Einzel-Interdigital Signalwandler als Oberflächenwellenimpedanzsensor

  • Single Interdigital Transducer as Surface Acoustic Wave Impedance Sensor

Nguyen, Vu Hoa; Schnakenberg, Uwe (Thesis advisor); Knoch, Joachim (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Akustische Oberflächenwellen (engl. Surface Acoustic Waves: SAW) können insbesondere für massensensitive Sensoranwendungen eingesetzt werden. In konventionellen biosensitiven Anwendungen werden chemische oder biochemisch hervorgerufene Bindungsprozesse an Oberflächen in flüssiger Umgebung mittels Verzögerungsleitungs- bzw. Resonatorkonfiguration in Kombination mit einem geeigneten Mikrofluidiksystem detektiert. Alle bisherigen Konfigurationen haben gemeinsam, dass sie die Transmissionscharakteristik der sich ausbreitenden SAW in Form von Amplitude, Ausbreitungsgeschwindigkeit oder Frequenz analysieren. Auf Grund ihrer höheren Sensitivität haben SAW-Sensoren seit Einführung gegenüber den konventionellen massensensitiven Quarzkristall Mikrowaagensensoren großes Interesse geweckt. Im Vergleich zu den etablierten optischen und elektrischen Sensoren profitieren sie durch ihre vielseitigeren Anwendungsmöglichkeiten. Mit Blick auf die Kommerzialisierung hat sich gegenüber den marktführenden optischen Sensorsystemen trotz vieler Forschungs- und Entwicklungsfortschritte bis heute kein SAW-Sensorsystem auf dem Markt etabliert. In dieser Arbeit wurde erstmalig ein einzelner Interdigitalwandler (IDT) gleichzeitig als SAW-Generator und -Sensor verwendet. In dieser Anordnung wird nicht die Transmissionscharakteristik der SAW durch äußere Einflüsse verändert, sondern die Eingangsimpedanz des SAW-Sensors. Dadurch konnte der Herstellungsaufwand minimiert und die Chipgröße halbiert werden. Experimente zur Detektion unterschiedlicher Flüssigkeitseigenschaften und drei verschiedene Formen der Adsorption von Masse wurden durchgeführt und ausgewertet. Darüber hinaus wurde erstmalig ein portables Messsystem basierend auf der neuen Einzel-IDT-Anordnung hergestellt und charakterisiert. Das portable System zeichnet sich durch die Verwendung von günstigen und kommerziell verfügbaren RF-Gain-Phase Meter aus und erlaubt die Vereinfachung des hochfrequenten Messprinzips zu einem quasi-statischen Messsystem. Die Dissertation gliedert sich in drei Teile. Zunächst werden im ersten Teil die Grundlagen zur SAW-Sensorik, den Stand der Technik, sowie die Materialien und Herstellungs-methoden zusammengefasst. Anschließend werden die experimentellen Ergebnisse präsentiert und abschließend die Herstellung und Charakterisierung des portablen Aufbaus beschrieben.

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