Insinyur dari University of Queensland di Australia telah mengembangkan jenis sensor ultrasonik baru, yang sensitivitasnya secara signifikan lebih unggul daripada analog. Sensor itu disebut ultra-ultrasonik. Dia mampu menangkap getaran sel dan bakteri individu dalam tubuh manusia dan menilai apakah mereka berfungsi secara normal.
Kami memberi tahu bagaimana itu diatur.
Foto Saroj Regmi / CC BYMengapa kita membutuhkan sensor seperti itu
Ultrasonografi digunakan secara aktif dalam diagnosis penyakit, misalnya untuk ultrasonografi. Dalam perangkat ultrasonik klasik, emitor dan penerima terbuat dari kristal piezoelektrik. Ketika muatan listrik bolak-balik diterapkan pada mereka, getaran mekanis terjadi. Osilasi menciptakan gelombang suara frekuensi tinggi yang berada di luar pendengaran manusia.
Gelombang-gelombang ini tercermin dari permukaan dengan impedansi akustik yang tinggi. Elemen piezoelektrik mendaftarkan refleksi ini dan memungkinkan untuk membentuk gambar suatu objek pada layar monitor. Namun, sistem tersebut memiliki kelemahan penting - resolusi rendah. Dengan bantuan mereka, Anda bisa mendapatkan gambar detail dari organ internal, tetapi Anda tidak bisa mendaftarkan satu sel pun.
Para peneliti dari University of Queensland di Australia berupaya memecahkan masalah ini. Mereka mengembangkan sensor sensitivitas tinggi yang dapat mendeteksi pergerakan sel dan bahkan molekul udara.
Cara kerja penemuan
Tidak seperti elemen piezoelektrik klasik, sensor tidak memancarkan gelombang akustik. Itu hanya mengambil radiasi yang berasal dari objek studi atau udara di sekitar mereka. Disk silikon dengan diameter 148 mikron dan ketebalan 1,8 mikron bertanggung jawab untuk mendaftarkan gelombang. Bentuknya menyerupai roda sepeda empat-jari. Ketika gelombang akustik menyentuh disk, resonansi terjadi dan sinyal diperkuat.
Di tengah cakram silikon ada dudukan tipis yang menghubungkannya ke kamera resonator optik. Gelombang cahaya berdiri melewati kamera ini. Ini menanggapi getaran disk di bawah pengaruh suara dan mengubah bentuknya. Perubahan ini direkam oleh photodetector, yang juga terletak di rongga optik. Informasi yang diterima oleh sensor memungkinkan Anda untuk menentukan bentuk objek yang diselidiki.
Keuntungan dan kerugian
Para pengembang mencatat bahwa sensor baru ini mampu mengenali gelombang ultrasonik dengan tingkat tekanan akustik 50 μPa (sekitar 8 dB) pada frekuensi 80 kHz hingga 1 MHz. Ini adalah dua urutan besarnya lebih unggul dari sensor ultrasonik lainnya. Menurut para insinyur, perangkat ini mampu menangkap getaran akustik dengan frekuensi yang lebih tinggi, namun, selama percobaan gelombang tersebut terlalu cepat teredam di udara dan tidak punya waktu untuk mencapai sensor.
Sensor baru akan memungkinkan Anda untuk menghubungi organisme hidup terkecil tanpa kontak. Biasanya, bakteri atau virus dikeluarkan dari lingkungan untuk diperiksa dan ditempatkan di bawah mikroskop, yang dapat menyebabkan perubahan perilaku mereka. Dengan bantuan teknologi baru, uniseluler dapat dipelajari di tempat mereka tinggal, misalnya di udara atau tanah.
Sensor memiliki beberapa kelemahan. Yang pertama adalah bahwa dudukan disk di perangkat tidak terisolasi dari tekanan akustik. Karena fitur ini, sensor mengambil frekuensi di atas 800 KHz lebih buruk: di ruang di bawah disk ada resonansi tambahan yang meningkatkan tingkat kebisingan. Untuk beberapa frekuensi, dapat mencapai 50%.
Foto Lee Maguire / CC BYKelemahan kedua adalah permukaan disk menerima sinyal secara tidak rata. Di bagian yang berbeda, resonansi mekanik hanya terjadi di bawah pengaruh rentang frekuensi yang sempit. Jika frekuensi suara yang akan "didengar" tidak diketahui, mendeteksi itu sulit.
Analog Perangkat
Analog pertama dari sensor adalah sensor piezoelektrik, yang kita bicarakan di awal. Jelas, kelemahan utama sensor piezoelektrik adalah sensitivitasnya yang rendah. Tetapi untuk mengatasi masalah ini sudah ada beberapa teknologi. Sebagai contoh, permukaan logam dari sensor diganti dengan nanofibers yang lebih rentan terhadap getaran.
Juga, untuk meningkatkan resolusi, sensor piezoelektrik ditempatkan di dalam air: teknologi ini digunakan dalam sistem pengukuran berdasarkan efek fotoakustik. Karena terjadinya efek nonlinear, media cair meningkatkan getaran suara yang terbentuk dalam perangkat, yang menyederhanakan deteksi gelombang.
Perlu dicatat jenis sensor lain - optomekanis, yang menggunakan cahaya untuk mempelajari bentuk objek. Sumber laser dan resonator mekanik digabungkan pada pelat tipis yang berosilasi dengan perubahan terkecil pada sinyal cahaya. Getaran ini kemudian dilacak oleh detektor foto.
Sensor sensitivitas optomekanis sebanding dengan ultrasonik dan mampu mendeteksi molekul individu. Namun, mereka tidak dapat mengenali objek yang lebih kecil dari panjang gelombang cahaya.
Para ahli mencatat bahwa di masa depan, sensor ultrasonik sensitif (dan optomekanis) akan menemukan aplikasi di rumah pintar, di mana mereka akan menjadi bagian dari sistem deteksi kebocoran gas.
Bacaan tambahan - dari saluran Telegram kami dan "Hi-Fi World":
Sound on the wire: sejarah telegraf Anhedonia musik, atau tidak semua orang suka musik
Trautonium: gelombang Jerman dalam sejarah synthesizer Semua yang perlu Anda ketahui tentang DAC