Novel high-resolution BAW ultrasonic sensors based on CMOS-compatible AlN transducers operated in a pulse-echo scheme
Les tecnologies i els dispositius d’ones acústiques han estat en ús comercial per a telecomunicacions, detecció de pressió per a automoció, proves no destructives i atenció mèdica durant més de 60 anys; la seva aplicació també s’estén a la indústria i acadèmia, on es poden trobar desenes de sensors...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2023 |
| País: | España |
| Institución: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/690603 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10803/690603 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Transductors acústic Transductores acusti Acoustic transducers Ultrasò Ultrasonido Ultrasound MEMS Tecnologies 531/534 |
| Sumario: | Les tecnologies i els dispositius d’ones acústiques han estat en ús comercial per a telecomunicacions, detecció de pressió per a automoció, proves no destructives i atenció mèdica durant més de 60 anys; la seva aplicació també s’estén a la indústria i acadèmia, on es poden trobar desenes de sensors físics, químics i biològics. La majoria dels dispositius d’ones acústiques es poden fer servir com a sensors perquè són sensibles a les pertorbacions mecàniques, químiques o elèctriques a les seves superfícies, podent monitoritzar no només els canvis de massa/densitat, sinó també els canvis en el mòdul elàstic, la viscositat , les propietats dielèctrics i de conductivitat. Exemples de sensors basats en ones acústiques inclouen: sensors de temperatura, humitat, tensió, pressió, xoc, acceleració, flux, viscositat, contaminants iònics, nivells de pH, camps elèctrics, magnètics i de radiació, gas i explosius. La microbalança de vidre de quars (QCM) representa el mecanisme de funcionament típic de la majoria dels dispositius d’ones acústiques: en aplicar un voltatge altern als seus elèctrodes, l’estructura experimenta deformacions a una determinada freqüència ressonant que canvia depenent de les pertorbacions a la seva superfície, com l’addició o eliminació de massa o canvis al seu entorn. Tot i l’ús extensiu de QCM en diverses disciplines de la ciència i la tecnologia, els dispositius actuals d’ones acústiques de pel·lícula prima fabricats amb tecnologia MEMS són més petits, més prims, poden integrar-se monolíticament amb circuits CMOS i ofereixen més resolució, oferint així producció massiva i de baix cost de microsensors d’ones acústiques llestos per ser integrats en sistemes Lab-on-a-Chip. Els ressonadors acústics de pel·lícula fina (FBAR) són els darrers desenvolupaments en dispositius d’ones acústiques; tenen una estructura similar als dispositius QCM però amb l’avantatge de ser diversos ordres de magnitud més petits i capaços de treballar al rang de GHz, cosa que els proporciona una sensibilitat superior. Desafortunadament, els FBAR de tipus membrana tenen un baix rendiment en fabricació a causa de la tensió residual i quan funcionen com a sensors tendeixen a ser trencadissos quan se submergeixen en entorns líquids, mentre que els FBAR que usen miralls acústics requereixen múltiples passos de deposició controlats amb precisió per als miralls acústics, cosa que augmenta la complexitat del dispositiu i fa que el seu rendiment depengui de defectes de fabricació. El senyal de sortida de la majoria dels sensors d’ones acústiques és el canvi de freqüència dels seus modes de ressonància, que es correlacionen amb el mesurament quantitatiu dels canvis físics a la superfície de detecció. Això darrer representa un dels principals inconvenients dels actuals dispositius d’ones acústiques; la majoria requereixen mecanismes elaborats per al control del senyal i circuits de lectura relativament complexos capaços de detectar canvis de freqüència a la corba d’impedància causats per canvis en la càrrega acústica acoblada al ressonador. Per superar aquest problema, aquest treball descriu el disseny, la simulació, la caracterització i les proves d’un sensor BAW que opera de manera longitudinal capaç d’estudiar les propietats de compressió dels fluids en interrogar les mostres líquides amb polsos curts d’ultrasò. Això permetria aplicacions com la identificació i classificació de diferents líquids a microescala o lestudi de canvis de concentració de barreges simplement mesurant la diferència en el nivell de voltatge de sortida. Aquesta contribució supera les restriccions actuals dels ressonadors acústics de pel·lícula, com ara la fragilitat d’operació en ambients líquids, l’alt cost de fabricació o les limitacions quant a microcanals estrets; oferint una alternativa a les aplicacions que demanen ultra baix consum, miniaturització, versatilitat i facilitat de lectura. |
|---|