sensor de ondas acústicas superficiales

El dispositivo básico, compuesto por dos transductores interdigitados (IDT) separados por una cierta distancia en la superficie de un sustrato piezoeléctrico, permite detectar fenómenos como presión, deformación, torsión, temperatura y masa. Estos fenómenos pueden provocar un cambio de longitud a lo largo de la superficie del dispositivo. Dicho cambio afecta tanto al espaciado entre los electrodos interdigitados (modificando el paso) como al espaciado entre los IDT (modificando el retardo). Esto se puede detectar como un desfase, un cambio de frecuencia o un retardo temporal en la señal eléctrica de salida.

La medición fundamental de un sensor de ondas acústicas superficiales suele ser la deformación. Cuando se coloca un diafragma entre un entorno a presión variable y una cavidad de referencia a presión fija, el diafragma se dobla en respuesta a una diferencia de presión. A medida que el diafragma se dobla, la distancia a lo largo de la superficie en compresión aumenta. Un sensor de presión de ondas acústicas superficiales reemplaza el diafragma con un sustrato piezoeléctrico con electrodos interdigitados o conecta un diafragma más grande al sustrato para generar una deformación medible en el dispositivo. Al medir el par, se mide la deformación superficial principal del eje en la dirección de rotación, ya que su aplicación al sensor provoca una deformación del sustrato piezoeléctrico. Un sensor de temperatura de ondas acústicas superficiales puede fabricarse con un sustrato piezoeléctrico con un coeficiente de dilatación térmica relativamente alto en la dirección longitudinal del dispositivo. La detección de temperatura y la detección de deformación pueden combinarse en un solo dispositivo para compensar la temperatura del sistema de detección.

Gracias a la capacidad de los sensores de ondas acústicas superficiales para operar en entornos con interferencias electromagnéticas y cerca de imanes, se ha descubierto que pueden integrarse en motores eléctricos para mejorar el control mediante la medición activa del par y la temperatura del eje del rotor. También se han aplicado a sistemas de control robótico para proporcionar retroalimentación dinámica del par en el movimiento del robot , reduciendo así las vibraciones .

La acumulación de masa en la superficie de un sensor de ondas acústicas afectará a la onda acústica superficial a medida que viaja a través de la línea de retardo. La velocidad v de una onda que viaja a través de un sólido es proporcional a la raíz cuadrada del producto del módulo de Young E y la densidad.${\displaystyle \scriptstyle \rho }$del material.

${\displaystyle v\propto {\sqrt {E/\rho }}}$

Por lo tanto, la velocidad de la onda disminuirá con la adición de masa. Este cambio se puede medir mediante una variación en el retardo temporal o el desfase entre las señales de entrada y salida. También se puede medir la atenuación de la señal, ya que el acoplamiento con la masa superficial adicional reduce la energía de la onda. En el caso de la detección de masa, dado que el cambio en la señal siempre se debe a un aumento de masa con respecto a una señal de referencia sin masa adicional, la atenuación de la señal se puede utilizar eficazmente.

Los sensores de vapor químico utilizan la aplicación de una fina película de polímero a través de la línea de retardo, que absorbe selectivamente el gas o los gases de interés. Una matriz de estos sensores con diferentes recubrimientos poliméricos puede utilizarse para detectar una amplia gama de gases en un solo sensor con una resolución de hasta partes por billón, lo que permite la creación de un "laboratorio en un chip" de alta sensibilidad.

Se puede colocar una capa biológicamente activa entre los electrodos interdigitados que contiene anticuerpos inmovilizados. Si el antígeno correspondiente está presente en una muestra, se unirá a los anticuerpos, lo que provocará una acumulación en el dispositivo. Estos sensores se pueden utilizar para detectar bacterias y virus en muestras, así como para cuantificar la presencia de ciertos ARNm y proteínas.

Los sensores de humedad por ondas acústicas superficiales requieren un enfriador termoeléctrico además del dispositivo de ondas acústicas superficiales. El enfriador termoeléctrico se coloca debajo del dispositivo. Ambos se alojan en una cavidad con una entrada y una salida de gases. Al enfriar el dispositivo, el vapor de agua tiende a condensarse en su superficie, generando una acumulación de humedad.

Los dispositivos de ondas acústicas superficiales se vuelven sensibles a las longitudes de onda ópticas mediante el fenómeno conocido como transporte de carga acústica (ACT), que implica la interacción entre una onda acústica superficial y los portadores de carga fotogenerados de una capa fotoconductora. Los sensores de radiación ultravioleta utilizan una fina capa de óxido de zinc a través de la línea de retardo. Al exponerse a la radiación ultravioleta, el óxido de zinc genera portadores de carga que interactúan con los campos eléctricos producidos en el sustrato piezoeléctrico por la onda acústica superficial viajera. ^{[ 4 ]} Esta interacción produce disminuciones medibles tanto en la velocidad como en la amplitud de la señal de la onda acústica.

Los materiales ferromagnéticos (como el hierro, el níquel y el cobalto) modifican sus dimensiones físicas en presencia de un campo magnético aplicado, una propiedad denominada magnetostricción. El módulo de Young del material depende de la intensidad del campo magnético ambiental. Si se deposita una película de material magnetostrictivo en la línea de retardo de un sensor de ondas acústicas superficiales, el cambio en la longitud de dicha película, en respuesta a una variación del campo magnético, generará tensión en el sustrato subyacente. La deformación resultante (es decir, la deformación de la superficie del sustrato) produce cambios medibles en la velocidad de fase, el desfase y el retardo temporal de la señal de la onda acústica, lo que proporciona información sobre el campo magnético.

Los dispositivos de ondas acústicas superficiales se pueden usar para medir cambios en la viscosidad de un líquido colocado sobre ellos. A medida que el líquido se vuelve más viscoso, la frecuencia de resonancia del dispositivo cambia en consecuencia. Se necesita un analizador de redes para visualizar la frecuencia de resonancia.