Ingenieure der University of Queensland in Australien haben einen neuen Ultraschallsensortyp entwickelt, dessen Empfindlichkeit den Analoga deutlich überlegen ist. Der Sensor wurde als Ultraschall bezeichnet. Er ist in der Lage, die Schwingungen einzelner Zellen und Bakterien im menschlichen Körper zu erfassen und zu beurteilen, ob sie normal funktionieren.
Wir erzählen, wie es angeordnet ist.
Foto Saroj Regmi / CC BYWarum brauchen wir so einen Sensor?
Ultraschall wird aktiv bei der Diagnose von Krankheiten eingesetzt, beispielsweise für Ultraschall. Bei einem klassischen Ultraschallgerät bestehen der Sender und der Empfänger aus piezoelektrischen Kristallen. Wenn eine alternierende elektrische Ladung an sie angelegt wird, treten mechanische Schwingungen auf. Schwingungen erzeugen hochfrequente Schallwellen, die außerhalb des menschlichen Gehörs liegen.
Diese Wellen werden von Oberflächen mit hoher akustischer Impedanz reflektiert. Piezoelektrische Elemente registrieren diese Reflexionen und ermöglichen es, ein Bild eines Objekts auf dem Monitorbildschirm zu erzeugen. Solche Systeme haben jedoch einen wichtigen Nachteil - niedrige Auflösung. Mit ihrer Hilfe können Sie ein detailliertes Bild des inneren Organs erhalten, aber Sie können keine einzelne Zelle registrieren.
Forscher der University of Queensland in Australien haben sich verpflichtet, dieses Problem zu lösen. Sie entwickelten einen hochempfindlichen Sensor, der die Bewegung von Zellen und sogar Luftmolekülen erfassen kann.
Wie die Erfindung funktioniert
Im Gegensatz zu klassischen piezoelektrischen Elementen sendet der Sensor keine Schallwellen aus. Es nimmt nur die Strahlung auf, die von Untersuchungsobjekten oder der Luft um sie herum kommt. Eine Siliziumscheibe mit einem Durchmesser von 148 Mikrometern und einer Dicke von 1,8 Mikrometern ist für die Registrierung der Wellen verantwortlich. In seiner Form ähnelt es einem Vierspeichen-Fahrradrad. Wenn eine Schallwelle auf eine Scheibe trifft, tritt Resonanz auf und das Signal wird verstärkt.
In der Mitte der Siliziumscheibe befindet sich ein dünner Ständer, der sie mit der Kamera des optischen Resonators verbindet. Eine stehende Lichtwelle geht durch diese Kamera. Es reagiert auf Scheibenvibrationen unter dem Einfluss von Schall und ändert seine Form. Diese Änderungen werden vom Fotodetektor aufgezeichnet, der sich ebenfalls im optischen Hohlraum befindet. Mit den vom Sensor empfangenen Informationen können Sie die Form des untersuchten Objekts bestimmen.
Vor- und Nachteile
Die Entwickler stellen fest, dass der neue Sensor Ultraschallwellen mit einem Schalldruckpegel von 50 μPa (ca. 8 dB) bei einer Frequenz von 80 kHz bis 1 MHz erkennen kann. Dies sind zwei Größenordnungen besser als bei anderen Ultraschallsensoren. Laut Ingenieuren ist das Gerät in der Lage, akustische Schwingungen mit einer höheren Frequenz aufzunehmen. Während der Experimente wurden solche Wellen jedoch zu schnell in der Luft gedämpft und hatten keine Zeit, den Sensor zu erreichen.
Mit dem neuen Sensor können Sie die kleinsten lebenden Organismen berührungslos kontaktieren. In der Regel werden Bakterien oder Viren zur Untersuchung aus der Umgebung entfernt und unter ein Mikroskop gestellt, was zu Verhaltensänderungen führen kann. Mit Hilfe neuer Technologien kann einzellig genau dort untersucht werden, wo sie leben, beispielsweise in der Luft oder im Boden.
Der Sensor hat mehrere Nachteile. Das erste ist, dass der Plattenständer im Gerät nicht vom Schalldruck isoliert ist. Aufgrund dieser Funktion nimmt der Sensor Frequenzen über 800 kHz schlechter auf: Im Raum unter der Platte befindet sich eine zusätzliche Resonanz, die den Geräuschpegel erhöht. Für einige Frequenzen kann es 50% erreichen.
Foto Lee Maguire / CC BYDer zweite Nachteil ist, dass die Oberfläche der Platte das Signal ungleichmäßig wahrnimmt. In verschiedenen Teilen davon tritt mechanische Resonanz nur unter dem Einfluss eines engen Frequenzbereichs auf. Wenn die Frequenz des zu hörenden Tons unbekannt ist, ist es schwierig, ihn zu erkennen.
Geräteanaloga
Das erste Analogon des Sensors ist der piezoelektrische Sensor, über den wir zu Beginn gesprochen haben. Offensichtlich ist der Hauptnachteil von piezoelektrischen Sensoren ihre geringe Empfindlichkeit. Um dieses Problem zu lösen, gibt es bereits mehrere Technologien. Beispielsweise wird die Metalloberfläche der Sensoren durch Nanofasern ersetzt, die anfälliger für Vibrationen sind.
Um die Auflösung zu erhöhen, werden piezoelektrische Sensoren in Wasser platziert: Diese Technologie wird in Messsystemen verwendet, die auf dem photoakustischen Effekt basieren. Aufgrund des Auftretens nichtlinearer Effekte verstärkt das flüssige Medium die im Gerät gebildeten Schallschwingungen, was die Erfassung von Wellen vereinfacht.
Es ist erwähnenswert, eine andere Art von Sensoren zu verwenden - optomechanische, die Licht verwenden, um die Form von Objekten zu untersuchen. Die Laserquelle und der mechanische Resonator sind auf einer dünnen Platte kombiniert, die mit den kleinsten Änderungen des Lichtsignals schwingt. Diese Schwingungen werden dann von einem Fotodetektor verfolgt.
Sensoren mit optomechanischer Empfindlichkeit sind mit Ultraschallsensoren vergleichbar und können einzelne Moleküle erfassen. Sie können jedoch keine Objekte erkennen, die kleiner als die Lichtwellenlänge sind.
Experten stellen fest, dass empfindliche Ultraschallsensoren (und optomechanische Sensoren) in Zukunft in Smart Homes Anwendung finden werden, wo sie Teil von Gaslecksuchsystemen werden.
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