Fields of Research

Die Arbeit mit diesen Sensoren wird in Zusammenarbeit mit dem Institut für Instrumentelle Analytik des Forschungszentrums Karlsruhe durchgeführt. Ziel ist die Optimierung eines Sensorarrays durch Modifizierung der sensoraktiven Substanzen. Das grundlegende Prinzip von Oberflächenwellen Bauelementen (SAW) ist im folgenden kurz erläutert.

Für die elektrische Anregung von Oberflächenwellen (SAW) wird auf die polierte Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats eine Anordnung von kammförmigen Elektroden aufgedampft. Beide Elektroden, sogenannte Interdigitaltransducer (IDT), werden auf der gleichen Seite des piezoelektrischen Substrats aufgebracht. Dieses kann aus einer Quarzscheibe mit STX-Schnitt, einer Platte aus Lithiumniobat (LiNbO3) oder aus Zinkoxid auf Siliciumnitrid bestehen. Alle aufgeführten piezoelektrischen Substrate weisen eine, im Vergleich zum Quarz mit AT-Schnitt, geringere thermische Stabilität der Resonanzfrequenz auf. Für ein 433 MHz SAW-Bauelement auf einem LiNbO3-Substrat beträgt die Temperaturabhängigkeit der Operationsfrequenz 8800 Hz/°C. Das entspricht einer relativen Änderung der Resonanzfrequenz von 20 ppm/°C. Für einen AT-Schwingquarz beträgt die Temperaturabhängigkeit dagegen nur 0,04 ppm/°C.
 

Wegen der geringen Eindringtiefe der Oberflächenwellen beim SAW-Sensor (etwa eine akustische Wellenlänge) kann ein massiveres Substrat als beim  Schwingquarz  benutzt werden und so eine größere mechanische Belastbarkeit erreicht werden. Zudem muß das piezoelektrische Substrat nicht freischwingend aufgehangen werden, da anders als bei einem Schwingquarz nicht das gesamte Substrat schwingt.  Wegen der einseitigen Elektrodenanordnung können planare Produktionstechniken verwendet werden. Das vereinfacht eine  Integration in ein Sensorarray.

Wird eine Wechselspannung an eine der Elektroden eines SAW-Sensors (vgl. Abb. 10) angelegt, so löst die auf die Oberfläche begrenzte physikalische Deformation eine Oberflächenwelle aus. In der Regel wird die Konfiguration einer Verzögerungsleitung benutzt. Ein IDT erzeugt die Oberflächenwelle zur Zeit t=1, diese läuft an der Oberfläche des Substrates entlang (t=2) und wird vom Empfänger-IDT zum Zeitpunkt t=3 wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Die Amplitude und die Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle werden durch die elastischen, piezoelektrischen, dielektrischen und konduktiven Eigenschaften vor allem aber durch die Massendichte der Oberflächenschicht bestimmt. Bei den meisten Sensoranwendungen wird die Änderung der Phasengeschwindigkeit gemessen, da so die höchste Meßgenauigkeit erreicht wird. Das SAW-Bauelement wird in einer Oszillatorschaltung betrieben. Dabei werden Erzeuger- und Empfangs-IDT über einen Hochfrequenzverstärker rückgekoppelt.

Vernachlässigt man die Phasenverschiebung des Hochfrequenzverstärkers, dann ist die Änderung der Phasengeschwindigkeit proportional zur Frequenzänderung des SAW-Oszillators:

Die Operationsfrequenz eines SAW-Bauelements wird durch die Resonanzfrequenz der IDT bestimmt. Da diese abhängig von der Periodizität P der Kammstruktur der IDT ist können die Arbeitsfrequenzen eines SAW-Sensors in einem weiten Bereich frei gewählt werden.

Obige Formel zeigt den Zusammenhang zwischen der Resonanzfrequenz f0 des SAW-Bauelements und der Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle. Dabei ist m = 1,2,3,... die Nummer des Obertons und P die Periodizität.

Für Messungen in einer Flüssigkeit ist die Anregung von Oberflächenwellen durch das hier vorgestellte SAW-Bauelement nicht geeignet, da die Wellen einen großen Teil ihrer Energie in die Flüssigkeit abstrahlen. Durch die große Dämpfung der Schwingung ist ihre Stabilität nicht gewährleistet.

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