SAW-Filter mit Verzögerungsleitungsstrukturen

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Sind Messungen in rauen Umgebungen erforderlich, kommen häufig Oberflächenwellensensoren zum Einsatz. In diesem Teil unserer Sensorik-Serie erklärt ELEKTRONIKPRAXIS Aufbau, Funktionsweise und Einsatzgebiete von SAW-Filter mit Verzögerungsleitungsstrukturen.

Eine akustische Oberflächenwelle, englisch Surface Acoustic Wave oder kurz SAW, ist eine Körperschallwelle, die sich planar – also zweidimensional – auf einer Oberfläche ausbreitet. Ausbreitungsgeschwindigkeit und Frequenz hängen unter anderem von der Beschaffenheit des Untergrunds aus. Diesen Zusammenhang nutzen Surface-Acoustic-Wave-Sensoren, zu deutsch Oberflächenwellensensoren, aus.

SAW-Sensoren beziehungsweise SAW-Filter bestehen aus den beiden Komponenten Lesegerät (Reader) und SAW-Transponder. Der Transponder wird in der Sensorik häufig als SAW-Sensor bezeichnet. Diese Bezeichnung ist jedoch nur gerechtfertigt, wenn der SAW-Filter aus einem Elementarsensor und einer integrierten Elektronik zum Aufbereiten der Signale besteht.

Wir betrachten nun den SAW-Elementarsensor. Er kann zum Beispiel die Ausbreitungsgeschwindigkeit beziehungsweise die Verzögerung einer akustischen Welle zwischen zwei Elektrodensystemen auf einem dünnen piezoelektrischen Plättchen messen. Eine weitere Bezeichnung für diesen Elementarsensor ist daher akustische Rayleigh-SAW-Verzögerungsleitung.

Elektromechanischer Aufbau von SAW-Filter mit Verzögerungsstrukturen

Die Dicke eines piezoelektrischen Substratplättchens beträgt in der Regel das Zehnfache der akustischen Wellenlänge. Das piezoelektrische Material besteht aus Quarz (SiO₂), Lithiumtantalat (LiTaO₃), Lithiumniobat (LiNbO₃) oder Langasit (Lanthangalliumsilicat, La₃Ga₅SiO₁₄). An den beiden Enden der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats befinden sich die kammartigen Elektroden: eine Sende- und eine Empfangs-Elektrode. Sie bestehen aus planaren, kammförmig ineinandergreifenden Metallstreifen, den sogenannten Interdigital-Transducern (IDT), auch Interdigital-Elektroden (IDE) genannt.

Die Elektroden werden photolithographisch aus Aluminium mit Dicken von bis zu 200 nm gefertigt. Aluminium zeichnet sich durch eine geringe Dichte und gute Hafteigenschaften auf piezoelektrischen Substratoberflächen aus. Die kammartig verzahnte Konstruktion der IDT bestimmt die Wellenlänge und -breite einer akustischen Welle. Der elektrische Kontakt der IDT erfolgt durch Bonden mit sehr dünnen flexiblen Metalldrähten, den Bond-Drähten.

Grundlegende physikalische Eigenschaften

Die mechanische Anregung des sensorisch sensitiven Bereichs erfolgt über piezoelektrische Kopplung. Am Sende-IDT regt ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld über den indirekten piezoelektrischen Effekt, auch Elektrostriktion genannt, mechanische Oberflächenwellen an. Das Verfahren nutzt die Tatsache aus, dass ein elektrisches Signal eine viel höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit hat als ein akustisches Signal. Aufgrund der IDT-Geometrie findet praktisch keine Frequenzselektion statt. Auf den sensorisch sensitiven Bereich wirkt nun eine zu messende Größe und verändert deren physikalische Eigenschaften.

Der Empfangs-IDT transformiert die verzögerte mechanische Oberflächenwelle über den direkten piezoelektrischen Effekt in ein elektrisches Feld. Eine Elektronik zur Signalaufbereitung generiert daraus ein elektrisches Signal. Zwei akustische Absorber begrenzen die Ausbreitung der Oberflächenwellen. Deren Geschwindigkeit auf einem piezoelektrischen Substrat beträgt ca. 3000 bis 5000 m/s. Das entspricht dem Frequenzbereich von 80 bis 500 MHz.

Es können transversale oder longitudinale akustische Oberflächenwellen oder Volumenwellen erzeugt werden. Faktoren durch Temperatur, mechanischer Druck, elektrische Feldstärke, Gas- oder Feuchtekonzentration in flüssigen und gasförmigen Medien beeinflussen die Geschwindigkeit, Phase und Amplitude der akustischen Wellen ebenso wie angekoppelte Schichten und sensorisch genutzte Oberflächenbereiche.

Physikalisch-technische Wirkungsweise

Die jeweils benachbarten Metallstreifen eines IDTs gehören zu verschiedenen Teilkämmen. Wird eine hochfrequente elektrische Wechselspannung an die zwei Teilkämme der Sender-IDT angelegt, bilden sich zwischen den benachbarten Metallstreifen elektrische Felder aus. Der indirekte piezoelektrische Effekt erzeugt durch eine elektromechanische Kopplung eine akustische Oberflächenwelle im piezoelektrischen Substrat. Sie breitet sich im sensorisch sensitiven Bereich aus und wird dort durch die zu erfassende Größe verzögert, verzerrt oder moduliert.

Die veränderte Oberflächenwelle bewegt sich im piezoelektrischen Substrat zum Empfänger-IDT. Dort generiert sie über den direkten piezoelektrischen Effekt durch eine mechanoelektrische Kopplung eine wechselnde elektrische Influenzladung. Diese kann zum Beispiel über die elektrische Kammkapazität des Empfänger-IDTs mit Hilfe eines Ladungsverstärkers in eine elektrische HF-Wechselspannung umgeformt und elektronisch weiter verarbeitet werden.

Der Abstand zwischen zwei IDT-Metallstreifen ist im Schaubild mit „a“ gekennzeichnet. Die Periodizität der akustischen Schwingung entspricht „2a“. Also ist die Oberflächenwellenlänge λ_OFW = 2a. Die Breite eines IDT-Streifens und Reflektor-Metallstreifens ist dann λ_OFW/4. Die Oberflächenwellen breiten sich senkrecht zu den IDT- und Reflektor-Metallstreifen mit der Geschwindigkeit v_OFW über das piezoelektrische Substrat aus. Ihre Frequenz f_OFW entspricht der Anregungsfrequenz der HF-Wechselspannung. Diese Frequenz ist die Resonanzfrequenz, bei der die eingespeiste Energie mit der besten Wirkung in eine akustische Welle umgewandelt wird. Für die Ausbreitungsgeschwindigkeit v_OFW der Oberflächenwelle gilt dann:

v_OFW = λ_OFW · f_OFW = 2 · a · f_OFW

f_OFW: Frequenz der Oberflächenwellen
v_OFW: Geschwindigkeit der Oberflächenwellen
a: Distanz zwischen den Metallstreifen der Kammstruktur
λ_OFW: Wellenlänge der Oberflächenwellen

Die Änderungen von Ausbreitungsgeschwindigkeiten sind zum Beispiel durch das Messen von Phasen-Verschiebungen erfassbar. Diese können über eine Oszillator-Elektronik in Änderungen der Frequenz umgesetzt werden oder in eine Verschiebung der Resonanzfrequenz. Über einen Signalprozessor lassen sich diese Werte zu den oben genannten physikalischen Messgrößen in Beziehung setzen und auswerten.

SAW-Filter sind sehr robust. Sie funktionieren in einem weiten Temperaturbereich von ca. -200 °C (flüssiger Stickstoff) bis ca. +300 °C, bei hochtemperaturtauglichen Substraten wie Langasit sogar bis ca. +1000 °C. Darüber hinaus überstehen sie korrosive Umgebungen, mechanischen Stress und sehr hohe Strahlendosen. Daher sind SAW-Sensoren sehr gefragt für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen, beispielsweise in Motoren, Windkraftanlagen, Bohrgestängen, Betonbauteilen und in der Weltraumforschung.

Hinweis: Dieser Beitrag basiert auf dem Fachbuch „Industriesensorik – Sensortechnik und Messwertaufnahme“, erhältlich bei Vogel Business Media. Es ist auch als e-Book verfügbar. Hier finden Sie weitere Informationen zu der Neuerscheinung.

SAW-Filter: So funktionieren akustische Wellensensoren

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