WO2024033324A1 - Oberflächenwellen-sensorvorrichtung - Google Patents

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WO2024033324A1
WO2024033324A1 PCT/EP2023/071855 EP2023071855W WO2024033324A1 WO 2024033324 A1 WO2024033324 A1 WO 2024033324A1 EP 2023071855 W EP2023071855 W EP 2023071855W WO 2024033324 A1 WO2024033324 A1 WO 2024033324A1
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sensor device
carrier material
idt
idte
transducer
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PCT/EP2023/071855
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Hendrik KÄHLER
Silvan SCHMID
Holger Arthaber
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Technische Universität Wien
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Definitions

  • NEMS nanoelectromechanical systems
  • the increased interest in NEMS-based sensors is based, among other things, on the fact that it is possible to manufacture the mechanical resonator of a NEMS in such a way that the sensor has specific properties for a measuring task and can also be manufactured tailor-made for this purpose, which, however, requires a high degree of control the mechanical properties of the resonator are required.
  • These are, for example, the coherent control of mechanical vibrations, the fine-tuning of the coupling properties with other mechanical systems or with other physical degrees of freedom or the control over dissipative and non-linear effects.
  • NEMS nanoeletromechanical Systems for Gas Sensing Applications
  • its application is limited, particularly in this field. This is because NEMS cannot effectively capture the particles to be examined due to their small spatial extent.
  • One approach to solve this problem is to use multiple individual mechanical resonators in a smaller space. Such an arrangement of the mechanical resonators on the NEMS carrier material is referred to as a two-dimensional array.
  • Bargatin et al. describes an array in which thousands of individual mechanical resonators are arranged on a NEMS carrier material (“Large-Scale Integration of Nanoeletromechanical Systems for Gas Sensing Applications”, Nano Lett. 2012 March 14; 12(3): DOI: 10.1021 /nl2037479).
  • the mechanical resonators arranged in isolation on the carrier material surface of a NEMS can be excited by surface waves (Surface Acoustic Waves, SAWs), which propagate through the carrier material surface and whose movement is transmitted to the resonators and causes them to mechanically oscillate.
  • SAWs Surface Acoustic Waves
  • the spatial distribution of the elastic energy of the surface waves on the surface of the carrier material is influenced by the resonators.
  • the elastic wave source can be implemented in the form of an acoustic interdigital transducer.
  • a corresponding NEMS with an array formed by seven different geometric mechanical resonators driven by one of two wave sources arranged around the array is described by S. Benchabane et al. in “Surface-Wave Coupling to Single Phononic Subwavelength Resonators,” https://doi.Org/10.1103/PhysRevApplied.8.034016.
  • Acoustic transducers are used here as a wave source, ie for generating the surface waves.
  • a transducer is a converter which converts an electrical wave received as an input signal into an acoustic wave and then outputs it, for example into the surface of the carrier material on which the transducer is arranged.
  • An interdigital transducer is an acoustic transducer that has finger-like structures. These finger-like structures are called interdigital electrodes. They look like the teeth of two combs that interlock without touching each other. The finger-like structures are usually made of metal and are arranged on a piezoelectric carrier material.
  • the mechanical force generated causes a change in the length of the carrier material between two tines. Will be one Alternating voltage is applied, the carrier material is caused to vibrate by this mechanical force. As a result, surface waves are then generated which propagate on the carrier material.
  • the mechanical resonators are often formed as cylindrical columns which, for example, are grown individually by focused ion beam-induced deposition on a piezoelectric carrier material and have different geometric parameters.
  • the columns can be excited by a long-wave elastic surface wave.
  • the mechanical deflection of the resonators caused by the surface waves can be significantly stronger than the displacement fields of the surface waves due to resonance.
  • Benchabane et al. In this context, reports a tenfold increase in the deflection compared to the vibration on the surface.
  • the displacement of the resonators is demonstrated using laser scanning interferometry.
  • This measurement method has two particular disadvantages. On the one hand, it is difficult to integrate due to the necessary optical structure, for example to produce an integrated NEMS-based sensor, which should have a small spatial extent. On the other hand, the optical detection method cannot be used to measure or read out the displacements of several resonators at the same time, which is necessary for applications such as mass spectrometry. In contrast to the approach of Benchabane et al., the sensors of Bargatin and Sage do not have these disadvantages. Both use purely electrical methods to drive and read out the resonators.
  • the prior art therefore has the disadvantage that the density of a two-dimensional array arrangement, or a two-dimensional array, i.e. the number of resonators and their distances from one another, depends on array arrangements is limited to a few resonators. For example, in order to increase the efficiency of a NEMS-based mass sensor, several resonators would have to be used in a small space. Therefore, it would be advantageous if the density of the two-dimensional array could be increased by a larger number of resonators.
  • a dense two-dimensional array arrangement of mechanical resonators is understood to mean, in particular, an array arrangement in which the resonators are at a distance from one another, ie for example from resonator center to resonator center or from resonator outer wall to resonator outer wall, of less than 20 pm.
  • the resonators have a distance of less than 10 pm and/or less than 1 pm from one another.
  • the sensor device has a, in particular piezoelectric, carrier material; according to the first IDT arrangement, at least one interdigital transducer, which is set up as a transmitter (IDTs) and as a receiver (IDTe) and is arranged on the, in particular piezoelectric, carrier material; at least one, in particular micro or nanomechanical resonator (MR), which is arranged at a distance A from the IDTs and at a distance B from the IDTe on the, in particular piezoelectric, carrier material, the sensor device being set up so that one of the IDTs emitted surface wave as a transmission signal sets the MR into mechanical vibration and a Surface wave emitted by the oscillating MR runs as a received signal in the direction of the IDTe and triggers a measurement signal in it.
  • IDTs transmitter
  • IDTe receiver
  • MR micro or nanomechanical resonator
  • a sensor device has: a, in particular piezoelectric, carrier material; according to the second IDT arrangement, at least one interdigital transducer, which is set up as a transmitter (IDTs) and at least one interdigital transducer, which is set up as a receiver (IDTe) and is arranged on the, in particular piezoelectric, carrier material, at least one, in particular micro-, mechanical resonator (MR), which is arranged at a distance A from the IDTs and at a distance B from the IDTe on the, in particular piezoelectric, carrier material, the sensor device being set up so that a surface wave emitted by the IDTs causes the MR to mechanically oscillate as a transmission signal and a surface wave emitted by the oscillating MR runs as a received signal in the direction of the IDTe and triggers a measurement signal in it.
  • IDTs transmitter
  • IDTe interdigital transducer
  • a sensor device is understood to mean, in particular, a sensor.
  • a sensor also known as a detector, (measurement or measuring) transducer or (measuring) probe, is a technical component that has certain physical or chemical properties (physical, e.g. mass, temperature, humidity, pressure, sound field sizes, Acceleration or chemical (e.g. pH value, ionic strength, electrochemical potential) and/or the material properties of its environment can be recorded qualitatively or quantitatively as a measurement variable. These variables are recorded using physical, chemical or biological effects and converted into a further processable, in particular electrical, signal.
  • a NEMS can be understood to mean a sensor device according to the invention.
  • transducer is used for measurement technology and is defined as the part of a measuring device that responds directly to a measured variable.
  • the transducer is therefore the first element of a measuring chain.
  • the transducer is a measuring transducer, and if the physical size at the input and output is the same, it is also a measuring transducer.
  • a carrier material is understood to mean a substrate on which the NEMS is at least partially structurally constructed.
  • the sensor device preferably receives a dimensionally stable structure through the substrate, so that the sensor device can be used as a single component.
  • Particularly preferred as the carrier material is a piezoelectric material and/or has piezoelectric behavior.
  • the carrier material can be made up of several different materials, in particular functional materials. Functional materials in this context are materials that are necessary for the function of the sensor device or have positive effects on it, i.S. an improved mechanical strength of the component, sensitivity, efficiency or reproducibility of the measurement.
  • an interdigital transducer structure can be applied, in particular directly, to the piezoelectric material of the carrier material.
  • An interdigital transducer is an acoustic transducer that has finger-like structures.
  • An acoustic transducer is a transducer that converts an electrical wave received as an input signal into an acoustic wave and outputs it.
  • the finger-like structures are called interdigital electrodes. They look like fingers or like the teeth of two combs that interlock without touching each other.
  • the finger-like structures usually consist of metal and are arranged on a, in particular piezoelectric, carrier material. Will be one If electrical voltage is applied between the combs, the mechanical force generated (piezo effect) causes a change in the length of the carrier material between two tines or fingers. If an alternating voltage is applied, the carrier material is caused to vibrate by this mechanical force.
  • a transmitter is understood to mean an acoustic transducer which is set up to emit a transmission signal in the form of a surface wave.
  • the radiation power or transmission power of the transmitter is set up so that the signal propagates as a surface wave at least over a predetermined area of the carrier material and is also set up to excite the mechanical resonators to oscillate.
  • a receiver is understood to mean an acoustic transducer which is set up to receive a surface wave as a received signal.
  • the sensitivity of the receiver is set up to receive a surface wave emitted by the transmitter, which has spread at least over a predetermined area of the carrier material, so that a measurement signal is triggered.
  • the sensitivity of the receiver is designed to receive a surface wave emitted by a mechanical resonator, so that a measurement signal is triggered.
  • a mechanical resonator in particular a micro- and/or nano-sized resonator, is understood to mean a mechanical resonator dimensioned in the size range of micro- and/or nanometers.
  • a resonator is an oscillatory device or system that can resonate or Shows resonance behavior. This means that the resonator oscillates at certain frequencies, the so-called resonance frequencies, with a greater amplitude than at other frequencies.
  • the vibrations in a resonator are mechanical, including acoustic, but can also, in particular additionally, be electromagnetic.
  • the resonator can be tuned to one or more of the specific frequencies, so-called natural frequencies, in such a way that, in particular with broadband excitation, the resonator essentially only oscillates with these frequencies.
  • a mechanical resonator is a preferably acoustically oscillating resonator, ie a solid whose atoms are collectively excited to oscillate and is also referred to as a phononic resonator.
  • a solid in the sense of matter in a solid state, can be a body composed of several solid bodies. The vibration modes of the body are at least partially predetermined, so that they can be set into vibration via predetermined excitation frequencies, in particular by means of surface waves.
  • a mechanical resonator is preferably caused to vibrate by the mere mechanical contact between the resonator and the carrier material on which the surface wave propagates.
  • the mechanical resonators can be designed in a wide variety of geometries. Preferred geometries are cylindrical or columnar or rod-shaped or mixed forms thereof.
  • the mechanical resonators can be assembled by stacking several cylindrical or columnar or rod-shaped resonators and thus form an oscillatory system that can be excited as a mechanical resonator to oscillate by means of surface waves.
  • the mechanical resonators can be constructed and/or composed of one material or of several different materials.
  • a distance is understood to mean a spatial distance, in particular the spatial distance between an interdigital transducer and a mechanical resonator, measured from a point of the interdigital structure of the transducer, for example to the center of the resonator or to its center external wall. If several mechanical resonators are positioned on the carrier material in one area, ie within a geometrically delimitable area, for example within a circle or an oval, the distance between an interdigital transducer and a mechanical resonator is to be understood as the distance between the interdigital transducer and a center point of the area.
  • the center does not have to be the geometric center of the area, but can be a point that essentially coincides with this center.
  • the term array refers to the two-dimensional arrangement of the mechanical resonators on the carrier material, whereby the arrangement of the resonators does not have to have any regularity in the sense of equal distances between the resonators or symmetries.
  • the distance can be determined, for example, by measuring from a finger of the interdigital structure to the outer wall or to the center or point of symmetry of the mechanical resonator.
  • a surface wave is generally understood to mean a mechanical deformation of the surface in the form of a wave.
  • a surface wave is understood to mean, in particular, an acoustic surface wave (Surface Acoustic Wave, SAW).
  • SAW Surface Acoustic Wave
  • a surface acoustic wave is an acoustic wave that propagates along the surface of an elastic material and whose amplitude typically decreases exponentially with the depth of the material, so that it is limited to a depth of about one wavelength.
  • Rayleigh waves surface waves have a longitudinal and a transverse shear component that can couple to any media such as additional layers that are in contact with the surface of the material in which the surface wave is propagating. This coupling has a strong effect on the amplitude and speed of the wave.
  • Surface waves also include acoustic surface waves, such as: B. Love waves, which are polarized in the plane of the surface rather than longitudinally and vertically polarized. Similar to a Rayleigh wave, Lamb waves in plates also generate a longitudinal and a vertical deflection on the plate surfaces, which is why surface waves also include applications in which Lamb waves are generated.
  • a transmission signal is understood to mean the surface wave emitted by the transmitter, in particular to the carrier material.
  • a received signal is understood to mean a surface wave that is emitted, i.e. emitted, in particular by an oscillating resonator and is suitable for triggering a measurement signal in an acoustic transducer.
  • a measurement signal is understood to mean the electrical signal that can be further processed by the sensor device.
  • mechanical vibration is preferably understood to mean the lattice vibration of a solid.
  • the solid body is designed as a mechanical resonator and is caused to vibrate by means of a surface wave.
  • An emitted surface wave is understood to mean an emitted surface wave that was emitted, for example, by an acoustic transducer.
  • an emitted surface wave can also be emitted by a mechanical resonator when it has been vibrated, for example by an acoustic surface wave.
  • the sensor device offers the advantage that a surface wave emitted by the IDT as a transmission signal causes the MR to mechanically oscillate and a surface wave emitted by the oscillating MR travels as a reception signal in the direction of the IDTe and triggers a measurement signal in it.
  • optical measurement technology such as laser scanning interferometry
  • the sensor device according to the invention in particular in comparison to optical measurement techniques such as laser scanning interferometry, also has the advantage that several mechanical resonators can be measured or read out simultaneously, ie with one another or together, and/or that several mechanical resonators can be measured or read out individually, ie individually can be measured or read.
  • a sensor device In a sensor device according to the invention, at least one interdigital transducer is used as a transmitter and at least one further, spatially separate interdigital transducer is used as a receiver.
  • the distances A, B of the transmitters (IDTs) and/or receivers (IDTe) transducers are set up so that a surface wave transmitted by the IDTs causes at least one mechanical resonator to mechanically oscillate so that it emits a surface wave, and in the direction of the at least one IDTe sends out so that the IDTe receives a received signal.
  • the sensor device can have several identical mechanical resonators, or the sensor device can have several different mechanical resonators, or mixed forms of identical and different mechanical resonators.
  • the resonators oscillate at different frequencies so that they can be distinguished from each other.
  • an IDTs emits a surface wave with the frequencies f1 and f2, so essentially only these two resonators that can oscillate at the frequencies f1 and f2 are excited.
  • the sensor device can have at least one interdigital transducer that works as a transmitter and as a receiver.
  • the term bipolar transducer is used synonymously for a transducer that works as a transmitter and as a receiver. He can do this Acoustic transducers first send a surface wave as a transmitter in the direction of the at least one mechanical resonator, and thus set the at least one resonator into mechanical vibration. This causes a surface wave to be generated by the resonator and travel back toward the transmitter.
  • the returning surface wave then acts as a received signal and causes the interdigital structure of the bipolar transducer to oscillate, whereby an electrical voltage is triggered as a measurement signal on this bipolar transducer.
  • the sensor device can have several identical mechanical resonators, or the sensor device can have several different mechanical resonators, or mixed forms of identical and different mechanical resonators. In the case of different resonators, the resonators oscillate at different frequencies so that they can be distinguished from each other.
  • alternative sensor devices are those which have mixed forms of bipolar transducer and unipolar transducer.
  • a NEMS according to the invention can have at least one bipolar and at least one unipolar transducer, whereby the at least one unipolar transducer can work as a transmitter (IDTs) or as a receiver (IDTe).
  • a NEMS according to the invention has at least one bipolar transducer.
  • the sensor device can have several identical mechanical resonators, or the sensor device can have several different mechanical resonators, or mixed forms of the same and different mechanical resonators. In the case of different resonators, the resonators oscillate at different frequencies so that they can be distinguished from each other.
  • the distance A between an IDT and the at least one mechanical resonator can be larger or smaller than the distance B between an IDT.
  • the IDTe is in an angular range of 10 - 360 degrees, preferably in an angular range of 70 - 110 degrees, more preferably in an angular range of 170 - 210 degrees, more preferably in an angular range of 250 - 290 degrees, further preferably arranged on the carrier material (2) in an angular range of 300 - 350 degrees to the direction of propagation of the surface wave emitted by the IDT.
  • the IDTe is arranged on the carrier material (2) at an angle of approximately 90 degrees to the direction of propagation of the surface wave emitted by the IDT. The direction of propagation of the surface wave corresponds to the direction in which the surface wave travels to excite the resonator.
  • the direction of propagation can be described by a straight line or straight distance between the at least one resonator and the IDTs, both of which are arranged on the carrier material.
  • the line can extend from a freely selectable point on the interdigital structure of the IDTe, for example to the center of the mechanical resonator.
  • the direction of propagation may be determined by a line between the IDTs and the area in which the plurality of mechanical resonators are arranged on the carrier material.
  • the line can extend from a freely selectable point on the interdigital structure of the IDTe, for example to the center of the area in which the mechanical resonators are arranged.
  • the propagation direction can be the smallest distance between the IDTe and the at least one mechanical resonator and/or the area in which the plurality of mechanical resonators are arranged on the carrier material.
  • An angular range is understood as follows: If you define any two points on a circle at which an IDTs and an IDTe should be arranged on the substrate and connect them by stretching them to the center of the circle, with a mechanical one at the center Resonator is arranged, the two parts represent the Circular areas that are separated from each other by these distances represent circular sections (also called circular sectors). In this arrangement, the distance from the IDT to the center of the circle corresponds to the direction of propagation of the SAW.
  • a section of a circle is, as it were, “cut out” of a circle by two radii.
  • the part of the circle line that belongs to a circle sector is called the circular arc, and the angle between the two radii is called the angular range (also called the center angle).
  • the two arbitrary points can also be set on a substantially circular, for example an oval, geometry.
  • the claim wording “in an angular range of 70 - 110 degrees” may mean that the actual central angle of the arrangement of the IDTe to the direction of propagation is within the range of 70 and 1 10 degrees.
  • a possible arrangement of the IDTe in relation to the direction of propagation can therefore have a specific value of the center angle of 80, 90 or 100 degrees in order to be within the angular range of 70 - 110 degrees.
  • the 90 degree arrangement has the advantage that a SAW that runs directly from the IDTs into the IDTe only generates a minimal signal there, since the finger structure of the IDTe is perpendicular or largely perpendicular to the SAW wavefront.
  • the mechanical resonator is designed to be columnar.
  • Other geometries e.g. a rectangular, a cylindrical, a conical, a stack of disk-shaped segments, or mixed forms of the geometries mentioned, which are connected to one another in an oscillatory manner by layers or stacking, are also possible geometries.
  • a columnar geometry also known as a column resonator, has the advantage that it is the easiest to manufacture and can be mathematically described as a point source.
  • the columnar resonator has a diameter between 1 nm and 10 pm, preferably between 25 nm and 1 pm, particularly preferably between 50 nm and 200 nm.
  • the diameter D is measured in the plane of the carrier material. If the resonator has a cylindrical or columnar geometry, the diameter corresponds to the geometric diameter of a cylinder, measured in the plane of the carrier material on which the resonator is arranged.
  • the columnar resonator has a height between 10 nm and 10 pm, preferably between 50 nm and 5 pm, particularly preferably between 200 nm and 2 pm.
  • the height H corresponds to the extent of the resonator in the direction perpendicular to the carrier material on which the resonator is arranged.
  • the carrier material has a piezoelectric material or the carrier material consists of a piezoelectric material, in particular lithium niobate (LiNbO3) or quartz (SiO2) or zinc oxide (ZnO) or aluminum nitride (AIN), or zirconate titanate (PZT). , or lithium tantalate (LiTaO3), or mixed forms thereof.
  • Lithium niobate (LiNbO3) has the advantage that it has a high piezoelectric coupling constant compared to other piezoelectric materials and therefore leads to good signal quality.
  • the IDTs and/or the IDTe is designed as a focusing, in particular interdigital, transducer.
  • the transducer can have an at least partially conical or arrow-shaped geometry; in particular, the transducer can be conical or arrow-shaped in its entirety.
  • the interdigital structure of the transducer is designed to be curved, at least in sections.
  • the transducer can also have a rectangular geometry.
  • a conical, in particular focusing, geometry has the advantage that the surface waves propagate with a higher intensity in a preferred direction, for example in the direction of the resonators.
  • the at least one transducer set up as a transmitter can be a focusing transducer.
  • Transducers set up as transmitters must be set up as focusing transducers and the at least one transducer set up as receivers must be set up as non-focusing. More preferably, the one or more transducers set up as receivers can be set up as focusing transducers and the at least one transducer set up as a transmitter can be set up as non-focusing.
  • the IDTs and/or the IDTe have a finger width between 50 nm and 20 pm, preferably between 200 nm and 10 pm, particularly preferably between 1 pm and 5 pm.
  • a finger width is the width of a finger of the interdigital structure, measured in a direction parallel to the carrier material on which the interdigital structure is arranged.
  • At least one interdigital transducer has or consists of aluminum, or silver, or gold, or platinum, or copper, or nickel, or titanium, or niobium, or mixed forms thereof, to form the interdigital structure.
  • A has a value between 50 pm and 2000 pm and B has a value between 50 pm and 2000 pm, preferably A has a value between 150 pm and 1500 pm and B has a value between 150 pm and 1500 pm, more preferably A a value between 300 pm and 1000 pm and B a value between 300 pm and 1000 pm.
  • the values of A and B should also be able to lie within the defined ranges. For example, A can have a value of 50 pm or 200 pm and is therefore within the specified range between 50 pm and 2000 pm.
  • At least one electrode is arranged on the carrier material in addition to an interdigital transducer.
  • the term “next to” is to be understood to mean that if two transducers are arranged next to one another or adjacent to one another, no further transducer is arranged between them.
  • at least one electrode can be arranged on the carrier material. Due to the interdigital structure of the transducers, they act as antennas, which is why electrical signals from outside the sensor device are also received by it and lead to signal noise.
  • the arrangement of the electrodes between adjacent transducers has the advantage that the resulting signal noise is at least partially suppressed and the signal-to-noise ratio of the sensor device is thus improved.
  • the invention further relates to a system which has a sensor device according to the invention.
  • the system according to the invention comprises a control unit for controlling at least one IDT and an evaluation unit for evaluating a measurement signal of the at least one IDT, wherein preferably the control unit outputs an electrical signal to at least one IDT to generate a surface wave as a transmission signal and the transmission signal enters the at least one mechanical resonator Oscillation offset and a surface wave emitted by the at least one oscillating MR runs as a received signal in the direction of the at least one IDTe and triggers the measurement signal in this, the measurement signal preferably being processed by the evaluation unit, in particular the measurement signal of the at least one IDTe for a change in an amplitude signal (17) is tracked at a resonance frequency (14) predetermined by the at least one mechanical resonator (5).
  • the control unit and the evaluation unit can be different devices or combined in the same device. Such combined devices are typically lock-in amplifiers or network analyzers.
  • the system is set up to track the frequency, in particular the resonance frequency and the amplitude, through an oscillator circuit, such as a phase-locked loop (PLL) or self-sustaining oscillator (SSO), to carry out.
  • the PLL and the SSO are closed-loop circuits that drive individual resonators coherently at a defined resonance frequency and with a defined amplitude and thus cause them to oscillate.
  • the oscillation frequency of this NEMS resonant circuit is identical to the resonance frequency of the resonator and allows changes in resonance frequency and amplitude to be tracked in real time.
  • Such resonant circuits can be operated simultaneously for several resonators.
  • the invention further relates to a method for producing a sensor device according to the invention, the method having the following steps:
  • step B can optionally be carried out by at least the following steps: a. Applying a metal layer to the carrier material to form an interdigital structure of at least one interdigital transducer, which serves as a transmitter (IDTs) and as a receiver (IDTe), according to the first IDT arrangement; OR
  • step C can optionally be carried out by at least one of the following steps:
  • PVD Physical vapor deposition
  • IBID Ion-Beam Induced Deposition
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the sensor device 1 according to the invention.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the sensor device 1 according to the invention.
  • 3 shows an electron micrograph of an embodiment of a mechanical resonator 5 of the sensor device 1 according to the invention.
  • FIG 5 shows schematically an embodiment of the system 10 according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the sensor device 1 according to the invention on a carrier material 2, using the first IDT arrangement.
  • an interdigital structure 6, 18 of an acoustic transducer (IDT) 3, 4 is shown starting from the upper left edge of the image.
  • the interdigital structure of the transducer 3, 4 is arcuate, resulting in a conical shape of the transducer, which is aligned in the direction of the mechanical resonator 5, so that a surface wave emitted as a transmission signal 7 is focused on the mechanical resonator 5.
  • an electron microscope view of a cylindrical mechanical resonator 5 is shown next to the sensor device 1 shown.
  • the mechanical resonator 5 and the transducer 3, 4 serving as a transmitter and receiver in FIG. 1 are arranged on the substrate 2.
  • a surface wave emitted by the mechanical resonator 5 as a received signal 8 is also shown.
  • only one bipolar transducer 3, 4 is necessary to generate and detect a mechanical vibration of the resonator 5 shown.
  • the sensor device also has two electrodes 11.
  • the electrodes 11 are arranged on the substrate 2 and positioned immediately adjacent to the transducer 3, 4.
  • the electrodes 11 have the task of coupling external sources, in particular high-frequency electrical sources, into the sensor device 1 impede. This has the advantage that improved signal quality can be achieved, since electrical coupling can negatively influence the noise-to-signal ratio of the measurement signal 9.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the sensor device 1 according to the invention, wherein FIG. 2 differs from FIG. 1 essentially in that two unipolar transducers (IDT) 3, 4 are arranged on the substrate 2, i.e. the second IDT arrangement is used.
  • a dashed line is also shown in FIG. This line runs centrally between the transducer acting as a transmitter 3 and the mechanical resonator 5.
  • the receiver transducer 4 is positioned at an angle (not shown) of approximately 90 degrees to this dashed line, so that a surface wave as a received signal 8, which comes from the oscillating resonator 5 is emitted, runs in the direction of the receiver 4 and triggers a measurement signal 9 there.
  • the sensor device also has three electrodes 11.
  • the electrodes 11 are arranged on the substrate 2 and positioned adjacent to the two transducers 3, 4.
  • the electrodes 11 have the task of preventing particularly high-frequency electrical coupling of external sources into the sensor device 1 and crosstalk from the transducer (IDTs) acting as a transmitter 3 to the receiver transducer 4 (IDTe). Electrical coupling or crosstalk can negatively influence the noise-to-signal ratio of the measurement signal 9.
  • the use of electrodes 11 has the advantage that improved signal quality can be achieved.
  • FIG. 3 shows an electron micrograph of an embodiment of a mechanical resonator 5 of the sensor device 1 according to the invention.
  • the resonator 5 is designed here to be column-shaped, or as a column resonator.
  • the resonator 5 is mounted directly on the substrate surface of the substrate 2 so that it can oscillate.
  • the column resonator shown has a height H, measured perpendicular to the surface of the substrate 2 (longitudinal dimension), of approximately 1.9 pm and a diameter D or a width, measured horizontally to the surface of the substrate 2 702.4 nm.
  • the height H and the diameter D are each shown in FIG. 3 by dashed lines.
  • 4 a - c show schematic embodiments of the sensor device 1 according to the invention.
  • 4a shows the embodiment shown in FIG. 1, in which a single bipolar transducer (IDT) 3, 4, i.e. the first IDT arrangement, is used.
  • IDT bipolar transducer
  • a large number of mechanical resonators 5 with uniform geometry are shown arranged in an array within an area.
  • a transmission signal 7 is sent in the direction of the resonators 5 and causes them to vibrate mechanically.
  • a received signal 8 is emitted by the oscillating resonators 5.
  • the resonators 5 can have different geometries.
  • the resonators can in particular have different geometries that are set up to realize different resonance frequencies of the individual resonators 5.
  • FIG. 2 The embodiment shown in FIG. 2 is shown schematically in FIG. 4b.
  • Two unipolar transducers are used as receiver 4 or as transmitter 3.
  • a number of resonators 5 are shown with the same, ie uniform, geometry, which are arranged as an array within a circular area shown in dashed lines. These resonators 5 can have the same resonance behavior, i.e. essentially the same resonance frequencies, or they can also have different resonance behavior, i.e. essentially different resonance frequencies.
  • the transmitter 3 is positioned at a distance A from the center of the circular area.
  • the receiver 4 is positioned at a distance B from the center of the circular area. If the distances are different as shown in FIG.
  • the transmitter 3 and the receiver 4 are positioned along this contour. With such an arrangement, the signal strength of the surface waves recorded at the receiver is particularly high.
  • the angle a of 90 degrees of the angle range of 70 - 110 degrees is represented by a dashed line with arrows indicated on the left in Fig. 3b, namely perpendicular to the direction of propagation of the SAW of the ITD 3, which is drawn in dash-dotted lines and coincides with the direction of the transmission signal 7.
  • FIG. 4c shows schematically an embodiment in which a bipolar 3, 4 and a unipolar 4 transducer are used.
  • a surface wave emitted by the transmitter 3 in the direction of the resonators 5 as a transmission signal 5 is received both by the bipolar transducer 3, 4 and by the unipolar receiver arranged at 90 degrees to it.
  • the bipolar transducer 3, 4 can also be designed as a focusing transducer, i.e. conical.
  • the unipolar transducer 4 can have a rectangular external geometry or can also be designed to focus, in particular conically. Mixed forms of arrangements of focusing and non-focusing transducers on the carrier material 2 are also possible.
  • the system has a sensor device 1, a control unit 12 and an evaluation unit 13.
  • the control unit 12 sends an electrical signal 15 to the bipolar transducer 3, 4 of the sensor device 1, which is also sent to the evaluation unit 13 as a reference signal.
  • the bipolar transducer 3, 4 then outputs a surface wave emitted as a transmission signal 7 in the direction of the resonator 5. This is caused to resonate by the transmission signal 7 and then emits a surface wave as a reception signal 8 in the direction of the bipolar transducer 3, 4.
  • the transducer 3, 4 receives the reception signal 8 and converts it into a measurement signal 9.
  • the measurement signal 9 is transmitted to the evaluation unit 13 through the transducer 3, 4.
  • the evaluation unit 13 determines the amplitude and phase of the measurement signal 9 as a function of the frequency.
  • the relevant frequency range is determined by the natural frequency of the resonator 5. If the resonator 5 was excited by the radiated surface waves in its natural frequency range, this is the result Amplitude signal 16, which has a resonance peak. If there was no excitation, the noisy amplitude signal 17 shown in FIG. 5 results without a resonance peak.
  • the amplitude signal 14 shown in dashed lines corresponds to a fit based on the model of a one-dimensional and driven linear resonator.
  • the natural frequency of the resonator can be predetermined by its geometric shape, whereby the sensor device 1, ie its resonance behavior, can be specifically tailored to a specific measurement task.

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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

OBERFLÄCHENWELLEN-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 („Large- Scale Integration of Nanoeletromechanical Systems for Gas Sensing Applications”, Nano Lett. 2012 March 14; 12(3): DOI: 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): DOI: 10.1038/s41467-018-05783-4
[0004] Die Anregung der auf der Trägermatenaloberfläche 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://doi.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 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-Scanning- Interferometrie. 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 wenigen Resonatoren beschränkt ist. Um beispielsweise die Effizienz eines NEMS- basierten 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 pm aufweisen. Beispielsweise, dass die Resonatoren einen Abstand von weniger als 10 pm und/oder weniger als 1 pm 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 IDTs 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 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, i.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 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 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, i.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 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 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 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 (IDTs) 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 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 T rägermaterial 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 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 1 10 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 IDTe 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 pm, bevorzugt zwischen 25 nm und 1 pm, besonders 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 T rägermaterials auf der der Resonator angeordnet ist.
[0037] In einer bevorzugten Ausführungsform weist der säulenförmige Resonator eine Höhe zwischen 10 nm und 10 pm, bevorzugt zwischen 50 nm und 5 pm, besonders bevorzugt zwischen 200 nm und 2 pm 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 (LiNbO3) oder Quartz (SiO2) oder Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AIN), oder Zirconat Titanat (PZT), oder Lithiumtantalat (LiTaO3), oder Mischformen davon. Lithiumniobat (LiNbO3) 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 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 pm, bevorzugt zwischen 200 nm und 10 pm, besonders bevorzugt zwischen 1 pm und 5 pm 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 pm 2000 pm und B einen Wert zwischen 50 pm und 2000 pm, bevorzugt A einen Wert zwischen 150 pm und 1500 pm und B einen Wert zwischen 150 pm und 1500 pm, weiter bevorzugt A einen Wert zwischen 300 pm und 1000 pm und B einen Wert zwischen 300 pm und 1000 pm. Dabei sollen die Werte von A und B auch innerhalb der definierten Bereiche liegen können. Beispielsweise kann A einen Wert von 50 pm oder 200 pm aufweisen und liegt damit innerhalb des angegebenen Bereichs zwischen 50 pm und 2000 pm.
[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 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 self- sustaining 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 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 IDT- Anordnung; 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 - 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
- Ion-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 . [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 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 pm auf und einen Durchmesser D oder eine Breite, gemessen horizontal zur Oberfläche des Substrat 2 von 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, i.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 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 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.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
Sensorvorrichtung
Trägermaterial
Interdigitaler Transducer als Sender
Interdigitaler Transducer als Empfänger
Mechanischer Resonator
Interdigitale Struktur
Oberflächenwelle als Sendesignal
Oberflächenwelle als Empfangssignal
Messsignal
System
Elektroden
Ansteuerungseinheit
Auswerteeinheit
Theoretisches Amplitudensignal bei Resonanzfrequenz
Elektrische Sendesignal
Amplitudensignal bei Resonanz
Amplitudensignal ohne Resonanzeffekt
Fingerbreite der Interdigitalstruktur

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. 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 pm, bevorzugt zwischen 25 nm und 1 pm, 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 pm, bevorzugt zwischen 50 nm und 5 pm, besonders bevorzugt zwischen 200nm und 2 pm aufweist. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Trägermaterial (2) ein piezoelektrisches Material aufweist, insbesondere Lithiumniobat (LiNbO3) 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 IDTe (4) als fokussierende Interdigitaltransducer ausgebildet sind. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der IDTs (3) und/oder der IDTe (4) eine Fingerbreite (18) zwischen 50 nm und 20 pm, bevorzugt zwischen 200 nm und 10 pm, besonders bevorzugt zwischen 1 pm und 5 pm aufweisen. 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 pm 2000 pm und B einen Wert zwischen 50 pm und 2000 pm, bevorzugt A einen Wert zwischen 150 pm und 1500 pm und B einen Wert zwischen 150 pm und 1500 pm, weiter bevorzugt A einen Wert zwischen 300 pm und 1000 pm und B einen Wert zwischen 300 pm und 1000 pm 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). 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 (IDTs) (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: - Focused Electron Beam Induced Deposition (FEBID), oder
- Photolithographie und physical vapour deposition (PVD), oder
- Photolithographie und chemical vapour deposition (CVD), oder
- Zerstäubungsprozess (Sputtern), oder
- Ion-Beam Induced Deposition (IBID), oder
- Nass oder Trocken-Ätzen in das Trägermaterial (2), oder
- Strukturierung von Fotolacken, insbesondere Strukturierung von SU- 8, oder
- Metal-Organic Vapor Phase Epitaxie.
PCT/EP2023/071855 2022-08-08 2023-08-07 Oberflächenwellen-sensorvorrichtung WO2024033324A1 (de)

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