Akustik Sensor bag.#1

Sensor gelombang Akustik adalah alat yang sangat serbaguna yang baru menyadari potensinya. Tutorial ini akan membahas sensor akustik dari teori fisika, materi yang digunakan, dan aplikasinya di dunia industri serta beberapa tipe sensor akustik.

Perangkat gelombang akustik telah digunakan secara komersial selama lebih dari 60 tahun. Industri telekomunikasi adalah konsumen terbesar, terhitung 3 milyar filter gelombang akustik setiap tahun, terutama untuk ponsel dan BTS. Type yang digunakan biasanya surface acoustic wave (SAW), yang berfungsi sebagai filter bandpass baik dalam frekuensi radio dan frekuensi menengah yang merupakan bagian dari transceiver elektronik. Beberapa aplikasi yang muncul untuk perangkat gelombang akustik sebagai sensor akhirnya bisa memenuhi permintaan pasar telekomunikasi. Ini termasuk aplikasi untuk otomotif (torsi dan sensor tekanan ban), aplikasi medis (sensor kimia), dan industri dan aplikasi komersial (uap, kelembaban, temperatur, dan sensor massa). sensor gelombang akustik memiliki harga yang kompetitif, inheren kasar, sangat sensitif, dan pada hakekatnya dapat diandalkan. Beberapa tipe juga mampu menjadi sensor pasif dan berpropagasi secara nirkabel (tidak ada sumber daya yang diperlukan sensor).

Teknologi Gelombang Akustik

Dinamakan sensor gelombang akustik karena mekanisme kerjanya adalah mekanik, akustik, gelombang. Penjalaran gelombang akustik melalui atau diatas permukaan material, perubahan apapun pada karakteristik perambatan jalur mempengaruhi kecepatan dan / atau amplitudo gelombang. Perubahan kecepatan dapat dipantau dengan mengukur frekuensi atau fasa karakteristik sensor dan kemudian dapat dihubungkan dengan kuantitas fisik yang sesuai yang sedang diukur.

Hampir semua perangkat gelombang akustik dan sensor menggunakan bahan piezoelectric untuk menghasilkan gelombang akustik. Piezoelektrik ini ditemukan oleh Pierre dan Paul-Jacques Curie bersaudara pada tahun 1880, yang kemudian pada tahun 1881 diberi nama oleh Wilhelm Hankel, dan tetap menyisakan rasa keingintahuan yang besar hingga tahun 1921 ketika Walter Cady menemukan resonator kuarsa untuk menstabilkan osilator elektronik. Menerapkan medan listrik yang sesuai untuk bahan piezoelectric menciptakan stres mekanis. piezoelectric sensor gelombang akustik menggunakan medan listrik osilasi untuk menciptakan gelombang mekanik, yang menyebar melalui substrat dan kemudian diubah kembali ke medan listrik untuk pengukuran.

Bahan piezoelektrik Substrat

Gambar 1. alat gelombang akustik yang diproduksi melalui proses photolithographic serupa dengan yang digunakan untuk membuat IC. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa tidak ada “junction” di sensor gelombang akustik.

Di antara bahan substrat piezoelectic yang dapat digunakan untuk sensor gelombang akustik dan perangkatnya, yang paling umum adalah kuarsa (SiO2), lithium tantalit (LiTaO3), dan, dengan tingkat lebih rendah, lithium niobate (LiNbO3). Masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan tertentu, yang mencakup biaya, ketergantungan temperatur, redaman, dan kecepatan propagasi. Satu sifat menarik dari kuarsa adalah bahwa adalah mungkin untuk memilih ketergantungan suhu bahan dipotong oleh sudut dan arah propagasi gelombang. Dengan pemilihan yang tepat, efek orde pertama temperatur dapat diminimalkan. Sebuah sensor suhu gelombang akustik dapat dirancang dengan memaksimalkan efek ini. Ini tidak benar dari niobate lithium atau lithium tantalit, dimana suhu ketergantungan linier selalu ada untuk semua potongan bahan dan arah propagasi. bahan lain dengan potensi komersial termasuk gallium arsenide (GaAs), silicon carbide (SiC), langasite (mencermati), oksida seng (ZnO), aluminium nitrida (AlN), timbal zirkonium titanat (substrate), dan fluorida polyvinylidene (PVDF).

Pembuatan Perangkat Gelombang Akustik

Gambar 2. Perangkat gelombang akustik khas terdiri dari dua set transduser interdigital. Satu transduser mengubah energi medan listrik menjadi energi gelombang mekanik, yang lain mengubah energi mekanik kembali ke medan listrik.

Manufaktur dimulai dengan memoles secara hati-hati dan membersihkan substrat piezoelektrik. Logam, biasanya aluminium, kemudian diendapkan bersamaan ke substrat. Perangkat ini sekelilingnya dilapisi dengan photoresist dan dipanggang hingga mengeras. Kemudian di expose dengan sinar UV melalui pelindung dengan daerah yang tidak tembus cahaya sesuai dengan area yang akan di metalized pada hasil akhir. Wilayah-wilayah yang terkena paparan mengalami perubahan kimia yang memungkinkan mereka untuk dihapus dengan developing solution (bahan kimia). Akhirnya, sisa photoresist dihapus. Pola logam yang tersisa pada perangkat disebut transduser interdigital, atau IDT. Dengan mengubah panjang, lebar, posisi, dan ketebalan dari IDT, kinerja sensor dapat dimaksimalkan.

Mode Perambatan Gelombang Akustik

Perangkat gelombang Akustik dapat digambarkan dengan mode perambatan gelombang yang melalui atau pada substrat piezoelektrik. Akustik gelombang dibedakan terutama oleh kecepatan dan arah perpindahan; banyak kombinasi yang mungkin, tergantung pada material dan keterbatasan kondisi. IDT setiap sensor memberikan medan listrik yang diperlukan untuk menggantikan substrat dan dengan demikian membentuk gelombang akustik. Penjalaran gelombang melalui substrat, di mana terjadi konversi kembali ke medan listrik di IDT di sisi lain. Gambar 2 menunjukkan konfigurasi khas perangkat gelombang akustik. Melintang, atau geser, gelombang memiliki perpindahan partikel yang normal terhadap arah propagasi gelombang dan yang dapat terpolarisasi sehingga perpindahan partikel baik paralel atau normal ke permukaan penginderaan (surface sensing). gerakan gelombang geser horizontal menandakan perpindahan transversal terpolarisasi sejajar dengan permukaan penginderaan; gerakan vertikal menunjukkan perpindahan geser melintang normal ke permukaan.

Gambar 3. Meskipun perangkat akustik gelombang tertua, resonator dengan mode ketebalan geser masih digunakan untuk mengukur tingkat deposisi logam.

Sebuah gelombang yang merambat melalui substrat disebut gelombang massal. Perangkat gelombang akustik massal (BAW: Bulk acoustic wave) yang paling umum digunakan adalah mode ketebalan geser (TSM: Thickness shear mode) resonator dan sensor modus pelat geser-horizontal akustik (SH-APM: shear-horizontal acoustic plate mode).

Jika penjalaran gelombang terjadi pada permukaan substrat, dikenal sebagai gelombang permukaan. Perangkat gelombang permukaan yang paling banyak digunakan adalah sensor akustik gelombang permukaan dan sensor akustik gelombang permukaan geser-horizontal (SH-SAW: shear-horizontal surface acoustic wave), juga dikenal sebagai sensor gelombang permukaan melintang (STW).

Semua perangkat gelombang akustik adalah sensor karenanya perangkat itu peka terhadap gangguan dari parameter fisik yang berbeda. Setiap perubahan karakteristik dalam perjalanan penjalaran gelombang akustik akan menghasilkan perubahan output. Semua sensor akan berfungsi dalam lingkungan gas atau vakum, tetapi hanya sebagian dari sensor itu yang akan beroperasi secara efisien ketika kontak langsung dengan cairan. TSM, SH-APM, dan SH-SAW semua menghasilkan gelombang yang merambat terutama dalam gerakan geser horisontal. Gelombang geser horizontal tidak memancarkan energi yang cukup ke dalam cairan. Sebaliknya, sensor SAW memiliki permukaan-normal perpindahan substansial yang memancarkan gelombang kompresi ke dalam cairan, sehingga menyebabkan redaman berlebihan. Pengecualian terhadap peraturan ini terjadi untuk perangkat yang menggunakan gelombang yang merambat dengan kecepatan lebih rendah dari kecepatan suara dalam cairan. Terlepas dari komponen perpindahan, mode tersebut tidak memancarkan koheren dan karena itu relatif undamped oleh cairan.

Gelombang akustik lain yang menjanjikan untuk sensor termasuk gelombang pelat lentur (FPW: flexural plate wave), Love wave, gelombang permukaan-skimming bulk (SSBW: surface-skimming bulk wave), dan Lamb wave.

Tulisan saya yang berikutnya akan membahas tentang jenis sensor dan contoh aplikasinya.

Advertisements

One thought on “Akustik Sensor bag.#1

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s