Title:
Akustisches Oberflächenwellenbauelement mit Drehung der Schwingungsebene
Kind Code:
A1


Abstract:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik/Elektronik und betrifft ein akustisches Oberflächenwellenbauelement, bei dem die Wellenanregung vorwiegend mit einer quer zur Ausbreitungsrichtung und in der der Ebene der Oberfläche liegenden Schwingungsebene erfolgt. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar bei Aktuatoren der Mikrofluidik, akustische Pinzetten und optische Modulatoren, soweit deren Funktion auf der Nutzung akustischer Oberflächenwellen (SAW) beruht.
Erfindungsgemäß sind auf einem piezoelektrischen Substrat ein oder mehrere interdigitale Wandler angeordnet, welche aus Sammelelektroden und Zinken bestehen und die mehrere mit mindestens zwei Zinken gebildete funktionale Wandlerzellen enthalten, die innerhalb eines Anregungsgebietes (I) angeordnet sind. Das Substrat besteht aus einkristallinem Lithiumniobat und es existiert ein Trenngebiet (II), welches das Anregungsgebiet (I) von einem vorhandenen Wirkungsgebiet (III) separiert. Das Bauelement ist unter Berücksichtigung von vier Bedingungen derart ausgeführt, dass Oberflächenwellen erzielt werden, deren senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und parallel zur Oberfläche gerichteter Anteil der Schwingungsamplitude größer ist als die Schwingungsamplitude senkrecht zur Oberfläche.




Inventors:
Schmidt, Hagen, Dr. (04105, Leipzig, DE)
Weihnacht, Manfred, Dr. (01744, Dippoldiswalde, DE)
Darinskii, Alexander, Dr. (Moskau, RU)
Weser, Robert, Dr. (01097, Dresden, DE)
Application Number:
DE102017118878A
Publication Date:
02/22/2018
Filing Date:
08/18/2017
Assignee:
Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden e.V., 01069 (DE)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
RAUSCHENBACH Patentanwälte GbR, 01187, Dresden, DE
Claims:
1. Akustisches Oberflächenwellenbauelement, bei dem auf einem piezoelektrischen Substrat (1) ein oder mehrere interdigitale Wandler (IDT), welche aus Sammelelektroden und Zinken bestehen und die mehrere mit mindestens zwei Zinken gebildete funktionale Wandlerzellen enthalten, die innerhalb eines Anregungsgebietes (I) angeordnet sind, wobei das Substrat (1) aus einkristallinem Lithiumniobat besteht und ein Trenngebiet (II) existiert, welches das Anregungsgebiet (I) von einem vorhandenen Wirkungsgebiet (III) separiert, wobei der oder die Wandler (IDT) zur Erzielung von Oberflächenwellen, deren senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und parallel zur Oberfläche gerichteter Anteil der Schwingungsamplitude größer ist als die Schwingungsamplitude senkrecht zur Oberfläche, gemäß der nachstehenden Bedingung fS × LP = 4,2 bis 4,8– Bedingung 1 –ausgeführt sind,
und dass das Substrat (1) im Trenngebiet (II) mit einem Material gemäß der nachstehenden Bedingung εT < εS– Bedingung 2 –teilweise oder vollständig überdeckt ausgeführt ist,
und dass das Substrat (1) im Wirkungsgebiet (III) entweder mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (3), oder aber einem Fluid (4) gemäß den nachstehenden Bedingungen εW > εT– Bedingung 3 –und εW ≥ εS– Bedingung 4 –teilweise oder vollständig überdeckt ausgeführt ist, worin bedeuten:
fS die Synchronfrequenz für den oder die interdigitalen Wandler in GHz, also diejenige Frequenz, bei der die Oberflächenwellenlänge mit der Wandlerperiode übereinstimmt,
LP die Länge der Periode des oder der interdigitalen Wandler (IDT) in μm als Mittenabstand zwei aufeinander folgender Wandlerzellen,
εT die relative Permittivität (dielektrische Leitfähigkeit) des Materials oberhalb des Substrates (1) im Trenngebiet (II),
εW die relative Permittivität des Fluids (4) oberhalb des Substrates (1) im Wirkungsgebiet (III),
εS die effektive (senkrecht zur Oberfläche wirkende) relative Permittivität des piezoelektrischen Substrates (1).

2. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, bei dem das Material des Trenngebietes (II) das Anregungsgebiet (I) überdeckt.

3. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, mit einem Lithiumniobatsubstrat (1), bei dem die Orientierung gemäß den drei Eulerwinkeln im Bereich 1. Eulerwinkel: 0°, 2. Eulerwinkel: –60° bis –20°, 3. Eulerwinkel: –15° bis 15° gewählt ist.

4. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, bei dem das Material oberhalb des Substrates (1) im Trenngebiet (II) aus einem Polymer besteht, wie Elastomere, Gummis, Polydimethylsiloxan, Silicone, polymerbasierte photostruktierbare Lacke oder Epoxydharze.

5. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, bei dem das Material oberhalb des Substrates (1) im Trenngebiet (II) mechanisch direkt mit dem Substratmaterial verbunden ist.

6. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, bei dem das Material oberhalb des Substrates (1) im Trenngebiet (II) über eine zusätzliche Flüssigkeitsschicht oder Polymerschicht mit sehr geringer bis nicht vorhandener elektrischer Leitfähigkeit mit dem Substratmaterial verbunden ist.

7. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, bei dem das Material der leitfähigen Schicht (3) im Wirkungsgebiet (III) aus einem Metall besteht, wie Al, Cu, Au, Pt, Ag und Ti.

8. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, bei dem das Material der leitfähigen Schicht (3) im Wirkungsgebiet (III) aus einem Nichtmetall besteht, insbesondere Kohlenstoffverbindungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie Graphen oder Carbon-Nanotubes.

9. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, bei dem die leitfähige Schicht (3) im Wirkungsgebiet (III) unmittelbar nach der Grenze zwischen Trenngebiet (II) und Wirkungsgebiet (III) beginnt.

10. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, bei dem die leitfähige Schicht (3) im Wirkungsgebiet (III) mit einem Abstand gegenüber der Grenze zwischen Trenngebiet (II) und Wirkungsgebiet (III) beginnt.

11. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, bei dem die leitfähige Schicht (3) im Wirkungsgebiet (III) durch periodische Unterbrechungen (5) gekennzeichnet ist.

12. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, bei dem anstelle einer leitfähigen Schicht im Wirkungsgebiet (III) eine nichtleitfähige, durch periodische Unterbrechungen gekennzeichnete Schicht vorhanden ist.

13. Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, bei dem anstelle einer leitfähigen Schicht im Wirkungsgebiet (III) periodisch angeordnete Vertiefungen/Gruben im Substrat vorhanden sind.

14. Oberflächenwellenbauelement nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 13, bei dem die Periode im Wirkungsgebiet (III) die Bedingung fS × LW = 3,62 bis 3,71 erfüllt, worin LW die Länge der Periode im Wirkungsgebiet in μm ist.

Description:
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik/Elektronik und betrifft ein akustisches Oberflächenwellenbauelement, bei dem die Wellenanregung vorwiegend mit einer quer zur Ausbreitungsrichtung und in der der Ebene der Oberfläche liegenden Schwingungsebene erfolgt. Im Wirkungsgebiet erfolgt eine Drehung der Schwingungsebene mit dem Zweck, eine signifikante Schwingungskomponente senkrecht zur Oberfläche zu erzielen. Objekte, bei denen die erfindungsgemäße Lösung möglich und zweckmäßig ist, sind Bauelemente, bei denen die Schwingungskomponente senkrecht zur Oberfläche funktionsbestimmend ist, d. h. typischerweise mikroakustische Aktuatoren wie z. B.: Aktuatoren der Mikrofluidik, akustische Pinzetten, optische Modulatoren, soweit deren Funktion auf der Nutzung akustischer Oberflächenwellen (SAW) beruht.

Stand der Technik

Es sind bereits Oberflächenwellenbauelemente bekannt, die eine senkrecht zur Oberfläche ausreichend große Schwingungsamplitude besitzen, wie sie für die Nutzung als Aktuatoren der Mikrofluidik oder für optische Modulatoren erforderlich sind. Diese Bauelemente besitzen üblicherweise einen Trennbereich (Trennwand, Abdeckschicht etc.) zwischen dem Bereich ihrer Anregung, die üblicherweise durch Interdigitalwandler erfolgt, und dem Bereich ihrer Wirkung als mikroakustischer Aktuator. Dieser Trennbereich hat den Nachteil, dass er zu einer Dämpfung und/oder Streuung der vom Interdigitalwandler erzeugten Oberflächenwellen führt und damit die beabsichtigte Wirkung vermindert.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein akustisches Oberflächenwellenbauelement auf der Basis eines einkristallinen piezoelektrischen Materials mit zugehöriger Kristallorientierung zu finden, das die Eigenschaft besitzt, dass die außerhalb des Trennbereichs angeregte Oberflächenwelle diesen mit vernachlässigbar geringer Dämpfung und/oder Streuung durchläuft und im Bereich der Wirkung als mikroakustischer Aktuator eine ausreichend große Schwingungsamplitude senkrecht zur Oberfläche besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Unteransprüchen enthalten.

Einige der in den Ansprüchen angegeben Merkmale des erfindungsgemäßen akustischen Oberflächenwellenbauelementes mit Drehung der Schwingungsebene sind in den beigefügten Zeichnungen als Ausführungsbeispiele bildlich dargestellt, mit einer Zuordnung zu den jeweils betreffenden Ansprüchen.

Beim erfindungsgemäßen akustischen Oberflächenwellenbauelement sind auf einem piezoelektrischen Substrat ein oder mehrere interdigitale Wandler angeordnet, welche aus Sammelelektroden und Zinken bestehen und die mehrere mit mindestens zwei Zinken gebildete funktionale Wandlerzellen enthalten, die innerhalb eines Anregungsgebietes (I) angeordnet sind. Das Substrat besteht aus einkristallinem Lithiumniobat und es existiert ein Trenngebiet (II), welches das Anregungsgebiet (I) von einem vorhandenen Wirkungsgebiet (III) separiert. Der oder die Wandler sind zur Erzielung von Oberflächenwellen, deren senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und parallel zur Oberfläche gerichteter Anteil der Schwingungsamplitude größer ist als die Schwingungsamplitude senkrecht zur Oberfläche, gemäß der nachstehenden Bedingung fS × LP = 4,2 bis 4,8– Bedingung 1 –ausgeführt.

Das Substrat ist im Trenngebiet (II) mit einem Material gemäß der nachstehenden Bedingung εT < εS– Bedingung 2 –teilweise oder vollständig überdeckt ausgeführt.

Im Wirkungsgebiet (III) ist das Substrat entweder mit einer elektrisch leitfähigen Schicht, oder aber einem Fluid gemäß den nachstehenden Bedingungen εW > εT– Bedingung 3 –und εW ≥ εS– Bedingung 4 –teilweise oder vollständig überdeckt ausgeführt.

Die Formelzeichen in den vorstehenden Bedingungen bedeuten:

fS
die Synchronfrequenz für den oder die interdigitalen Wandler in GHz, also diejenige Frequenz, bei der die Oberflächenwellenlänge mit der Wandlerperiode übereinstimmt,
LP
die Länge der Periode des oder der interdigitalen Wandler in μm als Mittenabstand zwei aufeinander folgender Wandlerzellen,
εT
die relative Permittivität (dielektrische Leitfähigkeit) des Materials oberhalb des Substrates im Trenngebiet,
εW
die relative Permittivität des Fluids oberhalb des Substrates im Wirkungsgebiet,
εS
die effektive (senkrecht zur Oberfläche wirkende) relative Permittivität des piezoelektrischen Substrates.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Material des Trenngebietes (II) das Anregungsgebiet (I) überdecken.

Erfindungsgemäß wird ein Lithiumniobatsubstrat mit einem Quarzkristall-Schnitt gemäß dem Eulerwinkel 0 oder einem Eulerwinkel im Bereich von –60° bis –20° oder –15° bis 15°.

Das Material oberhalb des Substrates im Trenngebiet (II) kann aus einem Polymer, wie Elastomere, Gummis, Polydimethylsiloxan, Silicone, polymerbasierte photostruktierbare Lacke oder Epoxydharze bestehen.

Vorteilhaft ist das Material oberhalb des Substrates im Trenngebiet (II) mechanisch direkt mit dem Substratmaterial verbunden.

Das Material oberhalb des Substrates im Trenngebiet (II) kann über eine zusätzliche Flüssigkeitsschicht oder Polymerschicht mit sehr geringer bis nicht vorhandener elektrischer Leitfähigkeit mit dem Substratmaterial verbunden sein.

Zweckmäßigerweise besteht das Material der leitfähigen Schicht im Wirkungsgebiet (III) aus einem Metall, wie Al, Cu, Au, Pt, Ag und Ti.

Das Material der leitfähigen Schicht im Wirkungsgebiet (III) kann auch aus einem Nichtmetall bestehen, insbesondere aus Kohlenstoffverbindungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie Graphen oder Carbon-Nanotubes.

Die leitfähige Schicht im Wirkungsgebiet (III) kann unmittelbar nach der Grenze zwischen Trenngebiet (II) und Wirkungsgebiet (III) beginnen.

Die leitfähige Schicht im Wirkungsgebiet (III) kann aber auch mit einem Abstand gegenüber der Grenze zwischen Trenngebiet (II) und Wirkungsgebiet (III) beginnen.

Die leitfähige Schicht im Wirkungsgebiet (III) kann auch periodische Unterbrechungen aufweisen.

Anstelle der leitfähigen Schicht im Wirkungsgebiet (III) kann eine nichtleitfähige, durch periodische Unterbrechungen gekennzeichnete Schicht vorhanden sein.

Anstelle der leitfähigen Schicht im Wirkungsgebiet (III) können periodisch angeordnete Vertiefungen/Gruben im Substrat vorhanden sein.

Die Periode der vorgenannten Unterbrechungen im Wirkungsgebiet (III) soll die die Bedingung fS × LW = 3,62 bis 3,71 erfüllen, worin LW die Länge der Periode im Wirkungsgebiet in μm ist.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung ist nachstehend an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung:

1 die wesentlichen Funktionselemente eines Bauelementes mit akustofluidischer Wechselwirkung, das beispielsweise als SAW-basierte akustische Pinzette benutzt werden kann,

2 die wesentlichen Funktionselemente eines Bauelementes mit akustofluidischer Wechselwirkung, das beispielsweise als SAW-basierter Mikromischer benutzt werden kann,

3 die wesentlichen Funktionselemente eines Bauelementes mit akustofluidischer Wechselwirkung, das beispielsweise als akustische Pinzette benutzt werden kann,

4 die wesentlichen Funktionselemente eines Bauelementes mit akustofluidischer Wechselwirkung, das beispielsweise als SAW-basierter Aerosolgenerator benutzt werden kann,

5 einen Teil der wesentlichen Funktionselemente eines Bauelementes mit akustofluidischer Wechselwirkung, das beispielsweise als akustische Pinzette benutzt werden kann,

6 einen Teil der wesentlichen Funktionselemente eines Bauelementes mit akustofluidischer Wechselwirkung, das beispielsweise für spezielle Zwecke in fluidischen Mikrokanälen benutzt werden kann,

7 einen Teil der wesentlichen Funktionselemente eines Bauelementes mit akustofluidischer Wechselwirkung, das beispielsweise als SAW-basierter mikroakustischer Mischer benutzt werden kann.

Beispiel 1

Dieses Beispiel betrifft das in 1 dargestellte Aktorik-Bauelement. Das Bauelement ist aufgebaut mit einem einkristallinen Lithiumniobat(LiNbO3)-Substrat 1 mit den Eulerwinkeln (0°, –26°, 0°), das heißt einem um 64° gedrehten Y-Schnitt mit X-Ausbreitungsrichtung. Die Oberfläche des Substrats 1 ist poliert und in drei Gebiete aufgeteilt, nämlich ein Anregungsgebiet I, ein Trenngebiet II und ein akustofluidisches Wirkungsgebiet III.

Im Anregungsgebiet I ist auf dem Substrat 1 ein Interdigitalwandler IDT zur Anregung einer vorwiegend horizontal polarisierten akustischen Oberflächenwelle (SAW) mit der Periode LP = 20 μm bei der Synchronfrequenz fS = 0,227 GHz angeordnet.

Im Ausbreitungspfad der SAW befindet sich das Trenngebiet II, das aus einer in Ausbreitungsrichtung 200 μm breiten, mit der Substratoberfläche fest verbundenen Polymerwand 2 aus Polydimethylsiloxan (PDMS) besteht und dass das akustofluidische Wirkungsgebiet III fluiddicht vom Anregungsgebiet I abtrennt. Damit wird eine von einem Fluid 4 unbeeinflusste Anregung der SAW ermöglicht, wie auch der IDT vor chemischen und elektrochemischen sowie elektrischen Wechselwirkungen mit dem Fluid geschützt. Die relative Permittivität des PDMS ist mit εT = 2,8 kleiner als die effektive (senkrecht zur Oberfläche wirkende) relative Permittivität des Substrates εS = 30,0.

Wird der IDT mit einem Signal der Frequenz fS angesteuert, regt er auf der Substratoberfläche eine vorwiegend horizontal polarisierte SAW an, die das Trenngebiet II aufgrund ihres geringen Anteils an oberflächennormaler Schwingungskomponente verlustarm durchläuft. Die Amplitude der SAW ist dabei direkt mit der am IDT anliegenden elektrischen Spannung einstellbar.

Im Wirkungsgebiet III ist die Substratoberfläche durch eine Goldschicht 3 mit einer Dicke 50 nm überdeckt und damit elektrisch von einem darüber befindlichen Fluid 4 abgeschirmt. Durch die sich hieraus ergebende Konzentration des elektrischen Feldes im Substrat wird die Schwingungsebene der SAW im Wirkungsgebiet III derart gedreht, dass die senkrecht zur Oberfläche gerichtete Schwingungsamplitude stark zunimmt. Damit kann die gesamte Energie der SAW für eine aktorische Funktion genutzt werden, zum Beispiel für eine akustische Pinzette zur räumlichen Manipulation von Partikeln, die in einem Fluid 4 im Wirkungsgebiet III vorhandenen sind.

Beispiel 2

Dieses Beispiel betrifft das in 2 dargestellte Aktorik-Bauelement. Das Bauelement ist aufgebaut mit einem einkristallinen Lithiumniobat(LiNbO3)-Substrat 1 mit den Eulerwinkeln (0°, –26°, 0°). Die Oberfläche des Substrats 1 ist poliert und in drei Gebiete aufgeteilt, nämlich ein Anregungsgebiet I, ein Trenngebiet II und ein akustofluidisches Wirkungsgebiet III.

Im Anregungsgebiet I ist auf dem Substrat 1 ein Interdigitalwandler IDT zur Anregung einer vorwiegend horizontal polarisierten akustischen Oberflächenwelle (SAW) mit der Periode LP = 150 μm bei der Synchronfrequenz fS = 0,0304 GHz angeordnet.

Im Ausbreitungspfad der SAW befindet sich das Trenngebiet II, das von einer in Ausbreitungsrichtung 1,5 mm breiten, mit der Substratoberfläche fest verbundenen Polymerwand aus Polydimethylsiloxan (PDMS) lateral abgegrenzt wird und das das akustofluidische Wirkungsgebiet (III) fluiddicht vom Anregungsgebiet I abtrennt. Damit wird eine vom Fluid 4 unbeeinflusste Anregung der SAW ermöglicht, wie auch der IDT vor chemischen und elektrochemischen sowie elektrischen Wechselwirkungen mit dem Fluid geschützt. Die relative Permittivität des PDMS ist mit εT = 2,8 kleiner als die effektive (senkrecht zur Oberfläche wirkende) relative Permittivität des Substrates εS = 30,0.

Wird der IDT mit einem Signal der Frequenz fS angesteuert, regt er auf der Substratoberfläche eine vorwiegend horizontal polarisierte SAW an, die das Trenngebiet II aufgrund ihres geringen Anteils an oberflächennormaler Schwingungskomponente verlustarm durchläuft. Die Amplitude der SAW ist dabei direkt mit der am IDT anliegenden elektrischen Spannung einstellbar.

Im Wirkungsgebiet III steht die Substratoberfläche im direkten Kontakt mit einem Fluid 4, das aus einer wässrigen Flüssigkeit mit der relativen Permittivität εW = 78 besteht. Durch die sich hieraus ergebende Konzentration des elektrischen Feldes im Substrat wird die Schwingungsebene der SAW im Wirkungsgebiet III derart gedreht, dass die senkrecht zur Oberfläche gerichtete Schwingungsamplitude stark zunimmt und somit die gesamte Energie der SAW für die bestimmungsgemäße aktorische Funktion, zum Beispiel eine akustofluidische Wechselwirkung als SAW-basierter Mikromischer in einem im Wirkungsgebiet III vorhandenen Fluid 4 genutzt werden kann.

Beispiele 3, 4 und 5

Diese Beispiele betreffen die in den 3, 5 und 6 dargestellten Aktorik-Bauelemente. Die Bauelemente sind aufgebaut mit einem einkristallinen Lithiumniobat(LiNbO3)-Substrat 1 mit den Eulerwinkeln (0°, –57°, 0°) das heißt einem um 33° gedrehten Y-Schnitt mit X-Ausbreitungsrichtung. Die Oberfläche der Substrate 1 ist poliert und in drei Gebiete aufgeteilt, nämlich ein Anregungsgebiet I, das in den 5 und 6 jedoch nicht dargestellt ist, ein Trenngebiet II und ein Wirkungsgebiet III.

Im jeweiligen Anregungsgebiet ist auf dem Substrat 1 ein Interdigitalwandler IDT zur Anregung einer vorwiegend horizontal polarisierten Oberflächenwelle mit der Periode LP = 20 μm bei der Synchronfrequenz fS = 0,227 GHz angeordnet.

Die jeweiligen Anregungsgebiete und der Ausbreitungspfad der akustischen Oberflächenwelle (SAW) sind in Ausbreitungsrichtung bis zu einer Streckenlänge von 200 μm mit einem mit der Substratoberfläche fest verbundenen, fotolithografisch strukturierten Trenn-Polymer in Form eines Fotolackes aus der Gruppe der Negativ-Resiste überschichtet, welches das akustofluidische Wirkungsgebiet III fluiddicht abtrennt. Damit wird der IDT vor chemischen und elektrochemischen sowie elektrischen Wechselwirkungen mit einem Fluid 4 sowie aggressiven Medien aus der Umgebung geschützt. Die relative Permittivität dieses Fotolackes ist mit εT = 3,2 kleiner als die effektive (senkrecht zur Oberfläche) wirkende relative Permittivität des Substrates εS = 39,9.

Wird der IDT mit einem Signal der Frequenz fS angesteuert, regt er eine vorwiegend horizontal polarisierte SAW an, die aufgrund ihres geringen Anteils an oberflächennormaler Schwingungskomponente das vom Fotolack bedeckte Gebiet verlustarm durchläuft. Die Amplitude der SAW ist dabei direkt mit der am IDT anliegenden elektrischen Spannung einstellbar.

Gemäß 3 ist im Wirkungsgebiet III die Substratoberfläche durch eine metallische Schicht der Dicke 40 nm aus Gold überdeckt und damit elektrisch vom darüber befindlichen Fluid 4 abgeschirmt. Durch die sich hieraus ergebende Konzentration des elektrischen Feldes im Substrat wird die Schwingungsebene der SAW im metallbeschichteten Wirkungsgebiet derart gedreht, dass die senkrecht zur Oberfläche gerichtete Schwingungsamplitude stark zunimmt und somit die gesamte Energie der SAW für die bestimmungsgemäße aktorische Funktion, zum Beispiel eine akustofluidische Wechselwirkung als akustische Pinzette zur räumlichen Manipulation von in einem Fluid 4 enthaltenen biologischen Zellen, genutzt werden kann.

Hierbei kann der Bereich der aktorischen Funktion im Fall von Fluiden 4 mit geringer elektrischer Permittivität durch die laterale Ausdehnung der metallischen Schicht bestimmt werden.

Beginnt die Metallschicht direkt an der Kante des Trenn-Polymers entsprechend der 3 und 5, setzt auch die aktorische Wechselwirkungszone unmittelbar dort ein. Wird dagegen die Metallschicht mit einem bestimmten Abstand von der Kante des Trennpolymers entfernt angeordnet, wie das in 6 gezeigt ist, verschiebt sich die Zone der akustofluidischen Wechselwirkung entsprechend, sofern die relative Permittivität eines Fluids 4 nicht wesentlich größer als die effektive (senkrecht zur Substratoberfläche wirkende) relative Permittivität des Substrates εS ist. Dies kann zum Beispiel in fluidischen Mikrokanälen vorteilhaft sein, wenn bestimmte Kanalbereiche von der akustofluidischen Beeinflussung ausgenommen werden sollen.

Beispiel 6

Dieses Beispiel betrifft das in 4 dargestellte Aktorik-Bauelement. Das Bauelement ist aufgebaut mit einem einkristallinen Lithiumniobat(LiNbO3)-Substrat 1 mit den Eulerwinkeln (0°, –57°, 0°). Die Oberfläche des Substrats 1 ist poliert und in drei Gebiete aufgeteilt, nämlich ein Anregungsgebiet I, ein Trenngebiet II und ein Wirkungsgebiet III.

Im Anregungsgebiet I ist auf dem Substrat 1 ein Interdigitalwandler (IDT) zur Anregung einer vorwiegend horizontal polarisierten Oberflächenwelle mit der Periode LP = 60 μm bei der Synchronfrequenz fS = 0,0758 GHz angeordnet.

Das Anregungsgebiet I und der Ausbreitungspfad der akustischen Oberflächenwelle (SAW) sind in Ausbreitungsrichtung bis zu einer Streckenlänge von 600 μm vom IDT von einem mit der Substratoberfläche fest verbundenen, fotolithografisch strukturierten Trenn-Polymer in Form eines Fotolackes aus der Gruppe der Negativ-Resiste überschichtet, welches das akustofluidische Wirkungsgebiet III fluiddicht abtrennt. Damit wird der IDT vor chemischen und elektrochemischen sowie elektrischen Wechselwirkungen mit einem Fluid 4 sowie aggressiven Medien aus der Umgebung geschützt. Die relative Permittivität dieses Fotolackes ist mit εT = 3,2 kleiner als die effektive (senkrecht zur Oberfläche wirkende) relative Permittivität des Substrates εS = 39,9.

Wird der IDT mit einem Signal der Frequenz fS angesteuert, regt er eine vorwiegend horizontal polarisierte SAW an, die aufgrund ihres geringen Anteils an oberflächennormaler Schwingungskomponente das vom Fotolack bedeckte Gebiet verlustarm durchläuft. Die Amplitude der SAW ist dabei direkt mit der am IDT anliegenden elektrischen Spannung einstellbar.

Im Wirkungsgebiet III steht die Substratoberfläche im direkten Kontakt zu einem Fluid 4, das aus einer wässrigen Flüssigkeit mit der relativen Permittivität εW = 78 besteht. Durch die sich hieraus ergebende Konzentration des elektrischen Feldes im Substrat wird die Schwingungsebene der SAW im Wirkungsgebiet III derart gedreht, dass die senkrecht zur Oberfläche gerichtete Schwingungsamplitude stark zunimmt. Damit kann die gesamte Energie der SAW für die bestimmungsgemäße aktorische Funktion genutzt werden, zum Beispiel die Nutzung der akustofluidische Wechselwirkung für einen SAW-basierter Aerosolgenerator.

Beispiel 7

Dieses Beispiel betrifft das in 7 dargestellte Aktorik-Bauelement. Das Bauelement ist aufgebaut mit einem einkristallinen Lithiumniobat(LiNbO3)-Substrat mit den Eulerwinkeln (0°, –26°, 0°). Die Oberfläche des Substrats 1 ist poliert und in drei Gebiete aufgeteilt, nämlich ein in der Figur nicht dargestelltes Anregungsgebiet, ein Trenngebiet II und ein Wirkungsgebiet III.

Im Anregungsgebiet ist auf dem Substrat 1 ein Interdigitalwandler IDT zur Anregung einer vorwiegend horizontal polarisierten Oberflächenwelle mit der Periode LP = 90 μm bei der Synchronfrequenz fS = 0,0506 GHz angeordnet.

Im Ausbreitungspfad der akustischen Oberflächenwelle (SAW) befindet sich das Trenngebiet II, das von einer in Ausbreitungsrichtung 900 μm breiten, mit der Substratoberfläche fest verbundenen Polymerwand aus Polydimethylsiloxan (PDMS) gebildet wird und das akustofluidische Wirkungsgebiet III fluiddicht vom Anregungsgebiet abtrennt. Damit wird eine vom Fluid 4 unbeeinflusste Anregung der SAW ermöglicht, wie auch der IDT vor chemischen und elektrochemischen sowie elektrischen Wechselwirkungen mit dem Fluid geschützt. Die relative Permittivität des PDMS ist mit εT = 2,8 kleiner als die effektive (senkrecht zur Oberfläche wirkende) relative Permittivität des Substrates εS = 30,0.

Wird der IDT mit einem Signal der Frequenz fS angesteuert, regt er auf der Substratoberfläche eine vorwiegend horizontal polarisierte SAW an, die das Trenngebiet II aufgrund ihres geringen Anteils an oberflächennormaler Schwingungskomponente verlustarm durchläuft. Die Amplitude der SAW ist dabei direkt mit der am IDT anliegenden elektrischen Spannung einstellbar.

Im Wirkungsgebiet III ist die Substratoberfläche durch eine periodisch strukturierte Platinschicht in Form von senkrecht zur SAW-Ausbreitung liegender Streifen 5 mit einer Dicke von 50 nm überdeckt. Durch die sich hieraus ergebende Oberflächenkorrugation werden weitere akustische Wellen derart angeregt, dass die resultierende, senkrecht zur Oberfläche gerichtete Schwingungsamplitude stark zunimmt und somit die gesamte Energie für die bestimmungsgemäße aktorische Funktion in einem Fluid 4 genutzt werden kann, zum Beispiel in einem SAW-basierten mikroakustischen Mischer.