Des ingénieurs de l'Université du Queensland en Australie ont développé un nouveau type de capteur à ultrasons, dont la sensibilité est nettement supérieure aux analogues. Le capteur était appelé ultra-ultrasonique. Il est capable de capturer les vibrations des cellules individuelles et des bactéries dans le corps humain et d'évaluer si elles fonctionnent normalement.
Nous disons comment cela est organisé.
Photo Saroj Regmi / CC BYPourquoi avons-nous besoin d'un tel capteur
L'échographie est activement utilisée dans le diagnostic des maladies, par exemple pour l'échographie. Dans un appareil à ultrasons classique, l'émetteur et le récepteur sont constitués de cristaux piézoélectriques. Lorsqu'une charge électrique alternative leur est appliquée, des vibrations mécaniques se produisent. Les oscillations créent des ondes sonores à haute fréquence qui sont en dehors de l'ouïe humaine.
Ces ondes sont réfléchies par des surfaces à haute impédance acoustique. Des éléments piézoélectriques enregistrent ces réflexions et permettent de former une image d'un objet sur l'écran du moniteur. Cependant, de tels systèmes présentent un inconvénient important - une faible résolution. Avec leur aide, vous pouvez obtenir une image détaillée de l'organe interne, mais vous ne pouvez pas enregistrer une seule cellule.
Des chercheurs de l'Université du Queensland en Australie se sont engagés à résoudre ce problème. Ils ont développé un capteur à haute sensibilité qui peut détecter le mouvement des cellules et même des molécules d'air.
Fonctionnement de l'invention
Contrairement aux éléments piézoélectriques classiques, le capteur n'émet pas d'ondes acoustiques. Il capte uniquement le rayonnement provenant des objets d'étude ou de l'air autour d'eux. Un disque de silicium d'un diamètre de 148 microns et d'une épaisseur de 1,8 microns est responsable de l'enregistrement des ondes. En forme, il ressemble à une roue de vélo à quatre branches. Lorsqu'une onde acoustique frappe un disque, une résonance se produit et le signal est amplifié.
Au centre du disque de silicium, un mince support le relie à la caméra du résonateur optique. Une onde lumineuse stationnaire traverse cette caméra. Il réagit aux vibrations du disque sous l'influence du son et change de forme. Ces changements sont enregistrés par le photodétecteur, qui est également situé dans la cavité optique. Les informations reçues par le capteur vous permettent de déterminer la forme de l'objet étudié.
Avantages et inconvénients
Les développeurs notent que le nouveau capteur est capable de reconnaître les ondes ultrasonores avec un niveau de pression acoustique de 50 μPa (environ 8 dB) à une fréquence de 80 kHz à 1 MHz. C'est deux ordres de grandeur supérieurs aux autres capteurs à ultrasons. Selon les ingénieurs, l'appareil est capable de capter des vibrations acoustiques avec une fréquence plus élevée, cependant, pendant les expériences, ces ondes se sont amorties trop rapidement dans l'air et n'ont pas eu le temps d'atteindre le capteur.
Le nouveau capteur vous permettra de contacter les plus petits organismes vivants sans contact. En règle générale, les bactéries ou virus sont retirés de l'environnement pour examen et placés sous un microscope, ce qui peut entraîner des changements dans leur comportement. Grâce aux nouvelles technologies, les cellules unicellulaires peuvent être étudiées là où elles vivent, par exemple dans l'air ou le sol.
Le capteur présente plusieurs inconvénients. La première est que le support de disque dans l'appareil n'est pas isolé de la pression acoustique. En raison de cette fonctionnalité, le capteur capte des fréquences supérieures à 800 KHz: dans l'espace sous le disque, il y a une résonance supplémentaire, ce qui augmente le niveau de bruit. Pour certaines fréquences, elle peut atteindre 50%.
Photo Lee Maguire / CC BYLe deuxième inconvénient est que la surface du disque perçoit inégalement le signal. Dans différentes parties de celui-ci, la résonance mécanique ne se produit que sous l'influence d'une gamme de fréquences étroite. Si la fréquence du son à «entendre» est inconnue, il est difficile de la détecter.
Analogiques de l'appareil
Le premier analogue du capteur est le capteur piézoélectrique, dont nous avons parlé au début. De toute évidence, le principal inconvénient des capteurs piézoélectriques est leur faible sensibilité. Mais pour résoudre ce problème, il existe déjà plusieurs technologies. Par exemple, la surface métallique des capteurs est remplacée par des nanofibres plus sensibles aux vibrations.
De plus, pour augmenter la résolution, des capteurs piézoélectriques sont placés dans l'eau: cette technologie est utilisée dans les systèmes de mesure basés sur l'effet photoacoustique. En raison de l'apparition d'effets non linéaires, le milieu liquide améliore les vibrations sonores qui se forment dans l'appareil, ce qui simplifie la détection des ondes.
Il convient de noter un autre type de capteurs - optomécaniques, qui utilisent la lumière pour étudier la forme des objets. La source laser et le résonateur mécanique sont combinés sur une plaque mince oscillant avec les plus petits changements du signal lumineux. Ces vibrations sont ensuite suivies par un photodétecteur.
Les capteurs de sensibilité optomécanique sont comparables aux capteurs ultra-ultrasoniques et sont capables de détecter des molécules individuelles. Cependant, ils ne peuvent pas reconnaître les objets plus petits que la longueur d'onde lumineuse.
Les experts notent qu'à l'avenir, les capteurs ultrasoniques (et optomécaniques) sensibles trouveront une application dans les maisons intelligentes, où ils feront partie des systèmes de détection de fuite de gaz.
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