¿Qué son las SAWs?
Las SAWs (Superficial Acoustic Waves) son ondas elásticas que se propagan en las proximidades de la superficie de un material piezoeléctrico. En contraste con las ondas elásticas que se propagan en materiales sólidos, líquidos o gases infinitamente extendidos (bulk), las SAWs presentan una naturaleza de propagación diferente cuando se encuentran cerca de la superficie sólida, ya sea un gas, un líquido, un vacío u otro material sólido.
Cuando se aplica tensión a un material piezoeléctrico, se genera el efecto piezoeléctrico, el cual produce ondas acústicas superficiales (SAWs) que se propagan en dirección específica cerca de la superficie del material. Los transductores interdigitales (IDT) se utilizan como receptor de estas ondas, y pueden emplear monocristales piezoeléctricos, películas finas piezoeléctricas o cerámicas piezoeléctricas como material de sustrato. Si se utiliza un dispositivo de medición de impulsos de alta velocidad en lugar de una fuente de alimentación de alta frecuencia, los IDT pueden funcionar como receptores.
La velocidad de propagación de las SAWs generalmente se encuentra en el rango de 1-5 km/s, que es aproximadamente una centésima de la velocidad de las ondas electromagnéticas. Esta característica de baja velocidad de propagación permite la miniaturización de los circuitos que utilizan SAWs.
Principio de las SAWs
Cuando se coloca un material piezoeléctrico entre dos electrodos y se aplica una tensión a través de los electrodos, se produce una tensión eléctrica (efecto piezoeléctrico) en el material. Del mismo modo, cuando se aplica una tensión mecánica al material piezoeléctrico, se genera una carga eléctrica (efecto piezoeléctrico inverso). Estas propiedades piezoeléctricas forman la base de los dispositivos SAW.
Un dispositivo SAW utiliza un par de electrodos en forma de peine dispuestos sobre un sustrato de material piezoeléctrico, de modo que los peines estén alineados alternativamente. Este dispositivo se conoce como transductor interdigitado (IDT). Cuando se aplica una tensión de alta frecuencia entre los dos electrodos, el IDT genera ondas acústicas superficiales (SAW) de alta frecuencia y funciona como un generador de SAW.
Además, el IDT puede recibir SAWs. Cuando una SAW llega al IDT, se genera una tensión de alta frecuencia en el dispositivo, y este actúa como receptor de SAWs. El número y la forma de los peines del IDT, así como el material y el grosor del sustrato, pueden ajustarse para generar y recibir SAWs con diferentes características.
Al transmitir y recibir SAWs utilizando el transmisor y el receptor, es posible modular la frecuencia de la SAW al detectar las propiedades del sustrato entre el transmisor y el receptor o al colocar películas o elementos específicos en el sustrato. Esta capacidad de modular la frecuencia es la razón por la cual las SAWs se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones.
Usos de las SAWs
El campo de aplicación de los SAWs se ha ampliado considerablemente. A continuación se ofrecen algunos ejemplos:
1. Aplicación a Componentes Electrónicos
Los filtros SAW, que utilizan dos IDT como transmisor y receptor para filtrar señales eléctricas, son el uso más común de los SAW. Las características de filtrado de los filtros SAW pueden ajustarse mediante la anchura y el grosor de los electrodos IDT y la elección del material.Los filtros SAW se utilizan ampliamente en teléfonos móviles, receptores de radio, receptores de TV y receptores digitales. Los filtros SAW se utilizan mucho en teléfonos móviles, receptores de radio, receptores de TV y receptores digitales.
2. Micromanipulación de Líquidos y Gotas
Las bombas microfluídicas pueden fabricarse colocando gotitas microfluídicas sobre un sustrato y utilizando el hecho de que las ondas SAWs se transfieren al fluido sobre el sustrato y pueden acelerar el fluido debido a las grandes fuerzas de inercia. En el sustrato, la onda SAWs es una onda transversal, y cuando entra en la gota se convierte en una onda longitudinal y crea un vórtice, lo que provoca un efecto de mezcla de las gotas de fluido. Las SAWs se utilizan como mecanismo impulsor para empujar las gotas hacia dos o más salidas para su clasificación. También se utilizan para dimensionar y dividir las gotas.
3. Sensores de Caudal
Se colocan varios IDT (transmisores y receptores) en el exterior de una tubería que fluye con líquido, normalmente no húmedo. Las ondas acústicas superficiales generadas por un transmisor se propagan también en el líquido con un ángulo determinado, produciendo ondas recibidas en sentido directo e inverso a medida que atraviesan el líquido. La diferencia de tiempo entre las ondas emisoras y receptoras, que atraviesan el líquido una o varias veces, se correlaciona con la velocidad del flujo. Comparando y calculando la diferencia de tiempo entre las ondas emisoras y receptoras, se puede medir el caudal y otros parámetros.
4. Aplicación a Sensores de Gas
Se forma una película delgada sensible a las moléculas de gas entre dos IDT sobre el sustrato. La frecuencia de los SAWs cuando se adsorben moléculas de gas en la película delgada y la cantidad de gas adsorbido pueden determinarse a partir de características como la amplitud. El tipo de gas puede identificarse por el material de la película fina. En el caso del hidrógeno, se utilizan aleaciones de Pd o Pd-Ni.
5. Aplicación a Paneles Táctiles
En un panel táctil del tipo de ondas acústicas supersuperficiales (SAW), la posición de la pantalla al ser tocada por un dedo se detecta por la atenuación de las ondas acústicas supersuperficiales.
Dos IDT situados en las cuatro esquinas del sustrato de cristal emiten ondas SAW que se transmiten en forma de vibraciones a la superficie del panel y son recibidas por los dos IDT situados en el lado opuesto. Cuando un dedo toca la pantalla, las ondas elásticas superficiales supercardioides se atenúan y la posición en el panel táctil puede identificarse detectando el cambio de amplitud en el receptor.
6. Aplicaciones para Mejorar la Resistencia de los Ordenadores a las Radiaciones
Se colocan elementos SAWs de 5 x 5 en la memoria caché L1 (aprox. 256 kB) para el intercambio de datos a alta velocidad con la CPU del ordenador. La posición de la aparición de un fenómeno (error blando) que invierte los datos de la memoria cuando se inyectan partículas cargadas en un entorno de radiación como el espacio exterior puede calcularse a partir de la diferencia de tiempo en la llegada de las señales de ondas de choque a los 25 elementos SAWs.
7. Aplicaciones a los Ordenadores Cuánticos
Para crear un ordenador cuántico práctico se necesita una gran integración de qubits (la unidad más pequeña de información cuántica). La aplicación de un voltaje de alta frecuencia variable en el tiempo a un electrodo en forma de peine especialmente estructurado (chirped IDT) produce ondas acústicas superficiales en un amplio ancho de banda.
Los bits cuánticos pueden transferirse colocando un solo electrón en un pulso SAW aislado formado por la superposición de ondas acústicas superficiales en fase y la cancelación de las ondas no deseadas.
Más Información sobre las SAWs
Acerca de los Materiales Piezoeléctricos
Los materiales piezoeléctricos, que pueden utilizarse tanto para funciones de sensores como de actuadores, pueden clasificarse a grandes rasgos en monocristales piezoeléctricos, láminas delgadas piezoeléctricas y cerámicas piezoeléctricas. Los monocristales se caracterizan por sus bajas pérdidas de propagación y pueden utilizarse en una amplia gama de frecuencias. En particular, sólo los monocristales se utilizan como materiales para altas frecuencias.
Cuando se desarrollaron por primera vez los materiales piezoeléctricos de monocristal, se utilizaron monocristales de niobato de litio (LiNbO3: LN) y tantalato de litio (LiTaO3: LT). En la actualidad, se están desarrollando monocristales compuestos con una estructura cristalina de tipo perovskita característica de los compuestos de metales de transición formados por sistemas ternarios, como la solución sólida de niobato de zinc-plomo-titanato de plomo (PZNT) y la solución sólida de niobato de magnesio-plomo-titanato de plomo (PMZT).
Las cerámicas piezoeléctricas tienen la ventaja de que pueden obtenerse SAWs de gran amplitud, pueden fabricarse fácilmente en serie y son relativamente estables porque son óxidos, por ejemplo PZT y BaTiO3.
Se están utilizando materiales piezoeléctricos más finos para evitar que las ondas elásticas se filtren en el sustrato y dañen las características de los SAWs. Esto puede conseguirse, por ejemplo, formando una fina película de material piezoeléctrico monocristalino sobre una capa con alta velocidad del sonido. Entre los materiales piezoeléctricos de película fina se incluyen ZnO, AIN / ScAIN, KNN y PLA.