, покрытые приборами на ПАВ 1,54 ГГц для измерения относительной влажности, соответственно.Они сравнили данные измерения относительной влажности разработанных датчиков с другими стратегиями, описанными в литературе, как показано на рис.

Таблица 3

Сравнение разработанных датчиков на ПАВ для измерения относительной влажности с другими стратегиями, описанными в литературе, адаптировано с разрешения из [173].

f _o	Субстрат	Морфология поверхности	Диапазон относительной влажности (%)	Макс. Отклик на сдвиг частоты	Время восстановления и отклика	Макс.
1,54 ГГц	128 ° YX LiNbO ₃	Наночастицы NiO	11–85	−5,81 МГц	4 с, 23 с	478	Эта работа
128 ° YX LiNbO ₃	Наноленты NSOH	11–85	−2,95 МГц	10 с, 21 с	130	Эта работа
395 МГц	ZnO / poly- имид (PI)	Оксид графена	11–85	−1.5 МГц	5 с, 22 с	–	[174]
199 МГц	ST кварц	SiO ₂ пленки	30–93	−520 кГц	<10 с, <10 с	–	[175]
126 МГц	AlN / Si	Пленки ZnO, легированные Ga	10–90	−400 кГц	–	20	[176]
433 МГц	ST кварц	Кремнийсодержащий полиэлектролит	10–95	−30 кГц	~ 10 с, ~ 10 с	–	[177]

Эта таблица снова подтверждает соотношение частота-чувствительность, поскольку увеличение резонансной частоты приводит к усилению отклика датчика.Кроме того, характер материала покрытия также играет важную роль в повышении чувствительности, поскольку реакция SAW с покрытием из наночастиц NiO (5,81 МГц) на относительную влажность выше, чем реакция устройства с покрытием из нанопокрытий NSOH (2,95 МГц).

Из-за более высокой частоты и компактного размера, FBAR оказались очень подходящими для приложений обнаружения газа, поскольку датчики газа FBAR предлагали гораздо более низкие пределы обнаружения, чем другие гравиметрические датчики. Чжан и Ким [178] обсуждали работу датчика массы FBAR как в жидкой, так и в газовой фазах.Они разработали FBAR на диафрагме из нитрида кремния, имеющей пьезоэлектрическую пленку ZnO, которая была зажата между двумя алюминиевыми электродами. Измеренная массовая чувствительность FBAR составила 726 см ² / г, то есть близко к теоретическому значению 773 см ² / г и примерно в 50 раз выше, чем QCM с частотой 6 МГц. Устройства FBAR с частотой 1 ГГц показали более высокое значение Q, т.е. 200–300 в воздухе, и могут обнаруживать изменение массы 10 ⁻⁹ г / см ². В то время как FBAR в жидкостях, имеющих частоту 2 ГГц, показали значение Q 40 при резонансе 2-й гармоники и могут обнаруживать изменение массы 10 ^-8 г / см ².Авторы сравнили минимально обнаруживаемые сдвиги массы с помощью устройств FBAR, работающих в жидких и газообразных средах, с изменяющимися значениями добротности в воздухе. Они заметили, что более высокое значение Q приводит к повышению чувствительности устройства FBAR. Lin et al. [179] иммобилизовали антитела через белок А на золотом электроде FBAR для высокочувствительного обнаружения взрывчатых веществ. Разработанный датчик мог использоваться без предварительного концентрирования пробы и показал высокую чувствительность для тринитротолуола (TNT) и 1,3,5-тринитро-1,3,5-триазациклогексана (RDX) с использованием устройств FBAR, работающих при 1.96 ГГц и 1,65 ГГц соответственно. Высокая частота резонанса, использование специальных рецепторов и миниатюрная конструкция привели к разработке интеллектуальных датчиков для обнаружения взрывчатых веществ, которые могут использоваться в военных и охранных приложениях. Benetti и соавторы [180] разработали сенсоры FBAR для водорода (H ₂), окиси углерода (CO) и паров этанола с использованием двух различных химических слоев. Для H ₂ они использовали Pd (толщина слоя 15 нм), а для CO и этанола они выбрали ко-тетрафенил-порфирин (толщина слоя 36 нм) после процесса термического испарения для их изготовления с 1.Устройство FBAR 59 ГГц. Разработанные сенсоры показали самые низкие концентрации обнаружения 2 ppm (H ₂), 40 ppm (CO) и 500 ppm (этанол). Chen et al. [181] сообщили о датчике диметилметилфосфоната (DMMP), объединяющем самоорганизующийся композитный бислой Cu ²⁺/11-меркаптоундекановой кислоты с FBAR 2,35 ГГц. Самая низкая измеренная концентрация DMPP составляла 100 частей на миллиард. Пенза и др. [182] разработали нанокомпозит из однослойных углеродных нанотрубок (ОСУНТ), внедренных в арахидат кадмия, методом Ленгмюра-Блоджетт для гравиметрического зондирования органических паров.В своих предыдущих исследованиях они оптимизировали состав нанокомпозита, то есть процентное содержание ОСУНТ в арахидате кадмия для повышения чувствительности к этилацетату и толуолу [183]. показаны сравнительные значения чувствительности и уровня шума датчиков для устройств QCM, SAW и FBAR, имеющих резонансные частоты 10 МГц, 433 МГц и 1045 МГц соответственно. Все устройства были покрыты одним и тем же нанокомпозитным материалом покрытия, содержащим 75% ОУНТ. Данные QCM и SAW сравнивались с их предыдущей работой [183].

Таблица 4

Сравнение рабочих частот, уровня шума и чувствительности устройств QCM, SAW и тонкопленочного объемного акустического резонатора (TFBAR) для химического определения паров этилацетата и толуола. Все устройства были покрыты 75 (мас.%) Слоями нанокомпозита Ленгмюра – Блоджетт на основе ОСУНТ, адаптированными с разрешения [182].

Акустическое устройство	Рабочая частота (МГц)	Уровень шума (Гц)	Чувствительность (ΔF / c) ΔF _Вт (Гц / ppm) / кГц
Акустическое устройство	Рабочая частота (МГц)	Уровень шума (Гц)	Этилацетат

QCM	10	1–5	0.05	0,097
ПИЛА	433	10–25	0,30	1,020
TFBAR	1045	50,000	0,98	1,044

Как и ожидалось, это показывает, что простое увеличение резонансной частоты акустического устройства увеличивает чувствительность как для этилацетата, так и для толуола, однако шум также увеличивается. Авторы предположили, что с увеличением резонансной частоты возникает компромисс между чувствительностью и шумом.Однако при определенном соотношении сигнал / шум чувствительность возрастает с увеличением резонансной частоты акустических устройств. Наблюдаемые пределы обнаружения были значительно низкими, что указывает на потенциал разработанной сенсорной установки для измерения летучих органических соединений (ЛОС) при комнатной температуре на рабочем месте и других.

Hu et al. [184] разработали матрицу датчиков FBAR с полимерным покрытием для газохроматографического анализа различных органических паров. Они интегрировали матрицу датчиков FBAR с выходом промышленной газоразделительной колонки и с другой стороны подключены к анализатору цепей, оборудованному компьютером для обработки данных.Разработанная матрица датчиков GC-FBAR в сочетании с PCA продемонстрировала подходящий образец селективности для количественного анализа различных органических паров. Например, двойная смесь ацетона и н-пентана, которую нелегко разделить на колонке для ГХ, была эффективно различена и количественно определена обработкой PCA матрицы датчиков FBAR. В статье авторы сравнили производительность разработанной матрицы датчиков FBAR с различными системами датчиков ГХ, описанными в литературе, с точки зрения предела обнаружения, динамического диапазона, линейности, области применения и алгоритма обработки данных.Они предположили, что высокая чувствительность сенсорной матрицы FBAR и ее миниатюрная конструкция делают ее потенциальным кандидатом для использования в портативных системах ГХ на микромасштабах.

Таблица 5

Сравнение различных систем GC-датчиков с разработанным датчиком FBAR с точки зрения предела обнаружения, динамического диапазона, линейности, области применения и метода обработки данных, адаптировано с разрешения из [184].

Датчик ГХ	Производительность срабатывания			Область применения	Метод обработки данных	Ref.
Датчик ГХ	Предел обнаружения	Динамический диапазон	Линейность	Область применения	Метод обработки данных	Ref.
Микрокантилевер	Суб-ppb	/	Хорошо	Заболевание, связанное со зданием	PCA	20 [185 900]
Полупроводниковый металлооксидный детектор	Суб-ppb	0,1–5 ppb	Нелинейность	Загрязнение окружающей среды	/	[186]
Микроемкостный детектор	0.1 ppm	0,1–1 ppm	Хорошо	Загрязняющие вещества в помещении	/	[187]
Устройство акустической волны (AW)	/	/	Good	Пищевые продукты и антисептик	PCA	[188]
Наноэлектромеханические резонаторы	Sub-ppb	0,6–1500 ppb	Good	/	/	[189]
Пленочный резонатор на объемных акустических волнах	1 ppm	50–500 ppm	Хорошо	Обнаружение выдыхаемого воздуха	PCA	Эта работа

Guo et al.[190] представили теоретический подход к исследованию датчика ЛОС на основе мембраны с полимерным слоем, интегрированной с FBAR. Слой полимера набухает при поглощении паров аналита, что вызывает деформацию диафрагмы, что приводит к изгибному напряжению на пьезоэлектрической пленке. Таким образом, наблюдается изменение фазовой скорости и частоты FBAR. Имитационное исследование выявило чувствительность 2,5 Гц / ppm и предел обнаружения паров хлороформа 0,4 ppm. Zhao et al. [191] сообщил о функционализированном белком сенсоре FBAR с частотой 1,5 ГГц для обнаружения обычных репеллентов от насекомых, т.е.е., N, N-диэтил- мета -толуамид, указывающий на использование FBAR в качестве сенсоров одоранта. Song et al. [109] интегрировали ОСУНТ, модифицированные полиэтиленимином, с поверхностью золотого электрода посредством самосборки для химического определения паров формальдегида. Резонансная частота устройства FBAR составляла около 4,5 ГГц, что привело к исключительно низкому пределу обнаружения 24 частей на миллиард и чувствительности 1,472 кГц / частей на миллиард для формальдегида. Кроме того, разработанный сенсор показал подходящую селективность при воздействии обычных помех, таких как этанол, ацетон, бензол, толуол, хлороформ и дихлорметан.Концентрации этих мешающих веществ поддерживались вдвое выше по сравнению с соответствующими концентрациями формальдегида. Результат показан там, где видно, что разработанный датчик обладает высокой селективностью для определения формальдегида. Время отклика и восстановления было менее 1 мин, включая полную обратимость сигнала датчика.

Отклик датчика устройства FBAR, покрытого однослойными углеродными нанотрубками, модифицированными полиэтиленимином, для паров формальдегида при 50, 200 и 400 частях на миллиард, измеренный при 23 ° C и относительной влажности 40%.Сдвиг сенсора на различные факторы, такие как этанол, ацетон, бензол, толуол, хлороформ и дихлорметан, также были зарегистрированы при концентрациях, вдвое превышающих концентрации формальдегида, адаптированные с разрешения [109].

4. Преимущества и ограничения

QCM – один из наиболее широко изученных акустических преобразователей для химических / биохимических сенсоров из-за его небольшого размера, простоты доступности, низкого температурного коэффициента, низкой стоимости изготовления, а также хорошей чувствительности и пригодности для газовая, а также жидкая фаза.Однако обычный рабочий диапазон частот составляет 5–20 МГц, что намного меньше, чем у SAW и FBAR. Использование инвертированных конструкций мезы привело к разработке QCM с резонансными частотами до 200 МГц с улучшенными значениями добротности и улавливанием энергии. Uttenthaler et al. [149] сообщили о первом биосенсоре HFF-QCM для обнаружения бактериофагов, и с тех пор некоторые другие исследовательские группы продемонстрировали свои успешные приложения для обнаружения в сложных смесях, включая как жидкие, так и газообразные среды.Помимо этих примеров, как обсуждалось выше, количество исследовательских статей, связанных с датчиками HFF-QCM, относительно меньше. Это отчасти указывает на то, что требуется дальнейшая оптимизация производства для улучшения проблем стабильности колебаний в HFF-QCM и решения проблем, связанных с проектированием и производством. И, что важно, все это должно производиться по конкурентоспособной цене по сравнению с обычными акустическими преобразователями.

Устройства на ПАВ хорошо известны для измерений в газовой фазе, их высокая основная резонансная частота, простота изготовления, компактная конструкция и возможность беспроводной интеграции являются основными привлекательными особенностями.Сенсорные устройства на основе ПАВ представляют собой один из особых классов акустических преобразователей, добившихся коммерческого успеха в анализе газовой фазы. Основным ограничением типичных датчиков на ПАВ являются проблемы с чрезмерным демпфированием в жидкостях, которые могут быть решены путем тщательного выбора пьезоэлектрического материала для изготовления устройства и регулировки угла среза кристалла. Например, устройства SH-SAW или STW часто называют поверхностно-акустическими устройствами для сенсорных приложений в жидкостях. Что касается рабочей частоты, то обычные резонаторы на ПАВ для химического зондирования имеют резонансную частоту около 100–500 МГц, что намного выше, чем у HFF-QCM.Хотя устройства на ПАВ с частотой до 10–14 ГГц описаны [192] в литературе как датчики давления, примеры их химического / биохимического зондирования с такой высокой частотой встречаются редко. Датчики на ПАВ с частотой около 1,5 ГГц предназначены для применения в биосенсорах газа / пара, а также в жидкой фазе. Интересной стратегией, описанной в литературе, является использование режимов высших гармоник для достижения более высокой частоты, т. Е. 6,4 ГГц с улучшенным значением добротности до 4000. Несмотря на то, что большое количество статей, связанных с производством высокочастотных устройств на ПАВ, i.е., в диапазоне ГГц их химические / биохимические измерения не так часты, как можно было бы ожидать. Использование высокочастотных устройств на ПАВ в сочетании со специфическими рецепторами, особенно для приложений биочувствительности, в настоящее время является предметом исследований, чтобы сделать эти устройства столь же успешными, как датчики газовой фазы.

В области химического / биохимического зондирования FBAR являются более новыми акустическими устройствами, чем QCM и SAW. Их обычная рабочая частота находится в диапазоне от сотен МГц до 10 ГГц, что значительно выше, чем у QCM и заявленных датчиков на ПАВ.В области датчиков есть два основных преимущества использования FBAR в качестве акустического преобразователя по сравнению с QCM и SAW: первое – это высокая резонансная частота, которая приводит к повышенной чувствительности и более низким пределам обнаружения, а второе – их способность работать в жидких средах. Более того, гораздо меньший размер FBAR, то есть около 200 мкм при типичном размере для нескольких устройств, является преимуществом для создания миниатюрной матрицы датчиков, которая может использоваться для анализа с высокой пропускной способностью. Их интеграция в микрожидкостный пакет может привести к разработке установки «лаборатория на кристалле» для клинической диагностики и других приложений.Устройства FBAR, изготовленные в виде массива в сочетании с технологией CMOS, могут использоваться для биосенсорных приложений. В недавних примерах, как обсуждалось выше, устройства FBAR продемонстрировали свою пригодность для измерения как газовой, так и жидкой фазы, причем многие из них имеют резонансную частоту выше 1 ГГц и самую высокую резонансную частоту 4,5 ГГц. Однако, несмотря на эти преимущества, коммерческое производство FBAR для сенсорных приложений не так распространено, как устройства QCM и SAW, что напрямую влияет на его доступность и цену.В настоящее время изготовление FBAR осуществляется различными методами, включая распыление, фотолитографию, электронно-лучевую литографию (EBL) и другие. Это сложные инструменты для нанопроизводства, требующие специального обучения / протоколов работы для получения желаемой геометрии и размеров электродов, что в конечном итоге ограничивает их массовое производство для использования стандартных сенсорных приложений.

Акустическое зондирование | Океаны в Массачусетском технологическом институте

Дистанционное зондирование со звуком

Акустика – ключевой компонент наблюдений за океаном во всех масштабах.Это результат быстрого затухания оптических и электромагнитных волн в воде, что делает бесполезными в океанах большинство основных инструментов дистанционного зондирования, которые мы используем в атмосфере и в космосе.

Акустические волны, с другой стороны, могут преодолевать большие расстояния под водой. Они обеспечивают основной механизм дистанционного зондирования океана человечеством и многими морскими существами. Области применения исследований факультета варьируются от изучения климата и океанографического зондирования до изучения воздействия звука на морских млекопитающих.

Вместе MIT и WHOI, возможно, обладают самой высокой концентрацией знаний в области акустики океана в мире, включая десятки ведущих мировых ученых, инженеров и технический персонал.

Наука и техника подводных звуков

Массачусетский технологический институт имеет сильные традиции в науке о подводном звуке и разработке технологий, использующих его. Во время холодной войны инженеры MIT и WHOI первыми разработали численные модели распространения звука в покрытом льдом Северном Ледовитом океане.

После окончания «холодной войны» мы расширили спектр наших программ, уделяя все большее внимание экологическому зондированию и развитию технологий коммуникационной и навигационной инфраструктуры для беспилотных распределенных сетей.

Акустическое зондирование, моделирование и связь

Беспилотные подводные сети быстро становятся доминирующими платформами для подводных систем наблюдения и мониторинга. Основная часть наших исследований сейчас касается развития автономии, адаптирующейся к окружающей среде, в поддержку акустического зондирования.

Наши программы тесно связаны с разработкой интеллекта для таких сетей. Сюда входит исследование автономного поведения с использованием бортового моделирования и имитации акустической среды для маневрирования сенсорных платформ в положения, оптимальные для акустического зондирования или для связи с другими устройствами.

Мы также создали крупные программы по использованию акустики для картирования океанографических и биологических процессов в океане. Приложения включают оценку экологических характеристик, таких как распределение косяков рыб и мечение морских млекопитающих.

Ключевые технологические разработки

Акустическое зондирование распределения популяций и поведения рыб, китов и планктона.
Акустическое мечение морских обитателей для изучения поведения исчезающих и ключевых видов экосистемы океана.
Низкочастотная акустическая термометрия с большим диапазоном измерения для измерения глобального потепления в Мировом океане.
Акустическая количественная оценка смешения воздуха и моря и обмена веществами.
Акустические измерения толщины полярного пакового льда, а также устойчивости ледников и ледникового покрова.
Подводная акустическая связь и зондирование для облегчения доступа людей и роботов к морской среде и их обитания.

Лаборатория автомобильной электроники Clemson: акустические датчики расстояния

Датчики расстояния – акустические

Базовое описание

Наиболее распространенные автомобильные применения акустических датчиков расстояния: резервные системы предупреждения и системы помощи при парковке.Датчики акустического расстояния обычно стоят меньше, чем сопоставимые датчики РАДАРА, и они более точны для обнаружение объектов на небольшом расстоянии.

Акустические датчики расстояния работают путем передачи акустического сигнала (звука) и “прослушивание” отраженного сигнала. Задержка, связанная с приемом отраженный сигнал может быть соотнесен с расстоянием до отражающего объекта.Акустические датчики генерируют сигнал, быстро перемещая диафрагму вперед и назад перемещая воздух вокруг диафрагмы, создавая акустическую волну.

Акустические датчики расстояния обычно работают на ультразвуковых частотах (40 – 250 кГц). Ультразвуковые датчики очень хорошо обнаруживают объекты, которые относительно большие по сравнению с длинами волн ультразвука (~ 1 см). Ультразвуковые сигналы распространяются в воздухе, поэтому акустические датчики могут быть ненадежными в ситуациях, когда воздух движется с высокой скоростью. если скорость воздуха не может быть измерена и компенсирована.Акустические датчики тоже испытывают трудности проведение надежных измерений в акустически шумной среде.

Производителей

Баллафф, BeStar, Бош, Ди-Сорик, Лонгсан, MaxBotix, Микрозвуковой, Мигатрон, Мицубиси Электрик, Мурата, Pepperl + Fuchs, Rockwell Automation, Сандтрон, Сеникс, SensComp, Больной, Wenglor

Для получения дополнительной информации

[1] Ультразвуковой датчик, Википедия.

[2] Комплект ультразвукового датчика парковки, комплекты Apogee.

[3] Выбор ультразвукового датчика для измерения расстояния или приближения Часть 1, Дональд П. Масса, Сенсоры, 1 февраля 1999 г.

[4] Выбор ультразвукового датчика для измерения расстояния или приближения Часть 2, Дональд П. Масса, Сенсоры, 1 февраля 1999 г.

[5] Ультразвуковые датчики с инженером Джимом Линдбломом, YouTube, 8 июня 2010 г.

[6] Чувствительный ультразвуковой датчик диапазона DIY, Керри Д.Блог Вонга, 22 января 2011 г.

[7] Ультразвуковые датчики, Sensorwiki.

[8] Датчики парковки Vauxhall – Xvision, YouTube, 29 мая 2012 г.

Columbia Research Laboratories, Inc. – Акустические датчики высокой интенсивности

Columbia разработаны для измерения шума, переносимого газами, в промышленных приложениях. Они изготовлены из нержавеющей стали марки 316 для использования в агрессивных средах.Эти датчики предлагают различные варианты разъемов и монтажа, все они в сочетании с цельносварной конструкцией обеспечивают истинное герметичное уплотнение.

Модель	Чувствительность (пКл / psi)	Макс.давление (psi)	Диапазон частот	Монтаж
567M7	1100	550	5.От 2 Гц до 5 кГц	1,125-12 UNF-2A с прямой резьбой
765M20	2200	3,000	От 2 Гц до 8 кГц	Наружная резьба 1 “NPT
765M22	1200	3000	от 2 Гц до 8 кГц	1 “NPT Наружная резьба
765M25	1200	3000	от 2 Гц до 8 кГц	1.125-12 UNF-2A Прямая резьба
765M27	1200	3000	от 2 Гц до 8 кГц	1,125-12 UNF-2A с прямой резьбой
765M30	2100	3,000	от 2 Гц до 8 кГц	1.125-12 UNF-2A Прямая резьба
765M35	2100	3000	от 2 Гц до 8 кГц	1,125-12 UNF-2A с прямой резьбой
938	800	550	от 2 Гц до 15 кГц	3/4 “NPT Наружная резьба
939M10	1200	550	от 2 Гц до 15 кГц	1 “NPT Наружная резьба
939M12	1200	550	от 2 Гц до 15 кГц	1.125-12 UNF-2A Прямая резьба

Исследователи разрабатывают новый акустический датчик для химического и биологического обнаружения

АРГОННА, Иллинойс. – Тестирование на рак яичников или присутствие определенного химического вещества может быть почти таким же простым, как отличить фа-диез от си-бемоль, благодаря новому микроскопическое акустическое устройство, которое было значительно улучшено учеными Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE).

Устройство, известное как датчик поверхностных акустических волн (SAW), обнаруживает изменения частоты волн, которые распространяются через его кристаллическую структуру.Это делает его идеальным для обнаружения присутствия химических веществ или биомаркеров в жидкости или газе. Например, он может обнаруживать раковые белки, прикрепленные к рецептору на поверхности сенсора.

Начальная волна создается физическим явлением, известным как пьезоэлектрический эффект, при котором начальный электрический сигнал преобразуется в механическое смещение. Это смещение принимает форму волны, прошедшей через кристалл.

В датчике на ПАВ сигнал распространяется как сейсмическая волна от входного преобразователя через материал к выходному преобразователю, где он преобразуется обратно в электрический сигнал.«Частота волны определяется скоростью звука, проходящего через материал», – сказал аргоннский ученый-нанолог Субраманиан Санкаранараянан из Центра наноразмерных материалов при Управлении науки Министерства энергетики США в Аргонне.

Полезность этих устройств в качестве датчиков обусловлена способностью исследователей обнаруживать изменения частоты или высоты тона волн по мере их распространения. Изменения высоты звука вызваны изменениями плотности кристаллической среды, которые возникают в результате связывания химических веществ с рецепторами на кристалле или белков с антигенами.«Когда что-то связывается с чувствительным слоем, это меняет волновые свойства, и мы можем ощущать эти изменения», – сказал Шанкаранараянан.

В сотрудничестве с учеными из Университета Южной Флориды Санкаранараянан добавил новую важную функцию в эти устройства, чтобы значительно снизить их энергопотребление и одновременно повысить их чувствительность.

Одно из основных преимуществ этих новых датчиков заключается в том, что их можно, по крайней мере теоретически, сделать портативными и работать от батареек.Однако для этого ученым необходимо найти способ уменьшить мощность, необходимую для работы устройства. «Сделать его портативным – значит иметь возможность работать на очень малой мощности», – сказал Шанкаранараянан.

Датчики на ПАВ первого поколения теряли большую часть входного сигнала из-за свойств кристаллической решетки. Чтобы решить эту проблему, Шанкаранараянан и его коллеги включили заполненные оксидом цинка микрополости, предназначенные для улавливания энергии у поверхности, которая в противном случае была бы потеряна для объемных волн, действуя как бамперы в боулинге.

По словам Шанкаранараянана, микрополости снизили потери энергии на 50 процентов. «Это означает, что мы на один большой шаг ближе к созданию этих портативных биосенсоров», – сказал он.

Работа финансировалась Управлением науки Министерства энергетики США, и два исследования, основанные на исследовании, были опубликованы в Applied Physics Letters 23 июня и IEEE Sensors 29 августа .

Аргоннская национальная лаборатория занимается поиском решений насущных национальных проблем в области науки и технологий.Аргонн – первая в стране национальная лаборатория, которая проводит передовые фундаментальные и прикладные научные исследования практически во всех научных дисциплинах. Исследователи Аргонны тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов, федеральных, государственных и муниципальных агентств, чтобы помочь им решить их конкретные проблемы, продвинуть научное лидерство Америки и подготовить страну к лучшему будущему. Компания Argonne, в которой работают сотрудники из более чем 60 стран, находится под управлением UChicago Argonne, LLC для США.S. Управление науки Министерства энергетики США. Для получения дополнительной информации посетите www .anl .gov.

MARPOSS acoustic sensors

3.5. Универсальные акустические датчики-выключатели. Электронные самоделки

🔺ТЭК установил акустические датчики на сетях.. | ГУП “ТЭК СПб”

выбираем звуковой или оптико-акустический датчик для выключения освещения, схема датчика шума и хлопка для включения света

Что это такое?

Назначение и сфера использования

Преимущества и недостатки

Принцип действия

Разновидности

На городские сети водоснабжения устанавливают акустические данные (СЮЖЕТ)

Датчики с технологией акустических волн | FierceElectronics

Исследование и разработка малошумящих акустических датчиков MEMS | OMRON TECHNICS | Технология

1. Введение

2. Состав акустического датчика MEMS

2.1 Модуль акустического датчика

2.2 Микросхема акустического датчика MEMS

3.Источник шума акустического датчика

3.1 Проблема шума с компактными датчиками

3.2 Источник шума, характерный для устройств с микрометрической шкалой

3.3 Анализ шума на основе модели эквивалентной схемы

3.4 Подход к снижению шума

4. Предложение новой малошумной конструкции

4.1 Конструкция щелевой диафрагмы

4.2 Схема проемов с малым шагом

5. Проверка эффекта шумоподавления

5.1 Метод измерения

5.2 Результаты оценки

5.3 Резюме эффекта шумоподавления

6. Выводы

Благодарности

Список литературы

Обзор высокочастотных акустических сенсоров – QCM, SAW и FBAR – Химические и биохимические приложения

Abstract

1. Введение

2. Акустические датчики QCM, SAW и FBAR

2.1. Сравнение принципа работы

2.2. Сравнение рабочих частот

2.3. Выбор пьезоэлектрического материала

2.4. Зависимость от температуры и частоты

2,5. Работа в жидкой фазе

Таблица 1

3.Примеры применения датчиков

3.1. Биосенсоры

Таблица 2

3.2. Газофазное зондирование

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

4. Преимущества и ограничения

Акустическое зондирование | Океаны в Массачусетском технологическом институте

Дистанционное зондирование со звуком

Наука и техника подводных звуков

Акустическое зондирование, моделирование и связь

Ключевые технологические разработки

Лаборатория автомобильной электроники Clemson: акустические датчики расстояния

Датчики расстояния – акустические

Columbia Research Laboratories, Inc. – Акустические датчики высокой интенсивности

Исследователи разрабатывают новый акустический датчик для химического и биологического обнаружения

Больше новостей

Добавить комментарий Отменить ответ