Влияние сорбции и тепловых воздействий на распространение акустических волн в твердотельных структурах

• Автор: Анисимкин, Иван Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 149 с.

Содержание
Введение

Глава1. Обзор литературы

1.1. Акустические датчики газов

1.1.1. Метод кварцевого микробаланса

1.1.2. Метод поверхностных акустических волн (ПАВ)

1.2. Датчики жидкостей на поверхностных акустических волнах

1.2.1. Механизм вязкоупругого взаимодействия

1.2.2. Механизм массовой нагрузки

1.2.3. Механизм электроакустического взаимодействия

1.2.4. Тепловой механизм

Глава 2. Анизотропия парциальных вкладов и суммарной величины газового отклика ПАВ
2.1.Ориентационные зависимости ПАВ на кристаллографических плоскостях пьезокварца и ниобата лития
2.2.Анализ анизотропии на основных плоскостях кварца и ниобата лития, оптимизация аналитических измерительных элементов
2.3.Испытательные стенды. Методика измерений
2.4.Аналитические измерительные элементы (лабораторные макеты)
2.4.1. Конструкция
2.4.2. Принцип действия
2.4.3. Результаты испытаний аналитического элемента
Глава 3. Акустические моды в пластинах кварца при изменении параметров пластины и внешних воздействиях
3.1.Свойства пластинчатых мод при изменении параметров пластины
3.2.Свойства пластинчатых мод при внешних воздействиях
3.2.1. Воздействие температуры
3.2.2. Воздействие массово-упругой нагрузки поверхности
3.2.3. Воздействие электрической нагрузки поверхности
3.3. Экспериментальное исследование пластинчатых мод
3.3.1. Температурная чувствительность пластинчатых мод
3.3.2. Чувствительность пластинчатых мод к сорбции из газовой фазы

Глава 4. Изучение поверхностных тепловых процессов с помощью акустических волн различного типа
4.1.Методика акустического изучения тепловых процессов
4.2.Теоретический профиль температур
4.3. Результаты акустического исследования процесса испарения микрокапель
Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Нобелевский лауреат Эмилио Сегре в своей замечательной книге-воспоминании о великом итальянском ученом Энрико Ферми, также Нобелевском лауреате, написал: “Различных физиков привлекают разные аспекты науки. Одни стремятся только к общим, фундаментальным принципам, другие охотятся за новыми явлениями, третьи любят точные измерения, четвертые разрабатывают новые приборы или методы. Эти стремления не исключают одно другое, они даже часто дополняют друг друга, и все они необходимы для развития физики”[1].
Приведенные слова в полной мере относятся к работам в области акустоэлекгроники, которые находятся на стыке акустики твердого тела, физики полупроводников и радиоэлектроники. Долгие годы эти работы были направлены на исследование материалов, акустоэлектронных и акустооптических эффектов и разработку устройств для преобразования и аналоговой математической обработки радиосигналов; при этом изменениями акустических волн под влиянием температуры, газов окружающей среды и других внешних воздействий стремились избежать. В последние 10-15 лет в рамках того же научного направления бурное развитие получили работы, объектом исследования которых стали собственно внешние воздействия, процессы и среды, которые располагаются на границе области непосредственного распространения акустических волн - то есть на границе “твердое тело-газ” или “твердое тело-жидкость”. Интерес к этим работам, в полном соответствии со словами Э. Сегре, обусловлен возможностью создания новых приборов и методов для контроля окружающей среды, химической и биологической защиты, аналитической химии, биологии, медицины и других областей науки и техники.
По сравнению с известными методами, основанными на иных физических принципах, детектирование внешних воздействий по изменениям амплитуды и скорости акустических волн (акустическому отклику) сулит ряд неоспоримых преимуществ: широкий спектр акустических колебаний позволяет надеяться на оптимизацию акутической волны в зависимости от каждой конкретной задачи в отдельности, чувствительность волн одновременно к нескольким воздействиям открывает возможность многопараметрического анализа приграничных сред и процессов, а частотный вид акустического отклика облегчает совмещение таких устройств с цифровыми системами обработки данных и повышает точность измерений. Особенно большие надежды связываются с анизотропией распространения акустических волн в монокристаллических материалах, поскольку именно она позволяет варьировать величину, знак и временную
Делается вывод, что из рассмотренных 3-х типов волн именно SH-моды в структуре слой на полупространстве могут быть сделаны наиболее чувствительными и, следовательно, более пригодными для использования в (био)химических анализаторах.
Подробное исследование коэффициента электромеханической связи к2 и чувствительности к массовой нагрузке мод Лява проведено в работе [83] для структуры подложка STjX-SiCb/nneHKa SiO; толщиной 0.9 и 1.46 мкм. ВШП располагались на границе «слой-полупространство», что улучшило их эффективность и исключило соприкосновение с жидкостью. Методом возмущений получена формула для массовой чувствительности мод. Для каждой из них определено оптимальное соотношение толщины пленки h к длине волны X , при котором величина к2 достигает максимума. Эксперимент приводится с использованием линий задержки на ST.X-SiCh/SiCh с X = 40, 32, 24, 16 мкм и h = 0.9 и 1.46 мкм. Значения фазовых скоростей мод, измеренные в эксперименте, несколько превысили теоретически предсказываемые, что приписывается реально большей жесткости напыленного SiC>2. Для исследования чувствительности к массовой нагрузке на линию задержки напыляли фоторезисгивный слой, толщина 1.46 и 1.15 мкм которого, однако, значительно превышала толщины реальных биологических слоев (обычно порядка 100 нм).
В работе [84] для детектирования массовой нагрузки исследовано устройство на основе сдвиговых поверхностных волн STW, «подтягиваемых» к поверхности ST,X+90°-SiO2 (толщина 0.5 мм) решеточной структурой и слоями Au, Al, S1O2. Показано, что действие решетки более эффективно, чем однородного по толщине слоя той же массы. Подача воды в емкость объемом ~ 10 мкл вносила дополнительное поглощение волны на 7 дБ (частота 252 МГц). Применение такого устройства в качестве биодатчика исследовалось на примере иммобилизации антигенов (human IgG) на пленку антител. Время срабатывания датчика составило несколько часов. Чувствительность к массовой нагрузке при осаждении human IgG на поверхность в этом устройстве достигала ~ 33 нмоль/л. Для сравнения, в других работах она составляла 90 кГц/(нг-см2) (частота 180 МГц) [41] и 185 см2/г (частота 122.5 МГц) [49]. Однако, в любом случае это на порядок ниже достигнутых другими методами в медицине (пкмоль/л).
Несколько лучшие результаты получены в работе [86], где для детектирования взаимодействия «антиген-антитело» в жидком растворе использовались утекающие волны преимущественно SH-поляризации в 36°YX-LiTa03 частотой 115 и 245 МГц. Поверхность распространения покрывалась слоем хром-золото и протеином А и антителом -иммуноглобулином rabbit antigoat IgG. Для уменьшения неспецифического связывания антигенов, поверхность была также подвергнута воздействию BSA в буферном растворе.