$\require{physics}$

# Abstract

声表面波就是在表面传播、波矢在面内的波。
通常使用两个叉指电极（interdigitated electrodes，IDT），通过正向和逆向的压电效应，在一个电极上产生声表面波，经过介质传播，另一个电极上产生电压信号。
一些需要测量的属性（例如温度）会影响声表面波的性质，从而被检测出来。

图片来自维基百科。

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# Introduction

这些微型的传感器（sensor）和执行器（actuator）被称为微机电系统（Microelectromechanical Systems, MEMS）。
对于生物传感的方面，The devices have the potential to transform a complete wet laboratory into a tiny, miniaturized chip.

One of the major limitations comes from the requirements of simultaneous sensing and the actuation in an environment
  while engaging with mutually exclusive physics and mechanisms.

为了解决这些问题，基于声表面波的传感器被提出来了，它们可以同时进行传感和执行。
这些器件通常被称为 SAW sensors 或者 SAW devices，但它的功能不局限于传感和执行，还包括 filters, oscillators, transformers, etc.

电到声的转换叫 actuation，声到电的转换叫 sensing。

SAW sensor 用到了非常多的领域。

The acoustic devices are responsive to the physical parameters of the species
  that interact with the mechanical properties of the guided waves in the SAW sensors.

总结来说，要探测的物理参数包括：mass, density, viscosity, elastic modulus, conductivity, temperature, and pressure.

通常来说，可以通过检测波的传播速度来检测需要的物理参数。按照线性近似可以得到：

$$
\dd{V} = \pdv{V}{m}\dd{m} + \pdv{V}{E}\dd{E} + \pdv{V}{M_i}\dd{M_i} + \pdv{V}{e_v}\dd{e_v}
$$

但仅仅通过速度，是无法区分这些量导致的变化的，因此需要更多的信息，常用的包括：
* the change in amplitude of the central frequency
* the frequency shift of the given frequency input,
* kurtosis
* change in phase
* higher-order frequency peaks to measure nonlinearity

SAW sensor 的质量可以通过 sensitivity 和 selectivity 来衡量。
Sensitivity 是指对于某个物理参数的响应程度（而不是直接对测得的电流或电压等的响应程度）。
以受主和受体的结合为例子，sensitivity 是指多少受主被结合就可以检测出来，而 selectivity 是指其它不是目标的受主的出现是否会影响检测结果。

# Types of Waves in SAW Devices

## Rayleigh Waves

瑞丽波的波矢在面内，由纵波和 shear vertical 模式组成，原子运动轨迹是椭圆形的。仅仅存在于表面，有效深度通常小于波长。
地震波在远离震源的地表传播时，就是瑞丽波。

![image-20240104230226306](assets/image-20240104230226306.png)

#TODO: 更详细的性质

## Shear Horizontal Waves

波矢量在面内，原子运动轨迹垂直于波矢且在面内。
可以深入材料大约几个波长的深度，在生物化学传感中有广泛应用，特别适合用于液体中。还有许多其它优点。

#TODO: 更多优点

通常会使用一个 guiding layer 来优化器件的性能，这个 guiding layer 可以使用 SiO2, Si3N4, 和其它多晶材料。

#TODO: 更多理论

![image-20240105112520807](assets/image-20240105112520807.png)

## Lamb Waves

兰姆波穿透整个材料，相当于将薄膜层作为了一个波导。它分为对称和反对称两种，乍一看有点类似光学的平板波导，只不过这个是机械波。

![image-20240105113056845](assets/image-20240105113056845.png)

#TODO: 更详细的理论

## Love Waves

在一种介质（薄膜）中传播时可以穿透整个材料（类似于 SH 波），而在另一种介质中传播时只能在表面传播（类似于瑞利波）。

![image-20240105113614509](assets/image-20240105113614509.png)

#TODO: 更详细的理论

# Materials for the SAW Devices

#TODO


# Configuration of the Interdigitated Electrodes in the SAW Devices

#TODO

# SAW Applications

#TODO

# Conclusions

#TODO