表面弾性波

表面弾性波（SAW ）は、弾性を示す材料の表面に沿って伝わる音波であり、振幅は材料の深さとともに指数関数的に減少し、約1波長の深さに限定されます。^{[2] [3]}

SAW は 1885 年にレイリー卿によって初めて説明されました。彼はその古典的な論文で表面音響伝播モードを説明し、その特性を予測しました。^[4]発見者にちなんで名付けられたレイリー波は、表面と接触する追加層などの媒体と結合できる縦方向および垂直方向のせん断成分を持っています。この結合は波の振幅と速度に大きく影響し、SAW センサーが質量と機械的特性を直接感知できるようになります。「レイリー波」という用語は「SAW」と同義語として使用されることが多いですが、厳密に言えば、縦方向や垂直方向ではなく表面の平面で分極するラブ波など、複数の種類の表面音響波があります。

ラブ波やレイリー波などの SAW は、3 次元ではなく 2 次元で伝搬するだけでよいため、バルク波よりもはるかに長く伝搬する傾向があります。さらに、一般に、それらの速度はバルク波よりも低くなります。

表面弾性波デバイスは、遅延線、フィルタ、相関器、DC/DC コンバータなど、電子システムの使用により幅広い用途に使用できます。これらの SAW デバイスの可能性は、レーダー システムや通信システムで潜在的な分野を提供する可能性があります。

この種の波は、電子回路のSAW デバイスと呼ばれるデバイスでよく使用されます。SAW デバイスは、フィルタ、発振器、変圧器など、音波の変換に基づくデバイスとして使用されます。電気エネルギーから機械エネルギー (SAW の形式) への変換は、圧電材料を使用して行われます。

SAWを採用した電子デバイスは、通常、1つまたは複数のインターデジタルトランスデューサ（IDT）を使用して、石英、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ランタンガリウムケイ酸塩などの特定の材料の圧電効果を利用して、音波を電気信号に、またはその逆に変換します。 ^{[5]これらのデバイスは、研磨、金属化、}フォトリソグラフィー、およびパッシベーション/保護（誘電体）層製造 などの基板洗浄/処理によって製造されます。これらは、シリコン集積回路などの半導体の製造に使用される一般的なプロセスステップです。

レイリー波の伝播は基板材料の表面、その品質、および基板と接触するすべての層に大きく依存するため、デバイスのすべての部分 (基板、その表面、メタライゼーション材料の種類、メタライゼーションの厚さ、フォトリソグラフィーによって形成されたエッジ、メタライゼーションをコーティングするパッシベーション層など) は SAW デバイスのパフォーマンスに影響を及ぼします。たとえば、SAW フィルターでは、サンプリング周波数は IDT フィンガーの幅に依存し、電力処理能力は IDT フィンガーの厚さと材料に関連し、温度安定性は基板の温度挙動だけでなく、IDT 電極に選択された金属と、基板と電極をコーティングする誘電体層にも依存します。

SAW フィルタは現在、携帯電話で使用されており、フィルタリングする必要がある RF 電力に応じて 1.5 ～ 2.5 GHz 未満の周波数では、水晶(バルク波ベース)、LC フィルタ、導波管フィルタなどの他のフィルタ技術に比べて、パフォーマンス、コスト、サイズの面で技術的な利点があります。1.5 ～ 2.5 GHz を超える周波数で SAW を補完する技術は、薄膜バルク音響共振器(TFBAR または FBAR) に基づいています。

表面弾性波センサーの分野では、過去 20 年間に多くの研究が行われてきました。^[6] センサーの用途には、あらゆるセンシング領域 (化学、光学、熱、圧力、加速度、トルク、生物など) が含まれます。SAW センサーは、これまでのところ商業的にそれほど成功していませんが、タッチスクリーンディスプレイなどの一部のアプリケーションでは一般的に市販されています。モータースポーツのパワートレインでのトルク センシング^[7]や高性能航空宇宙アプリケーション^{[8]のほか、高電圧電力伝送などの過酷な環境での温度センシングや、電気モーターのローターでのトルクと温度の組み合わせセンシング[9]}にも効果的に適用されています。

SAW共振器は、より高い周波数で動作できるため、水晶が使用されるのと同じアプリケーションの多くで使用されています。 ^[10] これらは、チューニングが不要な無線送信機でよく使用されます。これらは、ガレージドアオープナーのリモコン、コンピューター周辺機器の短距離無線周波数リンク、およびチャネル化が不要なその他のデバイスなどのアプリケーションでよく使用されます。無線リンクが複数のチャネルを使用する場合、水晶発振器は位相ロックループを駆動するためにより一般的に使用されます。SAWデバイスの共振周波数は結晶の機械的特性によって設定されるため、コンデンサの性能やバッテリー電圧などの条件が温度や経年変化によって大幅に変化する単純なLC発振器ほどドリフトしません。

SAW フィルタは、正確に決定された狭い通過帯域を持つことができるため、ラジオ受信機でもよく使用されます。これは、近接した周波数で動作する送信機と受信機で単一のアンテナを共有する必要があるアプリケーションで役立ちます。SAW フィルタは、信号からサブキャリアを抽出するためにテレビ受信機でもよく使用されます。アナログスイッチオフまでは、テレビ受信機またはビデオレコーダーの中間周波数ストリップからデジタルオーディオサブキャリアを抽出することが、SAW フィルタの主な市場の 1 つでした。

初期のパイオニアであるジェフリー・コリンズは、 1970年代に開発したSkynet受信機に表面弾性波デバイスを組み込みました。この受信機は、既存の技術よりも高速に信号を同期させました。 ^[11]

これらはデジタル受信機でもよく使用され、スーパーヘテロダインアプリケーションに最適です。これは、ローカル オシレーターが受信信号と混合された後、中間周波数信号が常に固定周波数になるため、固定周波数と高いQ を持つフィルターによって、不要な信号や干渉信号が適切に除去されるためです。

これらのアプリケーションでは、SAW フィルタはほとんどの場合、位相ロック ループ合成ローカル発振器またはバリキャップ駆動発振器とともに使用されます。

地震学では、表面音波は地震によって生じる最も破壊的なタイプの地震波となる可能性があり、^[12]海底や岩石などのより複雑な媒体を伝播するため、生活環境を保護するために人々が注目し監視する必要がある。

SAW は量子音響(QA)の分野で重要な役割を果たします。量子音響では、物質と光の相互作用を研究する量子光学 (QO) とは対照的に、量子システム (フォノン、 (準) 粒子、人工量子ビット) と音波の相互作用が分析されます。QA の各波の伝播速度は、QO よりも 5 桁遅くなります。その結果、QA は、QO がカバーしていない波長に関して、量子領域について異なる視点を提供します。^[13]これらの追加の 1 つの例は、エネルギー レベル構造や電磁場への結合など、自然原子の重要な側面をエミュレートする方法で製造された量子ビットと量子ドットの量子光学的調査です。^{[14] [15] [16] [17] [18]これらの人工原子は、サイズが 10 −4} –10 ⁻³ mに達するため、「巨大原子」と呼ばれる回路に配置されます。^{[19]量子光学実験では、一般的に物質と光の相互作用に}マイクロ波場が利用されるが、巨大原子とマイクロ波場の波長の違い（後者の波長は10 ^−2～ 10 ^{−1 mの範囲）のため、より適した波長（10 −6} m）であるSAWが代わりに使用された。 ^[20]

マグノニクスとスピントロニクスの分野では、波数ベクトルと周波数が等しいスピン波と表面音響波の共鳴結合により、一方の形式から他方の形式へ、どちらの方向でもエネルギーを伝達することができる。^[13]これは、例えば、外部磁場の強度と方向の両方に敏感な磁場センサーの構築に有用である。磁歪層と圧電層の構造を使用して構築されたこれらのセンサーは、バッテリーや配線なしで動作し、高温や回転システムなどの広範囲の動作条件に対応できるという利点がある。^[21]

現在の半導体技術の最小スケールでも、各操作は膨大な数の電子によって実行されます。^[22]これらのプロセスに関与する電子の数を減らし、最終目標である単一電子制御を実現することは、大きな課題です。これは、電子が互いに、また周囲と非常に相互作用するため、1つの電子を他の電子から分離することが難しいためです。^[23] SAWの使用は、この目標の達成に役立ちます。SAWが圧電表面で生成されると、歪み波によって電磁ポテンシャルが生成されます。ポテンシャルの最小値は単一の電子を捕捉し、それらを個別に輸送できるようにします。この技術は、当初は電流の標準単位を正確に定義する方法として考えられていましたが、^[24]量子情報の分野でより有用であることが判明しました。^[25]通常、量子ビットは静止しているため、それらの間での情報の転送は困難です。SA​​Wによって運ばれる単一の電子は、いわゆるフライング量子ビットとして使用でき、ある場所から別の場所に情報を転送できます。これを実現するには、単一の電子源と、電子を輸送できる受信機が必要です。これらの静止した電子の閉じ込めには、通常、量子ドット (QD) が使用されます。この電位最小値は、SAW QD と呼ばれることもあります。右側の GIF に示されているように、プロセスは通常、次のようになります。まず、電極間に特定の寸法を持つインターデジタルトランスデューサーを使用して SAW が生成され、好ましい波長が得られます。 ^[22]次に、静止した QD から電子量子が電位最小値、つまり SAW QD にトンネルします。SAW は、電子にいくらかの運動エネルギーを伝達し、電子を前進させます。次に、電子はGaAsなどの圧電半導体材料の表面上の 1 次元チャネルを介して運ばれます。^{[23] [24]}最後に、電子は SAW QD からトンネルして受信機 QD に入り、その後転送が完了します。このプロセスは、両方向に繰り返すこともできます。^[26]

音響振動は、バルク材料内のひずみ誘起圧電場を介して圧電半導体内の移動電荷と相互作用するため、この音響電気（AE）結合はグラフェンなどの2D材料でも重要です。これらの2D材料では、2次元電子ガスのバンドギャップエネルギーは、材料を通過するSAWフォノンのエネルギーよりも一般的にはるかに高くなります。そのため、SAWフォノンは通常、バンド内電子遷移によって吸収されます。グラフェンでは、電子の線形分散関係により、バンド間遷移でSAWを吸収するときに運動量/エネルギー保存が妨げられるため、これらの遷移が唯一の方法です。 ^[27]

移動する電荷と SAW の相互作用により、2D 電子ガスを通過する際にSAW の強度が減少し、SAW 速度が再正規化されることがよくあります。電荷はSAW から運動エネルギーを引き継ぎ、キャリア散乱によってこのエネルギーを再び失います。

SAW の強度減衰とは別に、波が増幅される特定の状況もあります。材料に電圧をかけると、電荷キャリアは SAW よりも高いドリフト速度を得ることができます。次に、電荷キャリアは運動エネルギーの一部を SAW に渡し、SAW の強度と速度を増幅します。逆もまた同様です。SA​​W がキャリアよりも速く移動している場合、SAW は運動エネルギーをキャリアに渡し、速度と強度の一部が失われます。^[28]

近年、SAW を使ってマイクロ流体アクチュエーションやその他のさまざまなプロセスを駆動することに関心が集まっています。SAW 基板と流体の音速の不一致により、SAW は効率的に流体に伝達され、大きな慣性力と流体速度を生み出します。このメカニズムを利用して、ポンピング、混合、噴射などの流体動作を駆動できます。[8] これらのプロセスを駆動するには、液体と基板の界面で波のモードを変更します。基板では、SAW 波は横波であり、液滴に入ると波は縦波になります。[9] この縦波がマイクロ流体液滴内の流体の流れを作り出し、混合を可能にします。この技術は、基板の操作のためのマイクロチャネルやマイクロバルブの代替として使用でき、オープンシステムを可能にします。^[29]

このメカニズムは、液滴操作のための液滴ベースのマイクロ流体工学でも使用されています。特に、SAWを作動メカニズムとして使用して、液滴を2つ^{[30] [31]}またはそれ以上の^[32]出口に向かって押し出し、選別しました。さらに、SAWは液滴サイズの調整、^{[33] [34]}分割、^{[35] [30] [36]}トラッピング、^[37]ピンセット、^[38]およびナノ流体ピペッティングに使用されました。^[36]平面および傾斜面への液滴の衝突は、SAWを使用して操作および制御されています。^{[39] [40]}

PDMS（ポリジメチルシロキサン）は、マイクロチャネルやマイクロ流体チップの作成に使用できる材料です。生きた細胞をテストまたは処理する実験など、多くの用途があります。生物を生かしておく必要がある場合、熱やpHレベルなどの環境を監視および制御することが重要です。ただし、これらの要素が制御されていない場合、細胞が死んだり、望ましくない反応が生じたりする可能性があります。^[41] PDMSは音響エネルギーを吸収し、PDMSが急速に加熱されることが判明しています（2000ケルビン/秒を超える）。 [ ⁴² ]これらのPDMSデバイスをマイクロチャネル内の液体とともに加熱する方法としてSAWを使用することは、現在、温度を0.1℃以内に制御して行うことができる技術です。^{[42] [43]}

フレキシブル表面弾性波（SAW）デバイスの開発は、ウェアラブル技術やマイクロ流体システムの進歩において大きな原動力となっている。これらのデバイスは通常、ポリエチレンナフタレート（PEN）やポリイミドなどのポリマー基板上に製造され、AlNやZnOなどの材料のスパッタリング堆積を利用している。^[44]柔軟性と先進材料の組み合わせにより、さまざまな分野での応用の可能性が拡大している。

表面弾性波は、流量測定に使用できます。SAW は、地震活動に似た波面の伝播に依存しています。波は励起中心で生成され、固体材料の表面に沿って広がります。電気パルスは、地震の波のように伝播する SAW を生成します。インターデジタルトランスデューサは、送信機と受信機として機能します。1 つが送信モードの場合、最も遠い 2 つは受信機として機能します。SAW は測定チューブの表面に沿って移動しますが、一部は液体に結合します。分離角度は、液体と、液体に固有の波の伝播速度によって異なります。測定チューブの反対側では、波の一部がチューブに結合し、その表面に沿って次のインターデジタル トランスデューサまで進み続けます。別の部分は再び結合して測定チューブの反対側に戻り、そこで効果が繰り返され、こちら側のトランスデューサが波を検出します。つまり、ここにあるトランスデューサーのどれか1つを励起すると、遠くにある他の2つのトランスデューサーに一連の入力信号が送られることになります。トランスデューサーのうち2つは流れの方向に信号を送り、残りの2つは反対方向に信号を送ります。^[45]

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