AT526398A1

AT526398A1 - Sensorvorrichtung

Info

Publication number: AT526398A1
Application number: ATA50602/2022A
Authority: AT
Inventors: Kähler M Sc Hendrik; Schmid Prof Dr Silvan; Arthaber Prof Dr Holger
Original assignee: Univ Wien Tech
Priority date: 2022-08-08
Filing date: 2022-08-08
Publication date: 2024-02-15
Also published as: WO2024033324A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, die ein, insbesondere piezoelektrisches, Trägermaterial aufweist. Ferner umfasst die Sensorvorrichtung mindestens einen Interdigitaltransducer, welcher als Sender (IDTs) und als Empfänger (IDTe) ausgebildet ist und auf dem Trägermaterial angeordnet ist, oder mindestens einen Interdigitaltransducer, welcher als Sender (IDTs) und mindestens einen Interdigitaltransducer welcher als Empfänger (IDTe) ausgebildet ist und ebenfalls auf dem Trägermaterial angeordnet ist. Die Sensorvorrichtung umfasst weiter, mindestens einem mechanischen Resonator (MR), welcher zu dem IDTs in einem Abstand A und zu dem IDTe in einem Abstand B auf dem Trägermaterial angeordnet ist, wobei die Sensorvorrichtung eingerichtet ist, dass eine von dem IDTs ausgesendete Oberflächenwelle als Sendesignal den MR in mechanische Schwingung versetzt und eine von dem schwingenden MR emittierte Oberflächenwelle als Empfangssignal in Richtung des IDTe läuft und in diesem ein Messsignal auslöst.

Description

Sensorvorrichtung

[0001] Im Bereich der Micro- und Nanotechnologie finden Nanoelektromechanische Resonatoren als Sensoren (NEMS = Nanoelektromechanische Systeme) - zunehmend Anwendung. Das gesteigerte Interesse an NEMS basierten Sensoren stützt sich unter anderem darauf, dass es möglich ist, den mechanischen Resonator eines NEMS so herzustellen, dass der Sensor für eine Messaufgabe spezifische Eigenschaften aufweist und dafür auch maßgeschneidert herstellbar ist, was jedoch ein hohes Maß an Kontrolle über die mechanischen Eigenschaften des Resonators erfordert. Diese sind zum Beispiel die kohärente Steuerung der mechanischen Schwingungen, die Feinabstimmung der Kopplungseigenschaften mit anderen mechanischen Systemen oder mit anderen physikalischen Freiheitsgraden oder die Kontrolle über dissipative und nichtlineare Effekte.

[0002] Aktuelle Anwendungsbereiche sind dabei das hochsensitive Messen von Kräften,

Massen, Gaskonzentrationen, und Temperatur.

[0003] Obwohl, im Bereich der Massenspektrometrie, die hohe Sensitivität der NEMS von Bedeutung ist, ist die Anwendung insbesondere in diesem Bereich limitiert. Das liegt daran, dass NEMS aufgrund ihrer geringen räumlichen Ausdehnung, die zu untersuchenden Partikel nicht wirksam einfangen können. Eine Herangehensweise, um dieses Problem zu lösen besteht darin, mehrere einzelne mechanischen Resonatoren auf engerem Raum zu verwenden. Eine derartige Anordnung der mechanischen Resonatoren auf dem Trägermaterial des NEMS wird als zweidimensionales Array bezeichnet. Bargatin et al. beschreibt ein Array, bei dem tausende einzelner mechanischer Resonatoren auf einem NEMS Trägermaterial angeordnet sind („LargeScale Integration of Nanoeletromechanical Systems for Gas Sensing Applications”, Nano Lett. 2012 March 14; 12(3): DO1:10.1021/nl2037479). Ein aus zwanzig Resonatoren

gebildetes Array wird von Sage et al. beschrieben in, „Single-particle mass spectrometry with arrays of frequency-addressed nanomechanical resonators“, Nat Commun 9, 3283 (2018): DO1:10.1038/s41467-018-05783-4

[0004] Die Anregung der auf der Trägermaterialoberfläche eines NEMS isoliert angeordneten mechanischen Resonatoren kann durch Oberflächenwellen (Surface Acoustic Waves, SAW's) erfolgen, welche sich durch die Trägermaterialoberfläche ausbreiten und deren Bewegung sich auf die Resonatoren überträgt und diese in mechanische Schwingung versetzt. Die räumliche Verteilung der elastischen Energie der Oberflächenwellen an der Oberfläche des Trägermaterials wird durch die Resonatoren beeinflusst. Die elastische Wellenquelle kann in Form von einem akustischen Interdigitaltransducer realisiert sein. Ein entsprechendes NEMS mit einem Array, das aus sieben unterschiedlichen geometrischen mechanischen Resonatoren gebildet wird, welche durch einen von zwei, um das Array herum angeordnete Wellenquellen getrieben werden, ist von S.Benchabane et al. in „Surface-Wave Coupling to Single Phononic Subwavelength Resonators“, https://dol.org/10.1103/PhysRevApplied.8.034016,

beschrieben.

[0005] Als Wellenquelle, d.h. zur Erzeugung der Oberflächenwellen, werden hier akustische Transducer verwendet. Ein Transducer ist ein Wandler, welcher eine als Eingangssignal erhaltene elektrische Welle in eine akustische Welle umwandelt und diese dann herausgibt, z.B. in die Oberfläche des Trägermaterials auf dem der Transducer angeordnet ist. Ein interdigitaler Transducer (IDT) ist ein akustischer Transducer, welcher fingerartige Strukturen aufweist. Diese fingerartigen Strukturen werden als Interdigitalelektroden bezeichnet. Sie sehen aus wie Zinken zweier Kämme die, ohne sich gegenseitig zu berühren, ineinandergreifen. Die fingerartigen Strukturen bestehen in der Regel aus Metall und sind auf einem piezoelektrischen Trägermaterial angeordnet. Wird eine elektrische Spannung zwischen den Kämmen angelegt, so erzeugt diese durch die erzeugte mechanische Kraft (Piezoelektrischer-Effekt) eine

Längenänderung des Trägermaterials zwischen je zwei Zinken. Wird eine

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Wechselspannung angelegt, so wird das Trägermaterial durch diese mechanische Kraft in Schwingung versetzt. Infolgedessen werden dann Oberflächenwellen erzeugt, die sich

auf dem Trägermaterial ausbreiten.

[0006] Die mechanischen Resonatoren werden häufig als zylindrische Säulen geformt, die beispielsweise einzeln, durch fokussierte lonenstrahl-induzierte Ablagerung auf einem piezoelektrischen Trägermaterial gewachsen sind und unterschiedliche geometrische Parameter aufweisen. Die Anregung der Säulen kann durch eine langwellige elastische Oberflächenwelle erfolgen. Die durch die Oberflächenwellen hervorgerufene mechanische Auslenkung der Resonatoren kann deutlich stärker sein als die Verschiebungsfelder der Oberflächenwellen aufgrund von Resonanz. Benchabane et al. berichtet in diesem Zusammenhang von einer zehnfachen Verstärkung der

Auslenkung im Vergleich zur Schwingung an der Oberfläche.

[0007] Der Nachweise der Verschiebung der Resonatoren erfolgt mittels Laser-ScanningInterferometrie. Diese Messmethode hat insbesondere zwei Nachteile. Zum einen ist sie aufgrund des notwendigen optischen Aufbaus schwer integrierbar, beispielsweise zur Herstellung eines integrierten NEMS basierten Sensors, welcher eine kleine räumliche Ausdehnung aufweisen soll. Zum anderen können mit dem optischen Nachweisverfahren die Verschiebungen mehrerer Resonatoren nicht gleichzeitig gemessen, bzw. ausgelesen werden, was aber für Anwendungen, wie beispielsweise in der Massenspektrometrie, notwendig ist. Im Gegensatz zu dem Ansatz von Benchabane et al., haben die Sensoren von Bargatin und Sage diese Nachteile nicht. Beide verwenden rein elektrische Methoden zum Treiben und Auslesen der Resonatoren. Allerdings verhindern deren rein elektrische Methoden die Bildung dichter Arrays aus Resonatoren, da durch elektrische Leitungen, die nahe an den Resonatoren platziert werden müssen, und die zum Auslesen der Resonatoren notwendig sind, nur wenig Raum für ein Array zur Verfügung steht. Der Stand der Technik hat also den Nachteil, dass die Dichte einer zweidimensionalen Arrayanordnung, bzw. eines zweidimensionalen Arrays, also die

Anzahl der Resonatoren und deren Abstände zueinander, auf Arrayanordnungen aus

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wenigen Resonatoren beschränkt ist. Um beispielsweise die Effizienz eines NEMSbasierten Massensensors zu erhöhen, müssten aber mehrere Resonatoren auf engen Raum verwendet werden. Daher wäre es vorteilhaft, wenn die Dichte des zweidimensionalen Arrays durch eine größere Anzahl von Resonatoren erhöht werden könnte. Unter einer dichten zweidimensionalen Arrayanordnung mechanischer Resonatoren versteht man insbesondere eine Arrayanordnung bei der die Resonatoren einen Abstand zueinander, d.h. beispielsweise von Resonatormittelpunkt zu Resonatormittelpunkt oder von Resonatoraußenwand zu Resonatoraußenwand, von weniger als 20 um aufweisen. Beispielsweise, dass die Resonatoren einen Abstand von

weniger als 10 um und/oder weniger als 1 um zueinander aufweisen.

[0008] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, welche die Bildung von dichten zweidimensionalen Arrayanordnungen mechanischer Resonatoren ermöglicht. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, bei welcher mehrere mechanische Resonatoren

einzeln und/oder auch gemeinsam ausgelesen werden können.

[0009] Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.

[0010] Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung weist auf, ein, insbesondere piezoelektrisches, Trägermaterial; gemäß der ersten IDT-Anordnung mindestens einen Interdigitaltransducer, welcher als Sender (IDTs) und als Empfänger (IDTe) eingerichtet ist und auf dem, insbesondere piezoelektrischen, Trägermaterial angeordnet ist; mindestens einen, insbesondere mikro bzw. nanomechanischen Resonator (MR), welcher zu dem ID Ts in einem Abstand A und zu dem IDTe in einem Abstand B auf dem, insbesondere piezoelektrischem, Trägermaterial angeordnet ist, wobei die Sensorvorrichtung eingerichtet ist, dass eine von dem IDTs ausgesendete

Oberflächenwelle als Sendesignal den MR in mechanische Schwingung versetzt und eine

von dem schwingenden MR emittierte Oberflächenwelle als Empfangssignal in Richtung

des IDTe läuft und in diesem ein Messsignal auslöst.

[0011] Alternativ weist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung auf:

ein, insbesondere piezoelektrisches, Trägermaterial; gemäß der zweiten IDT-Anordnung mindestens einen Interdigitaltransducer, welcher als Sender (IDTs) und mindestens einen Interdigitaltransducer, welcher als Empfänger (IDTe) eingerichtet ist und auf dem, insbesondere piezoelektrischen, Trägermaterial angeordnet ist, mindestens einen, insbesondere mikro-, mechanischen Resonator (MR), welcher zu dem IDTs in einem Abstand A und zu dem IDTe in einem Abstand B auf dem, insbesondere piezoelektrischen, Trägermaterial angeordnet ist, wobei die Sensorvorrichtung eingerichtet ist, dass eine von dem IDTs ausgesendete Oberflächenwelle als Sendesignal den MR in mechanische Schwingung versetzt und eine von dem schwingenden MR emittierte Oberflächenwelle als Empfangssignal in Richtung des IDTe läuft und in diesem

ein Messsignal auslöst.

[0012] Unter einer Sensorvorrichtung ist insbesondere ein Sensor zu verstehen. Ein Sensor, auch als Detektor, (Messgrößen- oder Mess-)Aufnehmer oder (Mess-)Fühler bezeichnet, ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften (physikalisch z. B. Masse, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schallfeldgrößen, Beschleunigung oder chemisch z. B. pH-Wert, lonenstärke, elektrochemisches Potential) und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Diese Größen werden mittels physikalischer, chemischer oder biologischer Effekte erfasst und in ein weiter verarbeitbares, insbesondere elektrisches, Signal umgeformt. Unter einem NEMS kann

eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zu verstehen sein.

[0013] Für die Messtechnik wird der Begriff Aufnehmer (Messgrößen-Aufnehmer) verwendet und definiert als der Teil einer Messeinrichtung, der auf eine Messgröße

unmittelbar anspricht. Damit ist der Aufnehmer das erste Element einer Messkette. Der

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Aufnehmer gehört zu den Messumformern, bei gleicher physikalischer Größe an Eingang

und Ausgang auch zu den Messwandlern.

[0014] Die Abgrenzung der Begriffe Sensor und Messgrößenaufnehmer, Messfühler, Messgerät, Messeinrichtung etc. ist fließend, da dem Sensor zusätzlich zum eigentlichen

Aufnehmer teilweise weitere Elemente der Messkette zugeordnet werden können.

[0015] Unter einem Trägermaterial versteht man ein Substrat, auf das der NEMS zumindest teilweise strukturell aufgebaut ist. Bevorzugt erhält die Sensorvorrichtung durch das Substrat eine formstabile Struktur, so dass die Sensorvorrichtung als ein einzelnes Bauteil verwendet werden kann. Besonders bevorzugt ist als Trägermaterial ein piezoelektrisches Material und/oder weist ein piezoelektrisches Verhalten auf. Das Trägermaterial kann aus mehreren unterschiedlichen Materialien, insbesondere aus funktionellen Materialien aufgebaut sein. Funktionelle Materialien in diesem Zusammenhang sind Materialien, die für die Funktion der Sensorvorrichtung notwendig sind, oder auf diese positive Auswirkungen haben, 1.S. einer verbesserten mechanischen Festigkeit des Bauteils, Sensitivität, Effizienz oder Reproduzierbarkeit der Messung. Beispielsweise piezoelektrische Materialien, thermisch isolierende Materialien, elektrisch leitende und/oder elektrisch isolierende Materialien, akustisch dämpfende Materialien. Besonders bevorzugt kann auf das piezoelektrische Material des Trägermaterials eine

interdigitale Transducer Struktur, insbesondere unmittelbar, aufgebracht werden.

[0016] Unter einem Interdigitaltransducer (IDT) versteht man einen akustischer Transducer, welcher fingerartige Strukturen aufweist. Unter einem akustischen Transducer versteht man einen Wandler, welcher eine als Eingangssignal erhaltene elektrische Welle in eine akustische Welle umwandelt und diese herausgibt. Die fingerartigen Strukturen werden als Interdigitalelektroden bezeichnet. Sie sehen aus wie Finger oder wie Zinken zweier Kämme die, ohne sich gegenseitig zu berühren, ineinandergreifen. Die fingerartigen Strukturen bestehen in der Regel aus Metall und sind

auf einem, insbesondere piezoelektrischem, Trägermaterial angeordnet. Wird eine

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elektrische Spannung zwischen den Kämmen angelegt, so erzeugt diese durch die erzeugte mechanische Kraft (Piezoeffekt) eine Längenänderung des Trägermaterials zwischen je zwei Zinken oder Fingern. Wird eine Wechselspannung angelegt, so wird das Trägermaterial durch diese mechanische Kraft in Schwingung versetzt. Infolgedessen werden Oberflächenwellen erzeugt, die sich auf dem Trägermaterial ausbreiten. Der Piezoeffekt beschreibt die Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wie dem Trägermaterial, wenn sie elastisch verformt werden. Umgekehrt verformen sich

Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung.

[0017] Unter einem Sender versteht man vorliegend einen akustischen Transducer, welcher eingerichtet ist, ein Sendesignal in Form einer Oberflächenwelle auszusenden. Die Abstrahlleistung oder Sendeleistung des Senders ist dabei eingerichtet, dass sich das Signal als eine Oberflächenwelle zumindest über einen vorbestimmten Bereich des Trägermaterials ausbreitet und ist ferner dazu eingerichtet, die mechanischen

Resonatoren zu Schwingungen anzuregen.

[0018] Unter einem Empfänger versteht man vorliegend einen akustischen Transducer, welcher eingerichtet ist, eine Oberflächenwelle als Empfangssignal zu empfangen. Die Empfindlichkeit des Empfängers ist dabei eingerichtet, eine von dem Sender abgestrahlte Oberflächenwelle, welche sich zumindest über einen vorbestimmten Bereich des Trägermaterials ausgebreitet hat, zu empfangen, so dass ein Messsignal ausgelöst wird. Ferner ist die Empfindlichkeit des Empfängers ausgebildet, eine von einem mechanischen Resonator emittierte Oberflächenwelle zu empfangen, so dass ein

Messsignal ausgelöst wird.

[0019] Unter einem, insbesondere mikro- und/oder nano-, mechanischen Resonator versteht man vorliegend einen im Größenbereich von Mikro- und/oder Nanometern dimensionierten mechanischen Resonator. Ein Resonator ist eine schwingungsfähige

Vorrichtung, oder ein schwingungsfähiges System, das Resonanz oder 7

Resonanzverhalten zeigt. Das heißt, der Resonator schwingt bei bestimmten Frequenzen, den so genannten Resonanzfrequenzen, mit größerer Amplitude als bei anderen Frequenzen. Die Schwingungen in einem Resonator sind vorliegend mechanisch, einschließlich akustisch, können aber auch, insbesondere zusätzlich, elektromagnetisch sein. Der Resonator kann auf eine oder mehrere der bestimmten Frequenzen, sogenannte Eigenfrequenzen, in der Art abgestimmt sein, dass der Resonator bei insbesondere breitbandiger Anregung im Wesentlichen nur mit diesen Frequenzen schwingt. Ein mechanischer Resonator ist vorliegend ein bevorzugt akustisch schwingender Resonator, d.h. ein Festkörper dessen Atome kollektiv zu Schwingungen angeregt werden und auch als phononischer Resonator bezeichnet wird. Ein Festkörper, 1.S. von Materie im festen Aggregatszustand, kann ein aus mehreren festen Körpern zusammengesetzter Körper sein. Dabei sind die Schwingungsmoden des Körpers zumindest teilweise vorbestimmt, so dass diese über vorbestimmte Anregungsfrequenzen, insbesondere mittels Oberflächenwellen, in Schwingung versetzt werden können. Bevorzugt wird ein mechanischer Resonator durch den bloßen mechanischen Kontakt zwischen dem Resonator und dem Trägermaterial, auf dem sich die Oberflächenwelle ausbreitet, in Schwingung versetzt. Die mechanischen Resonatoren können in unterschiedlichsten Geometrien ausgeführt sein. Bevorzugte Geometrien sind zylinderförmig oder säulenförmig oder stabförmig oder Mischformen davon. Die mechanischen Resonatoren können durch Aufeinanderstapeln mehrerer zylinderförmiger oder säulenförmiger oder stabförmiger Resonatoren zusammengesetzt sein und somit ein schwingungsfähiges System bilden, dass als ein mechanischer Resonator zu Schwingungen angeregt werden kann mittels Oberflächenwellen. Die mechanischen Resonatoren können aus einem Material oder aus mehreren

unterschiedlichen Materialen aufgebaut und/oder zusammengesetzt sein.

[0020] Unter einem Abstand versteht man vorliegend eine räumliche Distanz, insbesondere die räumliche Distanz zwischen einem Interdigitaltransducer und einem mechanischen Resonator, gemessen von einem Punkt der Interdigitalstruktur des

Transducers beispielsweise zum Mittelpunkt des Resonators oder zu dessen 8

Außenwand. Werden mehrere mechanische Resonatoren in einem Bereich, d.h. innerhalb einer geometrisch abgrenzbaren Fläche, z.B. innerhalb eines Kreises oder eines Ovals, auf dem Trägermaterial positioniert, so ist der Abstand zwischen einem Interdigitaltransducer und einem mechanischen Resonator, als der Abstand aufzufassen, der zwischen dem Interdigitaltransducer und einem Mittelpunkt des Bereichs besteht. Der Mittelpunkt muss dabei nicht der geometrische Mittelpunkt des Bereichs sein, sondern kann ein im Wesentlichen mit diesem Mittelpunkt übereinstimmenden Punkt sein. Beispielsweise ein Punkt der bei einem kreisförmigen Bereich dem Kreismittelpunkt in etwa entspricht. Als Array wird in diesem Zusammenhang die zweidimensionale Anordnung der mechanischen Resonatoren auf dem Trägermaterial bezeichnet, wobei die Anordnung der Resonatoren keine Regelmäßigkeit im Sinne gleicher Abstände zwischen den Resonatoren oder Symmetrien aufweisen muss. Der Abstand kann zum Beispiel durch Messen von einem Finger der interdigitalen Struktur zur Außenwand oder zum Mittelpunkt oder zum Symmetriepunkt des mechanischen Resonators bestimmt

sein.

[0021] Unter einer Oberflächenwelle versteht man allgemein eine mechanische Deformation der Oberflaeche in Form einer Welle. Unter einer Oberflächenwelle versteht man vorliegend insbesondere eine akustische Oberflächenwelle (Surface Acoustic Wave, SAW). Eine akustische Oberflächenwelle ist eine akustische Welle, die sich entlang der Oberfläche eines elastischen Materials ausbreitet und deren Amplitude in der Regel exponentiell mit der Tiefe des Materials abnimmt, so dass sie auf eine Tiefe von etwa einer Wellenlänge begrenzt ist. Die auch als Rayleigh-Wellen bezeichneten Oberflächenwellen haben eine longitudinale und eine transversale Scherkomponente, die mit beliebigen Medien wie zusätzlichen Schichten, die in Kontakt mit der Oberfläche des Materials sind, in dem sich die Oberflächenwelle ausbreitet, koppeln können. Diese Kopplung wirkt sich stark auf die Amplitude und die Geschwindigkeit der Welle aus. Unter Oberflächenwellen fallen auch akustische Oberflächenwellen, wie z. B. Love-Wellen, die in der Ebene der Oberfläche polarisiert sind und nicht in Längsrichtung und vertikal

polarisiert.

Ähnlich einer Rayleigh-Welle, erzeugen auch Lamb-Wellen in Platten eine longitudinale und eine vertikale Auslenkung an den Plattenoberflächen, weswegen unter

Oberflächenwellen auch Anwendungen fallen bei denen Lamb-Wellen erzeugt werden.

[0022] Unter einem Sendesignal versteht man vorliegend die von dem Sender,

insbesondere an das Trägermaterial, abgegebene Oberflächenwelle.

[0023] Unter einem Empfangssignal versteht man vorliegend eine Oberflächenwelle, die insbesondere von einem schwingenden Resonator emittiert, d.h. abgegeben wurde und

geeignet ist, in einem akustischen Transducer ein Messignal auszulösen.

[0024] Unter einem Messsignal versteht man das von der Sensorvorrichtung umgeformte

weiter verarbeitbare elektrische Signal.

[0025] Unter einer mechanischen Schwingung versteht man vorliegend bevorzugt die Gitterschwingung eines Festkörpers. Der Festkörper ist dabei als ein mechanischer

Resonator ausgebildet und wird mittels einer Oberflächenwelle in Schwingung versetzt.

[0026] Unter einer emittierten Oberflächenwelle versteht man eine ausgesendete Oberflächenwelle, die beispielsweise von einem akustischen Transducer ausgesendet wurde. Alternativ kann eine emittierte Oberflächenwelle auch von einem mechanischen Resonator ausgesendet werden, wenn dieser in Schwingung versetzt wurde,

beispielsweise durch eine akustische Oberflächenwelle.

[0027] Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung bietet den Vorteil, dass eine von dem IDTs ausgesendete Oberflächenwelle als Sendesignal den MR in mechanische Schwingung versetzt und eine von dem schwingenden MR emittierte Oberflächenwelle als Empfangssignal in Richtung des IDTe läuft und in diesem ein Messsignal auslöst. Dadurch wird keine optische Messtechnik, wie z.B. Laser-Scanning-Interferometrie zum

Nachweis eines Verschiebungsfeldes an dem mechanischen Resonator benötigt. Somit 10

besteht keine Einschränkung bei der räumlichen Anordnung mehrerer mechanischer Resonatoren innerhalb eines Bereichs auf dem Trägermaterial, insbesondere nicht aufgrund von elektrischen Leitungen. Somit kann die Dichte des Arrays aus Resonatoren vorteilhaft erhöht werden, um beispielsweise eine höhere Effizienz der Sensorvorrichtung zu erzielen. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung hat, insbesondere im Vergleich zu optischen Messtechniken, wie z.B. der Laser Scanning Interferometrie, ferner den Vorteil, dass mehrere mechanische Resonatoren gleichzeitig, d.h. miteinander oder gemeinsam vermessen bzw. ausgelesen werden können und/oder das mehrere mechanische

Resonatoren einzeln, d.h. individuell vermessen bzw. ausgelesen werden können.

[0028]In einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung werden mindestens ein interdigitaler Transducer als Sender eingesetzt und mindestens ein weiterer, davon räumlich getrennter interdigitaler Transducer als Empfänger. Die Abstände A, B der Sender (IDTs) und/oder Empfänger (IDTe) Transducer sind so eingerichtet, dass eine vom IDTs gesendete Oberflächenwelle mindestens einen mechanischen Resonator in mechanische Schwingung versetzt, so dass dieser eine Oberflächenwelle emittiert, und in Richtung des mindestens einen IDTe aussendet, so dass der IDTe ein Empfangssignal erhält. Dabei kann die Sensorvorrichtung mehrere gleiche mechanischen Resonatoren aufweisen, oder die Sensorvorrichtung kann mehrere unterschiedliche mechanische Resonatoren aufweisen, oder Mischformen aus gleichen und unterschiedlichen mechanischen Resonatoren. Im Fall von unterschiedlichen Resonatoren, schwingen die Resonatoren bei verschiedenen Frequenzen, sodass man sie voneinander unterscheiden kann. Beispielsweise sendet ein IDTs eine Oberflächenwelle aus mit den Frequenzen f1 und f2, so werden im Wesentlichen nur diese zwei Resonatoren angeregt,

die bei den Frequenzen f1 und f2 schwingen können.

[0029]Als eine alternative erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann die Sensorvorrichtung mindestens einen interdigitaler Transducer aufweisen, der als Sender und als Empfänger arbeitet. Für einen als Sender und als Empfänger arbeitenden

Transducer wird der Begriff bipolarer Transducer synonym verwendet. Dabei kann der

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akustische Transducer zuerst als Sender eine Oberflächenwelle in Richtung des mindestens einen mechanischen Resonators senden, und so den mindestens einen Resonator in mechanische Schwingung versetzen. Dies bewirkt, dass eine Oberflächenwelle von dem Resonator erzeugt wird und in Richtung des Senders zurückläuft. Da der Sender eingerichtet ist, auch als Empfänger zu funktionieren, wirkt die zurücklaufenden Oberflächenwelle dann als Empfangssignal und versetzt die interdigitale Struktur des bipolaren Transducer in Schwingung, wodurch eine elektrische Spannung als Messsignal an diesem bipolaren Transducer ausgelöst wird. Dabei kann die Sensorvorrichtung mehrere gleiche mechanischen Resonatoren aufweisen, oder die Sensorvorrichtung kann mehrere unterschiedliche mechanische Resonatoren aufweisen, oder Mischformen aus gleichen und unterschiedlichen mechanischen Resonatoren. Im Fall von unterschiedlichen Resonatoren, schwingen die Resonatoren bei verschiedenen

Frequenzen, sodass man sie voneinander unterscheiden kann.

[0030] Weitere, alternative erfindungsgemäße Sensorvorrichtungen sind solche, die Mischformen von bipolarem Transducer, und unipolarem Transducer aufweisen. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer NEMS mindestens einen bipolaren und mindestens einen unipolaren Transducer aufweisen, wobei der mindestens eine unipolare Transducer als Sender (ID Ts) oder als Empfänger (IDTe) arbeiten kann. Ferner weist ein erfindungsgemäßer NEMS mindestens einen bipolaren Transducer auf. Dabei kann Sensorvorrichtung mehrere gleiche mechanischen Resonatoren aufweisen, oder die Sensorvorrichtung kann mehrere unterschiedliche mechanische Resonatoren aufweisen, oder Mischformen aus gleichen und unterschiedlichen mechanischen Resonatoren. Im Fall von unterschiedlichen Resonatoren, schwingen die Resonatoren

bei verschiedenen Frequenzen, sodass man sie voneinander unterscheiden kann.

[0031] In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Abstand A zwischen einem IDTs und dem mindestens einen mechanischen Resonator größer oder kleiner als der Abstand

B zwischen einem IDTe sein. Diese geometrische Anordnung der Transducer Abstände

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hat den Vorteil, dass Anisotropien im Trägermaterial berücksichtigt werden können, was

zu einem verbesserten Signal führt.

[0032] In einer bevorzugten Ausführungsform ist der IDTe in einem Winkelbereich 10 — 360 Grad, bevorzugt in einem Winkelbereich von 70 — 110 Grad, weiter bevorzugt in einem Winkelbereich von 170 — 210 Grad, weiter bevorzugt in einem Winkelbereich von 250 — 290 Grad, weiter bevorzugt in einem Winkelbereich von 300 — 350 Grad zur Ausbreitungsrichtung der von dem IDTs ausgesendeten Oberflächenwelle auf dem Trägermaterial (2) angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der IDTe in einem Winkel von ungefähr 90 Grad zur Ausbreitungsrichtung der von dem IDTs ausgesendeten Oberflächenwelle auf dem Trägermaterial (2) angeordnet. Die Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle entspricht der Richtung, in die die Oberflächenwelle zur Anregung des Resonators läuft. Die Ausbreitungsrichtung kann durch eine gerade Linie, oder gerade Strecke zwischen dem mindestens einen Resonator und dem IDTs beschrieben sein, wobei beide auf dem Trägermaterial angeordnet sind. Die Linie kann sich dabei ausgehend von einem frei wählbaren Punkt auf der Interdigitalstruktur des IDTe, beispielsweise zum Mittelpunkt des mechanischen Resonators erstrecken. Die Ausbreitungsrichtung kann durch eine Linie zwischen dem IDTs und dem Bereich bestimmt sein, in dem die mehreren mechanischen Resonatoren auf dem Trägermaterial angeordnet sind. Die Linie kann sich dabei ausgehend von einem frei wählbaren Punkt auf der Interdigitalstruktur des IDTe, beispielsweise zum Mittelpunkt des Bereichs, in dem die mechanischen Resonatoren angeordnet sind, erstrecken. Insbesondere kann die Ausbreitungsrichtung der kleinste Abstand zwischen dem IDTe und dem mindestens einen mechanischen Resonator sein und/oder dem Bereich sein, in

dem die mehreren mechanischen Resonatoren auf dem Trägermaterial angeordnet sind.

[0033] Einen Winkelbereich versteht man wie folgt: Legt man auf einem Kreis zwei beliebige Punkte fest, an denen ein IDTs und ein IDTe auf dem Substrat angeordnet sein sollen und verbindet diese durch Strecken mit dem Mittelpunkt des Kreises, wobei in dem

Mittelpunkt ein mechanischer Resonator angeordnet ist, so stellen die beiden Teile der

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Kreisfläche, die durch diese Strecken voneinander getrennt werden, Kreisausschnitte (auch Kreissektor genannt) dar. In dieser Anordnung entspricht die Strecke von dem IDTs zum Kreismittelpunkt der Ausbreitungsrichtung der SAW. Ein Kreisausschnitt wird also gleichsam von zwei Radien aus einem Kreis „herausgeschnitten“. Der zu einem Kreissektor gehörende Teil der Kreislinie wird als Kreisbogen bezeichnet, der Winkel zwischen den beiden Radien vorliegend als Winkelbereich (auch Mittelpunktswinkel genannt). Anstelle eines Kreises können die zwei beliebigen Punkte auch auf einer im Wesentlichen kreisförmigen, z.B. einer ovalen Geometrie festgelegt werden. Beispielsweise kann der Anspruchswortlaut „in einem Winkelbereich von 70 — 110 Grad“ bedeuten, dass der tatsächliche Mittelpunktswinkel der Anordnung des IDTe zur Ausbreitungsrichtung innerhalb des Bereichs von 70 und 110 Grad liegt. Eine mögliche Anordnung des IDTe zur Ausbreitungsrichtung kann also einen konkreten Wert des Mittelpunktwinkels von 80, 90 oder 100 Grad aufweisen um innerhalb des Winkelbereichs

von 70 — 110 Grad zu sein.

[0034] Die Anordnung von 90 Grad hat den Vorteil, dass eine SAW, die direkt von dem IDTs in den ID Te läuft, dort nur ein minimales Signal erzeugt, da die Fingerstruktur des

IDTe senkrecht bzw. weitgehend senkrecht zur SAW Wellenfront steht.

[0035] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der mechanische Resonator säulenförmig ausgebildet. Andere Geometrien, z.B. eine rechteckförmige, eine zylinderförmige, eine kegelförmige, ein Stapel aus scheibenförmigen Segmenten, oder Mischformen der genannten Geometrien, die durch Schichten oder Stapeln schwingungsfähig miteinander verbunden sind, sind ebenfalls mögliche Geometrien. Eine säulenförmige Geometrie, eines auch als Säulenresonators bezeichneten Resonators, hat den Vorteil, dass er sich am einfachsten herstellen lässt und

mathematisch als Punktquelle beschrieben werden kann.

[0036] In einer bevorzugten Ausführungsform weist der säulenförmige Resonator einen

Durchmesser zwischen 1 nm und 10 um, bevorzugt zwischen 25 nm und 1 um, besonders

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bevorzugt zwischen 50 nm und 200 nm auf. Der Durchmesser D ist dabei in der Ebene des Trägermaterials gemessen. Bei einer zylindrischen oder säulenförmigen Geometrie des Resonators entspricht der Durchmesser dem geometrischen Durchmesser eines Zylinders, gemessen in der Ebene des Trägermaterials auf der der Resonator angeordnet

ist.

[0037] In einer bevorzugten Ausführungsform weist der säulenförmige Resonator eine Höhe zwischen 10 nm und 10 um, bevorzugt zwischen 50 nm und 5 um, besonders bevorzugt zwischen 200 nm und 2 um auf. Die Höhe H entspricht der Ausdehnung des Resonators in senkrechter Richtung zum Trägermaterial, auf der der Resonator

angeordnet ist.

[0038]In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Trägermaterial ein piezoelektrisches Material auf oder besteht das Trägermaterial aus einem piezoelektrischen Material, insbesondere Lithiumniobat (LINDO3) oder Quartz (SiO2) oder Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AIN), oder Zirconat Titanat (PZT), oder Lithiumtantalat (LiTaO3), oder Mischformen davon. Lithiumniobat (LiNDO3) hat den Vorteil, dass es eine hohe piezoelektrische Kopplungskonstante gegenüber anderen

piezoelektrischen Materialen aufweist und daher zu einer guten Signalqualität führt.

[0039] In einer bevorzugten Ausführungsform ist der IDTs und/oder der IDTe als fokussierender, insbesondere interdigitaler, Transducer ausgebildet. In diesem Fall kann der Transducer eine zumindest teilweise konische oder pfeilförmige Geometrie aufweisen, insbesondere kann der Transducer in seiner Gesamtheit konisch oder auch pfeilförmig ausgebildet sein. Insbesondere ist die interdigitale Struktur des Transducer zumindest abschnittsweise bogenförmig ausgebildet. Der Transducer kann aber auch eine rechteckförmige Geometrie aufweisen. Eine konische, insbesondere fokussierende Geometrie hat den Vorteil, dass sich die Oberflächenwellen mit einer höheren Intensität in eine bevorzugte Richtung, z.B. in Richtung der Resonatoren, ausbreiten. Weiter bevorzugt, kann der mindestens eine als Sender eingerichtete Transducer ein

fokussierender Transducer sein. Weiter bevorzugt können der eine oder die mehreren 15

als Sender eingerichtete Transducer als fokussierende Transducer eingerichtet sein und der mindestens eine als Empfänger eingerichtete Transducer nicht fokussierend eingerichtet sein. Weiter bevorzugt kann der eine oder die mehreren als Empfänger eingerichtete Transducer als fokussierende Transducer eingerichtet sein und der mindestens eine als Sender eingerichtete Transducer nicht fokussierend eingerichtet

sein.

[0040] In einer bevorzugten Ausführungsform weist der IDTs und/oder der IDTe eine Fingerbreite zwischen 50 nm und 20 um, bevorzugt zwischen 200 nm und 10 um, besonders bevorzugt zwischen 1 um und 5 um auf. Unter einer Fingerbreite versteht man die breite eines Fingers der Interdigitalstruktur, gemessen in paralleler Richtung zum

Trägermaterial auf dem die Interdigitalstruktur angeordnet ist.

[0041] In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens ein interdigitaler Transducer Aluminium, oder Silber, oder Gold, oder Platin, oder Kupfer, oder Nickel, oder Titan, oder Niob, oder Mischformen davon, zur Ausbildung der interdigitalen Struktur auf

oder besteht daraus.

[0042] In einer bevorzugten Ausführungsform weist A einen Wert zwischen 50 um 2000 um und B einen Wert zwischen 50 um und 2000 um, bevorzugt A einen Wert zwischen 150 um und 1500 um und B einen Wert zwischen 150 um und 1500 um, weiter bevorzugt A einen Wert zwischen 300 um und 1000 um und B einen Wert zwischen 300 um und 1000 um. Dabei sollen die Werte von A und B auch innerhalb der definierten Bereiche liegen können. Beispielsweise kann A einen Wert von 50 um oder 200 um aufweisen und

liegt damit innerhalb des angegebenen Bereichs zwischen 50 um und 2000 um.

[0043] In einer bevorzugten Ausführungsform der Sensorvorrichtung, ist neben einem Interdigitaltransducer mindestens eine Elektrode auf dem Trägermaterial angeordnet. Der Begriff „neben“ ist so zu verstehen, dass wenn zwei Transducer nebeneinander oder benachbart zueinander angeordnet sind, kein weiterer Transducer dazwischen

angeordnet ist. Insbesondere zwischen benachbarten Interdigitaltransducern können 16

mindestens eine Elektrode auf dem Trägermaterial angeordnet sein. Aufgrund der interdigitalen Struktur der Transducer wirkend diese als Antennen, weshalb elektrische Signale von außerhalb der Sensorvorrichtung, durch diese ebenfalls empfangen und zu einem Signalrauschen führen. Die Anordnung der Elektroden zwischen benachbarten Transducern hat den Vorteil, dass dadurch das entstehende Signalrauschen zumindest teilweise unterdrückt werden und somit das Signal Rausch Verhältnis der

Sensorvorrichtung verbessert wird.

[0044] Ferner betrifft die Erfindung ein System, welches eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung aufweist. Das erfindungsgemäße System umfasst eine Ansteuerungseinheit zur Ansteuerung mindestens eines IDTs und eine Auswerteeinheit zur Auswertung eines Messignals des mindestens einen IDTe, wobei vorzugsweise die Ansteuerungseinheit ein elektrisches Signal an mindestens einen IDTs zur Erzeugung einer Oberflächenwelle als Sendesignal ausgibt und das Sendesignal den mindestens einen mechanischen Resonator in Schwingung versetzt und eine von dem mindestens einen schwingenden MR emittierte Oberflächenwelle als Empfangssignal in Richtung des mindestens einen IDTe läuft und in diesem das Messsignal auslöst, wobei vorzugsweise durch die Auswerteeinheit das Messignal verarbeitet wird, insbesondere das Messsignal des mindestens einen IDTe auf eine Änderung eines Amplitudensignals (17) bei einer durch den mindestens einen mechanischen Resonator (5) vorbestimmten Resonanzfrequenz (14) verfolgt wird. Die Ansteuerungseinheit und die Auswerteeinheit können unterschiedliche Geräte sein oder im selben Gerät vereint sein. Solche vereinten

Geräte sind typischerweise Lock-in Verstärker oder Netzwerkanalysatoren.

[0045] In einer bevorzugten Ausführungsform des Systems, ist das System eingerichtet, die Verfolgung der Frequenz, insbesondere der Resonanzfrequenz und der Amplitude durch eine Oszillatorschaltung, wie zum Beispiel ein phase-locked loop (PLL) oder selfsustaining oscillator (SSO), auszuführen. Die PLL und die SSO sind closed-loop Schaltungen, die einzelne Resonatoren kohärent bei einer definierten Resonanzfrequenz

und mit einer definierten Amplitude antreiben und so zum Schwingen bringen. Die

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Schwingfrequenz dieses NEMS-Schwingkreises ist identisch mit der Resonanzfrequenz des Resonators und erlaubt die Verfolgung von Veränderungen der Resonanzfrequenz und der Amplitude in Echtzeit. Solche Schwingkreise können gleichzeitig für mehrere

Resonatoren betrieben werden.

[0046] Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer

erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte

aufweist: A) Bereitstellen eines, insbesondere piezoelektrischen, Trägermaterials; B) Aufbringen der ersten IDT-Anordnung oder der zweiten IDT-Anordnung auf dem Trägermaterial; C) Aufbringen mindestens eines mechanischen Resonators auf das

Trägermaterial,

wobei der Schritt B optional ausgeführt werden kann durch mindestens die

folgenden Schritte:

a. Aufbringen einer Metallschicht auf das Trägermaterial zur Ausbildung einer interdigitalen Struktur mindestens eines interdigitalen Transducer, welcher als Sender (IDTs) und als Empfänger (IDTe) dient, gemäß der ersten IDTAnordnung; ODER Aufbringen einer Metallschicht auf das Trägermaterial zur Ausbildung einer interdigitalen Struktur mindestens eines interdigitalen Transducer, welcher als Sender (IDTs) und mindestens eines interdigitalen Transducer welcher

als Empfänger (IDTe) dient, gemäß der zweiten IDT-Anordnung;

b. Ausbilden der interdigitalen Struktur des mindestens einen IDT auf dem Trägermaterial, vorzugsweise mittels:

— Photolithographie und Ätzprozess; oder

18

— mittels Photolithographie und Lift-off Prozess,

wobei der Schritt C optional ausgeführt werden kann durch mindestens einen der

folgenden Schritte:

— Focused Electron Beam Induced Deposition (FEBID), oder

— Photolithographie und physical vapour deposition (PVD), oder

— Photolithographie und chemical vapour deposition (CVD), oder

— Photolithographie und Aufdampfen oder Zerstäubungsprozess (Sputtern), oder — lon-Beam Induced Deposition (IBID), oder

— Nass oder Trocken-Ätzen in das Trägermaterial, oder

— Strukturierung von Fotolacken, insbesondere Strukturierung von SU-8, oder

— Metal-Organic Vapor Phase Epitaxie.

[0047] Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung und des Verfahrens zu deren Herstellung, sowie des Systems der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren und deren Beschreibung. Gleiche Bauteile werden im Wesentlichen durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, falls dies nicht anders beschrieben wird oder

sich nicht anders aus dem Kontext ergibt.

[0048] Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Sensorvorrichtung 1.

[0049] Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Sensorvorrichtung 1.

19

[0050] Fig. 3 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Ausführungsform eines mechanischen Resonators 5 der erfindungsgemäßen

Sensorvorrichtung 1.

[0051] Fig. 4 a —-c zeigt schematisch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen

Sensorvorrichtung 1.

[0052] Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Systems 10.

[0053]In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der „erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1 auf einem Trägermaterial 2 dargestellt, unter Verwendung der ersten IDT-Anordnung. Bei Fig. 1 ist ausgehend vom linken, oberen Bildrand eine interdigitale Struktur 6, 18 eines akustischen Transducers (IDT) 3, 4 gezeigt. Die interdigitale Struktur des Transducer 3, 4 ist bogenförmig ausgebildet, so dass sich eine konische Form des Transducer ergibt, die in Richtung des mechanischen Resonators 5 ausgerichtet ist, so dass eine als Sendesignal 7 abgestrahlte Oberflächenwelle auf den mechanischen Resonator 5 fokussiert wird. Zusätzlich ist in Fig. 1, eine elektronenmikroskopische Ansicht eines zylinderförmigen mechanischen Resonators 5 neben der gezeigten Sensorvorrichtung 1 dargestellt. Der mechanische Resonator 5, sowie der in Fig. 1 als Sender und als Empfänger dienende Transducer 3, 4 sind auf dem Substrat 2 angeordnet. Eine von dem mechanischen Resonator 5 emittierte Oberflächenwelle als Empfangssignal 8 ist ebenfalls gezeigt. In dieser in Fig. 1 dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform ist lediglich ein bipolarer Transducer 3, 4 notwendig, um eine mechanische Schwingung des dargestellten Resonators 5 zu erzeugen und zu detektieren. Die Sensorvorrichtung weist ferner zwei Elektroden 11 auf. Die Elektroden 11 sind auf dem Substrat 2 angeordnet und zu dem Transducer 3, 4 unmittelbar benachbart positioniert. Die Elektroden 11 haben die Aufgabe, ein insbesondere

hochfrequentes elektrisches Einkoppeln externer Quellen in die Sensorvorrichtung 1 zu

20

verhindern. Dies hat den Vorteil, dass eine verbesserte Signalqualität erreicht werden kann, da ein elektrisches Einkoppeln das Rausch zu Signal Verhältnis des Messsignals

9 negativ beeinflussen kann.

[0054] Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1, wobei Fig. 2 sich von Fig. 1 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass zwei unipolare Transducer (IDT) 3, 4 auf dem Substrat 2 angeordnet sind, also die zweite IDT-Anordnung verwendet wird. In Fig. 2 ist weiter eine Linie gestrichelt eingezeichnet. Diese Linie verläuft mittig zwischen dem als Sender 3 wirkenden Transducer und dem mechanischen Resonator 5. In einem Winkel (nicht eingezeichnet) von ca. 90 Grad zu dieser gestrichelten Linie ist der Empfänger Transducer 4 positioniert, so dass eine Oberflächenwelle als Empfangssignal 8, die von dem schwingenden Resonator 5 emittiert wird, in Richtung des Empfängers 4 läuft und dort ein Messsignal 9 auslöst. Die Sensorvorrichtung weist ferner drei Elektroden 11 auf. Die Elektroden 11 sind auf dem Substrat 2 angeordnet und zu den beiden Transducer 3, 4 jeweils benachbart positioniert. Die Elektroden 11 haben die Aufgabe, ein insbesondere hochfrequentes elektrisches Einkoppeln externer Quellen in die Sensorvorrichtung 1 und ein Übersprechen vom als Sender 3 wirkenden Transducer (IDTs) zum Empfänger Transducer 4 (IDTe) zu verhindern. Ein elektrisches Einkoppeln, bzw. Übersprechen kann das Rausch zu Signal Verhältnis des Messsignals 9 negativ beeinflussen. Die Verwendung von Elektroden 11 hat den Vorteil, dass eine verbesserte Signalqualität

erreicht werden kann.

[0055] Fig. 3 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Ausführungsform eines mechanischen Resonators 5 der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1. Der Resonator 5 ist hier säulenförmig ausgebildet, oder als Säulenresonator. Der Resonator 5 ist unmittelbar auf der Substratoberfläche des Substrats 2 schwingungsfähig aufgebracht. Der dargestellte Säulenresonator weist eine Höhe H gemessen senkrecht zur Oberfläche des Substrat 2 (Längsausdehnung) von ca. 1,9 um auf und einen

Durchmesser D oder eine Breite, gemessen horizontal zur Oberfläche des Substrat 2 von

21

702,4 nm. Die Höhe H und der Durchmesser D sind in der Fig. 3 jeweils durch gestrichelte

Linien dargestellt.

[0056] Fig. 4 a —- c zeigen schematisch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1. In Fig. 4a ist die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform gezeigt, bei der ein einzelner bipolarer Transducer (IDT) 3, 4, also die erste IDT-Anordnung, verwendet wird. Eine Vielzahl von mechanischen Resonatoren 5 mit einheitlicher Geometrie ist innerhalb eines Bereichs zu einem Array angeordnet dargestellt. Ein Sendesignal 7 wird in Richtung der Resonatoren 5 ausgesendet und versetzt diese in mechanische Schwingung. Ein Empfangssignal 8 wird von den schwingenden Resonatoren 5 emittiert. Die Resonatoren 5 können unterschiedliche Geometrien aufweisen. Die Resonatoren können insbesondere solche unterschiedlichen Geometrien aufweisen, die eingerichtet sind, unterschiedliche Resonanzfrequenzen der einzelnen

Resonatoren 5 zu realisieren.

[0057] In Fig. 4b ist die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform schematisch gezeigt. Zwei unipolare Transducer werden als Empfänger 4 oder als Sender 3 verwendet. Ferner ist eine Anzahl von Resonatoren 5 mit gleicher, d.h. einheitlicher Geometrie dargestellt, die innerhalb eines, gestrichelt dargestellten, kreisförmigen Bereichs als Array angeordnet sind. Diese Resonatoren 5 können sowohl ein gleiches, Resonanzverhalten, 1.S. von im Wesentlichen gleichen Resonanzfrequenzen aufweisen oder auch ein unterschiedliches Resonanzverhalten, i.S. von im Wesentlichen unterschiedlichen Resonanzfrequenzen aufweisen. Der Sender 3 ist in einem Abstand A zu dem Mittelpunkt des kreisförmigen Bereichs positioniert. Der Empfänger 4 ist in einem Abstand B zu dem Mittelpunkt des kreisförmigen Bereichs positioniert. Sind die Abstände wie in Fig. 4b dargestellt unterschiedlich, d.h. A größer als B, so ergibt sich eine ovale Kontur, die in Fig 4b gestrichelt dargestellt ist. Entlang dieser Kontur ist der Sender 3 und der Empfänger 4 positioniert. Bei solch einer Anordnung ist die Signalstärke der am Empfänger aufgenommenen Oberflächenwellen besonders hoch. Der Winkel a von 90 Grad des

Winkelbereichs von 70 — 110 Grad ist durch eine gestrichelte mit Pfeilen versehene Linie 22

links in der Fig. 3b angedeutet und zwar senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der SAW des ITDs 3, die strichpunktiert gezeichnet ist und mit der Richtung des Sendesignals 7

zusammenfällt.

[0058] In Fig. 4c ist eine Ausführungsform schematisch dargestellt, bei der ein bipolarer 3, 4 und ein unipolarer 4 Transducer verwendet werden. Eine vom Sender 3 in Richtung der Resonatoren 5 als Sendesignal 5 abgegebene Oberflächenwelle wird dabei sowohl von dem bipolaren Transducer 3, 4, als auch von dem dazu unter 90 Grad angeordneten unipolaren Empfänger empfangen. Dadurch kann ein erstes und ein zweites Messignal 9 ausgegeben werden. In solche einer Ausführungsform kann der bipolare Transducer 3, 4 zusätzlich als fokussierender Transducer, d.h. konisch ausgebildet sein. Der unipolare Transducer 4 kann eine rechteckige Außengeometrie aufweisen oder ebenfalls fokussierend, insbesondere konisch ausgebildet sein. Auch Mischformen von Anordnungen fokussierender und nicht fokussierender Transducer auf dem

Trägermaterial 2 sind möglich.

[0059] Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 10. Das System weist eine Sensorvorrichtung 1, eine Ansteuerungseinheit 12 und eine Auswerteeinheit 13. Die Ansteuerungseinheit 12 gibt ein elektrisches Signal 15 an den bipolaren Transducer 3, 4 der Sensorvorrichtung 1, welches als Referenzsignal auch an die Auswerteeinheit 13 geschickt wird. Der bipolare Transducer 3, 4 gibt daraufhin eine als Sendesignal 7 abgestrahlte Oberflächenwelle in Richtung des Resonators 5 aus. Dieser wird durch das Sendesignal 7 in Resonanz versetzt und emittiert daraufhin eine Oberflächenwelle als ein Empfangssignal 8 in Richtung des bipolaren Transducer 3, 4. Der Transducer 3, 4 empfängt das Empfangssignal 8 und wandelt es in ein Messsignal 9 um. Das Messsignal 9 wird an die Auswerteeinheit 13 durch den Transducer 3, 4 übertragen. Die Auswerteeinheit 13 bestimmt die Amplitude und Phase des Messsignals 9 als Funktion der Frequenz. Der relevante Frequenzbereich ist durch die Eigenfrequenz des Resonators 5 bestimmt. Erfolgte eine Anregung des Resonators 5 durch die

abgestrahlten Oberflächenwellen in dessen Eigenfrequenzbereich, so ergibt sich das 23

Amplitudensignal 16, welches einen Resonanzpeak aufweist. Erfolgte keine Anregung, so ergibt sich das in Fig. 5 dargestellte verrauschte Amplitudensignal 17, ohne einen Resonanzpeak. Das gestrichelt dargestellte Amplitudensignal 14 entspricht einem Fit basierend auf dem Modell eines eindimensionalen und getriebenen linearen Resonators. Die Eigenfrequenz des Resonators kann durch dessen geometrische Form vorbestimmt werden, wodurch sich die Sensorvorrichtung 1, d.h. deren Resonanzverhalten gezielt auf

eine spezifische Messaufgabe abstimmen lässt.

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LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1 Sensorvorrichtung

2 Trägermaterial

3 Interdigitaler Transducer als Sender

4 Interdigitaler Transducer als Empfänger 5 Mechanischer Resonator

6 Interdigitale Struktur

7 Oberflächenwelle als Sendesignal

8 Oberflächenwelle als Empfangssignal

9 Messsignal

10 System

11 Elektroden

12 Ansteuerungseinheit

13 Auswerteeinheit

14 Theoretisches Amplitudensignal bei Resonanzfrequenz 15 Elektrische Sendesignal

16 Amplitudensignal bei Resonanz

17 Amplitudensignal ohne Resonanzeffekt 18 Fingerbreite der Interdigitalstruktur

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Claims

ANSPRÜCHE

Sensorvorrichtung (1) zur Messung von akustischen Oberflächenwellen,

aufweisend ein, insbesondere piezoelektrisches, Trägermaterial (2),

mit mindestens einer ersten Interdigitaltransducer (IDT)-Anordnung oder einer

zweiten IDT-Anordnung,

wobei die erste IDT-Anordnung mindestens einen Interdigitaltransducer aufweist, welcher als IDT-Sender (IDTs) (3) und als IDT-Empfänger (IDTe) (4) eingerichtet

ist und welcher auf dem Trägermaterial (2) angeordnet ist,

und wobei die zweite IDT-Anordnung mindestens einen Interdigitaltransducer aufweist, welcher als IDT-Sender (3) eingerichtet ist, und mindestens einen Interdigitaltransducer aufweist, welcher als IDT-Empfänger (4) eingerichtet ist, und

welche auf dem Trägermaterial (2) angeordnet sind,

wobei die Sensorvorrichtung mindestens einen mechanischen Resonator (MR) (5) aufweist, welcher auf dem Trägermaterial (2) zu dem IDTs (3) in einem Abstand A

und zu dem IDTe (4) in einem Abstand B angeordnet ist,

wobei die Sensorvorrichtung (1) so eingerichtet ist, dass eine von dem IDTs (3) ausgesendete akustische Oberflächenwelle als Sendesignal (7) den MR (5) in mechanische Schwingung versetzt und eine von dem schwingenden MR (5) emittierte Oberflächenwelle als Empfangssignal (8) in Richtung des IDTe (4) läuft

und in diesem ein Messsignal (9) erzeugt.

Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abstand A größer oder kleiner als der Abstand B ist.

26

Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der IDTe (4) in einem Winkelbereich von 10 — 360 Grad, bevorzugt in einem Winkelbereich von 70 — 110 Grad, weiter bevorzugt in einem Winkelbereich von 170 — 210 Grad, weiter bevorzugt in einem Winkelbereich von 250 — 290 Grad, weiter bevorzugt in einem Winkelbereich von 300 — 350 Grad zur Ausbreitungsrichtung der von dem IDTs (3)

ausgesendeten Oberflächenwelle auf dem Trägermaterial (2) angeordnet ist.

Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der MR (5)

säulenförmig ausgebildet ist.

Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der säulenförmige MR (5) einen Durchmesser zwischen 1 nm und 10 um, bevorzugt zwischen 25 nm und 1 um,

besonders bevorzugt zwischen 50 nm und 200 nm aufweist.

Sensorvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der säulenförmige MR (5) eine Höhe zwischen 10 nm und 10 um, bevorzugt zwischen 50 nm und 5 um,

besonders bevorzugt zwischen 200nm und 2 um aufweist.

Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Trägermaterial (2) ein piezoelektrisches Material aufweist, insbesondere Lithiumniobat (LINDO3) oder Quartz (SiO2) oder Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AIN), oder Zirconat Titanat (PZT), oder Lithiumtantalat (LiTaO3),

oder Mischformen davon.

Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der IDTs (3)

und/oder der ID Te (4) als fokussierende Interdigitaltransducer ausgebildet sind.

Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der IDTs (3) und/oder der ID Te (4) eine Fingerbreite (18) zwischen 50 nm und 20 um, bevorzugt zwischen 200 nm und 10 um, besonders bevorzugt zwischen 1 um und

5 um aufweisen.

27

Technische Universität Wien 118749P 1380AT

10.

11.

12.

13.

14.

Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der interdigitale Transducer (3, 4) Aluminium, oder Silber, oder Gold, oder Platin, oder Kupfer, oder Nickel, oder Titan, oder Niob oder Mischformen davon, zur Ausbildung der

interdigitalen Struktur (6) aufweist.

Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei A einen Wert zwischen 50 um 2000 um und B einen Wert zwischen 50 um und 2000 um, bevorzugt A einen Wert zwischen 150 um und 1500 um und B einen Wert zwischen 150 um und 1500 um, weiter bevorzugt A einen Wert zwischen 300 um

und 1000 um und B einen Wert zwischen 300 um und 1000 um aufweist.

Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei neben einem interdigitalen Transducer (3, 4) mindestens eine Elektrode (11) auf dem

Trägermaterial (2) angeordnet ist.

System (10), aufweisend eine Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, eine Ansteuerungseinheit (12) zur Ansteuerung mindestens eines IDTs (3) und eine Auswerteeinheit (13) zur Auswertung eines Messignals (9) des mindestens einen IDTe (4), wobei die Ansteuerungseinheit (12) ein elektrisches Signal (15) an mindestens einen IDTs (3) zur Erzeugung der als Sendesignal (7) dienenden Oberflächenwelle ausgibt und das Sendesignal (7) den mindestens einen mechanischen Resonator (5) in Schwingung versetzt und wobei durch die

Auswerteeinheit (13) das Messignal (9) des mindestens einen IDTe (4) verarbeitet.

System nach Anspruch 13, wobei das System (10) eingerichtet ist, die Frequenz und die Amplitude des Messsignals (9) zu verfolgen und wobei insbesondere diese Verfolgung der Änderung der Amplitude und der Frequenz des Messignals (9) nach einem phase-locked loop (PLL) Verfahren oder nach einem self-

sustaining oscillator Verfahren ausgeführt wird (SSO).

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15. Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1

bis 12, aufweisend die folgenden Schritte:

A) Bereitstellen eines, insbesondere piezoelektrischen, Trägermaterials;

B) Aufbringen der ersten IDT-Anordnung oder der zweiten IDT-Anordnung auf dem Trägermaterial;

C) Aufbringen mindestens eines mechanischen Resonators auf das

Trägermaterial (2),

wobei der Schritt B optional ausgeführt werden kann durch mindestens die

folgenden Schritte:

a. Aufbringen einer Metallschicht auf das Trägermaterial (2) zur Ausbildung einer interdigitalen Struktur (6, 18) mindestens eines interdigitalen Transducer (3, 4), welcher als Sender (ID Ts) (3) und als Empfänger (IDTe) (4) dient, gemäß der ersten IDT-Anordnung; ODER Aufbringen einer Metallschicht auf das Trägermaterial (2) zur Ausbildung einer interdigitalen Struktur (6, 18) mindestens eines interdigitalen Transducer (3), welcher als Sender (IDTs) (3) und mindestens eines interdigitalen Transducer (4) welcher als Empfänger (IDTe) (4) dient,

gemäß der zweiten IDT-Anordnung;

b. Ausbilden der interdigitalen Struktur (6, 18) des mindestens einen IDT (3, 4) auf dem Trägermaterial (2), vorzugsweise mittels: — Photolithographie und Ätzprozess; oder

— Mittels Photolithographie und Lift-off Prozess, wobei der Schritt C optional ausgeführt werden kann durch mindestens einen der

folgenden Schritte: 29

— Focused Electron Beam Induced Deposition (FEBID), oder

— Photolithographie und physical vapour deposition (PVD), oder

— Photolithographie und chemical vapour deposition (CVD), oder

— Zerstäubungsprozess (Sputtern), oder

— lon-Beam Induced Deposition (IBID), oder

— Nass oder Trocken-Ätzen in das Trägermaterial (2), oder

— Strukturierung von Fotolacken, insbesondere Strukturierung von SU8, oder

— Metal-Organic Vapor Phase Epitaxie.

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