Was ist eine akustische Oberflächenwelle?
Eine akustische Oberflächenwelle ist eine elastische Welle, die sich nur in der Nähe der Oberfläche eines piezoelektrischen Materials ausbreitet.
In der Nähe einer festen Oberfläche, die ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Vakuum oder ein anderes festes Material ist, unterscheidet sich die Art der Ausbreitung der elastischen Welle von der eines unendlich ausgedehnten (Bulk-)Festkörpers, einer Flüssigkeit oder eines Gases. Handelt es sich bei dem festen Trägermaterial um ein piezoelektrisches Material, so werden durch den piezoelektrischen Effekt akustische Oberflächenwellen erzeugt, die sich in der Nähe der Oberfläche in eine bestimmte Richtung ausbreiten, wenn sie einer Belastung ausgesetzt werden.
IDTs (Interdigital Transducers) mit piezoelektrischen Einkristallen, piezoelektrischen Dünnschichten oder piezoelektrischen Keramiken als Trägermaterial können als Empfänger verwendet werden, wenn anstelle einer Hochfrequenz-Stromversorgung ein Hochgeschwindigkeits-Impulsmessgerät eingesetzt wird. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von akustischen Oberflächenwellen beträgt etwa 1 bis 5 km/s, was etwa einem Hunderttausendstel der Geschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen entspricht und eine Miniaturisierung der Schaltung ermöglicht.
Funktionsweise der akustischen Oberflächenwellen
Wenn piezoelektrisches Material zwischen zwei Elektroden eingeklemmt ist und eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, wird eine Spannung erzeugt (piezoelektrischer Effekt) und umgekehrt (umgekehrter piezoelektrischer Effekt).
Ein akustisches Oberflächenwellen-Bauelement mit einem Paar kammförmiger Elektroden, die auf einem Substrat aus piezoelektrischem Material so angeordnet sind, dass die Kämme abwechselnd ausgerichtet sind, wird als IDT bezeichnet. Wenn eine Hochfrequenzspannung zwischen den beiden Elektroden angelegt wird, erzeugt der IDT hochfrequente akustische Oberflächenwellen (SAWs) und funktioniert als akustischer Oberflächenwellen-Generator.
Extrem hochfrequente Spannungen können auch akustische Oberflächenwellen im Ultraschallbereich erzeugen. Empfängt der IDT umgekehrt eine akustische Oberflächenwelle, so wird im IDT eine Hochfrequenzspannung erzeugt, und er fungiert als akustischer Oberflächenwellen-Empfänger. Durch Anpassung der Anzahl und Form der Kämme, des Substratmaterials und seiner Dicke können akustische Oberflächenwellen mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt und empfangen werden.
Durch das Senden und Empfangen von akustischen Oberflächenwellen am Sender und am Empfänger kann die Frequenz der akustischen Oberflächenwelle moduliert werden, indem die Eigenschaften des Substrats zwischen Sender und Empfänger abgetastet werden oder indem bestimmte Schichten oder Elemente auf dem Substrat angebracht werden. Diese Eigenschaft ist der Grund, warum akustische Oberflächenwellen in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden.
Anwendungen von akustischen Oberflächenwellen
Das Anwendungsspektrum von akustischen Oberflächenwellen hat sich erheblich erweitert. Nachstehend sind einige Beispiele aufgeführt:
1. Anwendungen in elektronischen Bauteilen
Akustische Oberflächenwellen-Filter, bei denen zwei IDTs als akustische Oberflächenwellen-Sender und -Empfänger verwendet werden, um elektrische Signale zu filtern, sind die häufigste Anwendung von akustischen Oberflächenwellen. Akustische Oberflächenwellen-Filter werden häufig in Mobiltelefonen, Radio- und Fernsehempfängern sowie digitalen Empfängern eingesetzt.
2. Mikro-Manipulation von Flüssigkeiten und Tröpfchen
Mikrofluidikpumpen lassen sich herstellen, indem man mikrofluidische Tröpfchen auf einem Substrat platziert und sich die Tatsache zunutze macht, dass akustische Oberflächenwellen auf die Flüssigkeit auf dem Substrat übertragen werden und die Flüssigkeit aufgrund großer Trägheitskräfte beschleunigen können. Auf dem Substrat ist die akustische Oberflächenwelle eine Transversalwelle, und wenn sie in den Tropfen eintritt, wird sie zu einer Longitudinalwelle und erzeugt einen Wirbeleffekt, der eine Vermischung der Flüssigkeitströpfchen bewirkt. Die akustischen Oberflächenwellen werden als Antriebsmechanismus verwendet, um die Tröpfchen zum Sortieren zu zwei oder mehr Auslässen zu schieben. Sie werden auch zur Größenbestimmung und Aufteilung der Tröpfchen verwendet.
3. Durchflusssensoren
Mehrere IDT (Sender und Empfänger) werden außerhalb des Rohrs angebracht, durch das die Flüssigkeit fließt, in der Regel in unbenetztem Zustand. Die von einem Sender erzeugten akustischen Oberflächenwellen breiten sich ebenfalls in einem bestimmten Winkel in die Flüssigkeit aus und erzeugen beim Durchgang durch die Flüssigkeit sowohl vorwärts als auch rückwärts gerichtete Empfangswellen. Die Zeitdifferenz zwischen den Sende- und Empfangswellen, die die Flüssigkeit ein- bis mehrmals durchlaufen, korreliert mit der Strömungsgeschwindigkeit. Durch den Vergleich und die Berechnung der Zeitdifferenz zwischen den Sende- und Empfangswellen können die Durchflussgeschwindigkeit und andere Parameter gemessen werden.
4. Anwendung auf Gassensoren
Es bildet sich zwischen zwei IDTs auf einem Substrat ein dünner, für Gasmoleküle empfindlicher Film. Die Menge des adsorbierten Gases kann anhand von Merkmalen wie der Frequenz und der Amplitude der akustischen Oberflächenwelle bestimmt werden, wenn Gasmoleküle an der dünnen Schicht adsorbiert werden. Die Art des Gases lässt sich anhand des Materials der Dünnschicht erkennen. Im Falle von Wasserstoff werden Pd- oder Pd-Ni-Legierungen verwendet.
5. Anwendung auf Touchpanels
Touchscreens mit akustischen Oberflächenwellen erkennen die Position des Displays bei Berührung mit dem Finger durch die Abschwächung der akustischen Ultra-Oberflächenwellen.
Zwei an den vier Ecken des Glassubstrats angebrachte IDTs senden akustische Oberflächenwellen aus, die als Vibrationen auf die Oberfläche des Bildschirms übertragen und von den beiden gegenüberliegenden IDTs empfangen werden. Wenn ein Finger den Bildschirm berührt, schwächt sich die elastische Supernierenwelle an der Oberfläche ab, und die Position auf dem Touchpanel kann durch Erkennung der Amplitudenänderung im Empfänger ermittelt werden.
6. Anwendung zur Verbesserung der Strahlungsresistenz von Computern
Es werden 5 x 5 akustische Oberflächenwellen auf dem L1-Cache-Speicher (ca. 256 kB) für den Hochgeschwindigkeitsdatenaustausch mit der CPU des Computers platziert. Die Position des Auftretens eines Phänomens (Soft Error), das die Speicherdaten umkehrt, wenn geladene Teilchen in einer Strahlungsumgebung wie dem Weltraum injiziert werden, kann aus der Zeitdifferenz beim Eintreffen der Stoßwellensignale an den 25 akustischen Oberflächenwellen berechnet werden.
7. Anwendung auf Quantencomputer
Die Realisierung eines praktischen Quantencomputers erfordert ein hohes Maß an Integration von Qubits (der kleinsten Einheit der Quanteninformation). Durch Anlegen einer zeitlich veränderlichen Hochfrequenzspannung an eine speziell strukturierte kammförmige Elektrode, den gechirpten IDT, werden akustische Oberflächenwellen mit einer großen Bandbreite erzeugt.
Quantenbits können übertragen werden, indem ein einzelnes Elektron auf einen isolierten akustischen Oberflächenwellen-Puls gesetzt wird, der durch Überlagerung phasengleicher akustischer Oberflächenwellen und Auslöschung unerwünschter Wellen entsteht.
Weitere Informationen über akustische Oberflächenwellen
Über piezoelektrische Materialien
Piezoelektrische Materialien, die sowohl für Sensor- als auch für Aktorfunktionen verwendet werden können, lassen sich grob in piezoelektrische Einkristalle, piezoelektrische Dünnschichten und piezoelektrische Keramiken einteilen. Einkristalle zeichnen sich durch geringe Ausbreitungsverluste aus und können in einem breiten Frequenzbereich eingesetzt werden. Insbesondere werden nur Einkristalle als Materialien für hohe Frequenzen verwendet.
Bei der Entwicklung piezoelektrischer Einkristallmaterialien wurden zunächst kristalline Einkristalle aus Lithiumniobat (LiNbO3: LN) und Lithiumtantalat (LiTaO3: LT) verwendet. Gegenwärtig werden Einkristalle mit einer für Übergangsmetallverbindungen charakteristischen Kristallstruktur vom Perowskit-Typ entwickelt, die aus ternären Systemen bestehen, wie Zink-Blei-Niobat-Bleititanat-Mischkristall (PZNT) und Magnesium-Blei-Niobat-Bleititanat-Mischkristall (PMZT).
Piezoelektrische Keramiken haben den Vorteil, dass akustische Oberflächenwellen mit großer Amplitude erzielt werden können. Sie lassen sich leicht in Massenproduktion herstellen und sind relativ stabil, da sie aus Oxiden bestehen, z. B. PZT und BaTiO3.
Es werden dünnere piezoelektrische Materialien verwendet, um zu verhindern, dass die elastischen Wellen auf das Substrat durchdringen und die akustischen Oberflächenwellen-Eigenschaften beeinträchtigen. Dies kann z. B. erreicht werden, indem ein dünner Film aus piezoelektrischem Einkristallmaterial auf einer Schicht mit hoher Schallgeschwindigkeit gebildet wird. Zu den piezoelektrischen Dünnschichtmaterialien gehören ZnO, AIN / ScAIN, KNN und PLA.