Tenkovrstvé piezoelektrické senzory
Piezoelektrický jev • Piezoelektřina byla objevena již v roce 1880 bratry Pierrem a Jacquesem Curieovými na krystalech turmalínu, vzápětí pak také křemene. • Objevitelé vypozorovali jev, který znamenal „vznik“ (shromáždění) elektrických nábojů na plochách (středově nesymetrických) krystalů těchto a některých dalších látek v důsledku jejich mechanického namáhání. • Vygenerovaný elektrický náboj je tomuto tlaku přímo úměrný. Jev byl nazván (přímý) piezoelektrický jev, podle řeckého slova piedzó (tlačit).
Piezoelektrický jev • Dielektrická polarizace některých látek je tedy vázána na jejich elastickou deformaci - tlak, tah, ohyb, střih nebo krut • Piez, pieza - pz, je jednotka tlaku v bývalé, dnes již nepoužívané soustavě jednotek MTS, 1 pz = 1 kPa.
Deformace krystalu
Kmity krystalu - módy
Hlavní druhy (módy) kmitů: ohybové (pásmo kmitočtů 1 až 50 kHz), podélné (50 až 180 kHz), plošně střižné (180 až 600 kHz), tloušťkově střižné (0,8 až 160 MHz).
Popis piezoelektrického jevu • Vzniklý elektrický náboj je přímo úměrný působící síle a konstantou úměrnosti je tzv. piezoelektrická konstanta. • Napětí, které odpovídá vzniklému náboji, se odebírá z elektrod vyvedených přímo na krystalu.
Curieova teplota • Při vysokých teplotách dochází u jakéhokoliv materiálu ke ztrátě piezoelektrických vlastností, protože je narušeno uspořádání iontů. • K této změně dochází skokově, podobně jako ke změně skupenství. • Přechodová teplota je charakteristická pro daný materiál a nazývá se Curieova teplota (Curieův bod nebo Curieova teplota (Tc) je charakteristická vlastnost feromagnetických a piezoelektrických látek, kterou popsal francouzský fyzik Pierre Curie; nad Curieovou teplotou ztrácí látka své feromagnetické (či piezoelektrické) vlastnosti.).
Podmínka piezoelektrického jevu • O tom, zda piezoelektrický jev nastane nebo nikoli rozhoduje poloha středu symetrie základní buňky krystalové mřížky. • Deformací se ionty opačných nábojů posunou v krystalové mřížce tak, že elektrická těžiště záporných a kladných iontů, která v nezdeformovaném krystalu souhlasí, se od sebe vzdálí. Na určitých plochách krystalu se objeví elektrický náboj.
„nepiezoelektrický“ krystal
piezoelektrický krystal
Nepřímý piezoelektrický jev • K piezoelektrickému jevu existuje i jev opačný (obrácený nebo nepřímý piezoelektrický jev, elektrostrikce), kdy se krystal v elektrickém napětí deformuje. • Čím větší je elektrické pole, tím větší je i deformace. Tato závislost je kvadratická, na rozdíl od lineární závislosti při přímém piezoelektrickém jevu. • Při obráceném piezoelektrickém jevu působí vnější elektrické pole posunutí iontů, což vede k deformaci krystalu. • Oba jevy se mohou vyskytovat pouze u krystalů, které nemají střed symetrie.
Nepřímý piezoelektrický jev • Elektrostrikce umožňuje využít například velmi stálých kmitů křemene k řízení elektrických kmitů v elektronických generátorech, generátorech ultrazvuku, elektromechanických filtrech nebo rezonátorech (kmitočtový rozsah 1 kHz - 200 MHz). • Využití obráceného piezoelektrického jevu je založeno na působení elektrického pole na krystal. • Je-li pole časově periodicky proměnné s kmitočtem, který odpovídá kmitočtu vlastních elastických kmitů krystalu, vzniká mechnická rezonance.
Piezoelektrické materiály • Seignettova sůl (tetrahydrát vínanu draselnosodného) • turmalín (hlinitoborokřemičitan železa) • monokrystalický α-křemen SiO2 (klencová krystalická soustava) - nejčastěji • fosforečnan amonný • keramické materiály na bázi tuhých roztoků oxidů olova, zirkonu (ZrSiO4) a titanu -tzv. PZT keramika, zirkonát olova PbZrO3.
Piezoelektrické materiály • monokrystalický nebo polykrystalický niobičnan litný LiNbO3 • monokrystalický triglycinsulfát TGS • polykrystalické titaničitany: barnatý BaTiO3, olovnatý PbTiO3, litný LiTiO3 • piezopolymery např. polyvinylidendifluorid - PVDF • feroelektrické materiály (nelineární závislost polarizace na el. poli - hysterezní smyčka) • Kvůli kompatibilitě senzorů s integrovanými Si obvody se používají také piezoelektrické vrstvy CdS a ZnO.
Vývoj piezoelektrických materiálů Piezoelektrické materiály se průmyslově využívají od poloviny 20. století. V 50. až 60. letech se započalo s jejich intenzívním výzkumem. Současný vývoj piezoelektrických látek je veden směrem k nalezení materiálů: • s lepšími piezoel. vlastnostmi (zlepšení citlivosti), • větší účinností převodu elektrické a mechanické formy energie (úspora energie), • lepší teplotní stabilitou rezonanční frekvence a ke zmenšení pracovního napětí při stejném pracovním efektu (tenké vrstvy, mnohovrstevné struktury). • vývoj v oblasti aplikací piezoelektrických zařízení (v automatizační technice).
Senzory na bázi přímého nebo nepřímého piezoel. jevu • chovají se elektricky jako kapacitory, • mechanicky jako tuhá pružina Nežádoucí vlastnosti piezoel. senzorů: • hystereze • vliv teploty • stárnutí • nemohou být využity k měření statických sil.
Piezoelektrické senzory • indikátory síly, tlaku, výchylky, deformace • akcelerometry - jejich setrvačná hmota působí na piezoelektrický element) • snímače vibrací, chvění, hluku • reproduktory (sluchátka) • gramofonové přenosky • mikrofony • snímače pro hudební nástroje.
Další využití piezoelektrického jevu • optika: jemné posuvy • akční členy = aktuátory, měřicí a regulační technika), • řádkovací („skenovací“) mikroskopie, AFM • automobilní a spotřební elektrotechnika: zapalování zážehových spalovacích motorů, parkovací a nárazová čidla -airbagy, • dětské hračky, zapalovače, domácí spotřebiče • ...
Piezoelektrický krystalový rezonátor • Piezoelektrický krystalový rezonátor (krystal, Quartz Crystal Microbalannce - QCM) je pasivní elektronická součástka používaná v elektronických obvodech jako rezonátor, • QCM jsou kmitočtově velmi stabilní oscilátory (rel. změna rezonanční frekvence až 10-10 Hz.den-1 a teplotní stabilita 10-8 Hz.°C-1). • Místo rezonančního obvodu se využívají vlastnosti krystalu (krystal většinou nahrazuje L v rez.obvodu). Používá se tedy režimu impedance rostoucí s frekvencí.
Krystalové rezonátory pro různé kmitočty
Krystalový rezonátor po otevření pouzdra
K Schématická značka
Piezoelektrický krystalový rezonátor QCM • Pojmem piezoelektrický krystalový rezonátor rozumíme element z piezoelektricky aktivního materiálu (nejčastěji ve tvaru destičky, tyčinky nebo prstence). • Piezoelektrický krystalový rezonátor (krystal) využívá přímého a nepřímého piezoelektrického jevu zároveň. • Je to destička vhodně vyříznutá z krystalu křemene nebo jiného vhodného materiálu
Krystal a-křemene s naznačeným jedním typem výbrusu klencová (trigonální) krystalická soustava
Piezoelektrický krystalový rezonátor • vhodně vyříznutá tenkou destičku z piezoelektrického materiálu, opatřená určitou konfigurací elektrod • na elektrody se přiloží střídavé napětí (nepřímý piezoelektr.děj - způsobí mechanické kmity) • destička se rozkmitá vlastním módem kmitu - dáno geometrií, krystalovou orientací a materiálem destičky, geometrií elektrod, frekvencí přiloženého napětí. • hlavní druhy (módy) kmitů jsou ohybové (pásmo kmitočtů 1 až 50 kHz), podélné (50 až 180 kHz), plošně střižné (180 až 600 kHz), tloušťkově střižné (0,8 až 160 MHz). • pro účely využití rezonátorů v piezoelektrických snímačích je nejvhodnější tvar tenké destičky s elektrodami uprostřed obou rovinných ploch.
Rezonance • mechanická deformace je vyvolána harmonickým elektrickým polem o frekvenci blízké některé vlastní frekvenci rezonátoru • kmity destičky budou nejsilnější, pokud najdeme kmitočet na kterém destička mechanicky rezonuje • amplituda mechanických kmitů je maximální, jestliže frekvence elektrického napětí je rovna mechanickému rezonančnímu kmitočtu.
Rezonance • • • • • •
Fyzikálně lze popsat tento děj teorií vynucených kmitů. Jejich amplituda závisí na velikosti vnucené periodické síly, na rozdílu vlastní frekvence výbrusu a frekvence vnucené síly a na činiteli tlumení kmitů. Ve stavu rezonance, kdy jsou obě uvedené frekvence prakticky shodné, dosahuje amplituda kmitů extrémní hodnoty závislé na činiteli utlumení. Rezonátor může obecně kmitat řadou jednoduchých nebo vzájemně vázaných módů kmitů různých řádů. V aplikacích se využívá obvykle jediný mód, případně kombinace několika časově a prostorově posunutých kmitů. Mechanická rezonance destičky se promítá i do elektrických parametrů součástky, takže z pohledu obvodu, ve kterém je zapojen, se krystal chová jako velmi kvalitní elektrický rezonanční obvod.
Vlastnosti krystalového rezonátoru • Mechanické vlastnosti krystalového rezonátoru lze popsat elektrickými parametry náhradního elektrického obvodu pomocí elektromechanické analogie:
Vlastnosti krystalového rezonátoru • Z pohledu obvodu, ve kterém je rezonátor zapojen, se totiž krystal chová jako elektrický rezonanční obvod s několika rezonančními kmitočty. • Jednotlivým kmitočtům odpovídají sériové rezonanční obvody C1, L1, R1 až Cn, Ln, Rn. • Kapacita C0 je určena především kapacitou samotného výbrusu mezi elektrodami a kapacitou jeho držáku - její velikost je typicky kolem 10 pF.
Vlastnosti krystalového rezonátoru •
Pokud uvažujeme jeden konkrétní rezonanční kmitočet krystalu, můžeme schéma zjednodušit pouze na C0 a jednu sériovou kombinaci C1, L1, R1.
•
Hodnoty součástek C1, L1, R1 se pohybují v širokém rozmezí, podle typu výbrusu a zvoleného rezonančního kmitočtu.
Popis rezonance • Každá rezonance krystalu má svůj sériový ωs a paralelní ωp úhlový kmitočet, (tzv. rezonanci a antirezonanci). • Sériový úhlový kmitočet ωs se vypočítá se podle vztahu:
ωS =
1 L1 .C1
Sériová rezonance • Při sériové rezonanci má komplexní impedance Z obvodu pouze reálnou část, • obvod se chová jako elektrický odpor, • impedance obvodu při sériové rezonanci dosahuje minima (= R1), • fázové posunutí mezi napětím a proudem je nulové. • Vzhledem k poměru C0 k C1 bývá však toto minimum málo zřetelné. • Vlivem tlumícího účinku odporu v rezonanční větvi náhradního schématu, kterým se vyjadřuje tlumení mechanických kmitů výbrusu, se dosáhne podmínek sériové rezonance při frekvenci o jednotky Hz nižší, než udává vztah.
Paralelní rezonance • Úhlový kmitočet pro paralelní rezonanci ωp určíme ze vztahu:
ωS =
1 = C1 .C0 L1 . (C1 + C0 )
⎛ C1 C1 C1 ⎞ 1 ⎜ ⎟⎟ ⋅ 1+ = ωS . 1 + ≈ ω S .⎜1 + C0 C0 L1 .C1 ⎝ 2.C0 ⎠
Popis rezonance • Protože kapacita C0 je výrazně větší než C1, leží oba rezonanční kmitočty těsně vedle sebe. • Při paralelní rezonanci je fázové posunutí mezi napětím a proudem opět nulové, impedance Z dosahuje maxima. • Závislost impedance Z náhradního elektrického obvodu na frekvenci vykazuje dva extrémy pro frekvence fS a fP. Mezi nimi má impedance obvodu charakter induktance (impedance s frekvencí roste). • Fázové posunutí mezi napětím a proudem θ je zde téměř +90°. Mimo vymezenou kmitočtovou oblast má impedance charakter kapacitance a fázové posunutí mezi proudem a napětím je téměř -90°.
Obecná frekvenční charakteristika |Z| a X (imaginární složka Z) u krystalového rezonátoru
IZI X
Induktívní charakter
Rs fs
fp
Kapacitní charakter
f
Záznam frekvenčního průběhu Z a fáze θ v okolí fS a fP
Význam prvků náhradního obvodu Parametry C1, L1 a R1 popisují vlastnosti rezonátoru při sériové rezonanci: • • • •
C0 : „parazitní“ kapacita přívodů (elektrod) ~ (1 až 40) pF C1 : pružnost krystalu ~ (0,003 až 0,3) pF L1 : hmotnost krystalu ~ (3 až 500) mH R1 : ztráty v krystalu (tření) ~ (2 až 200) Ω.
Činitel jakosti • Důležitou charakteristikou mechanického rezonujícího systému je tzv. činitel jakosti Qm. • Je definován jako 2π násobek poměru energie akumulované v systému (průměrné energie kmitání) k energii rozptýlené tlumící silou za jednu periodu. • Pomocí náhradního schématu krystalového rezonátoru lze odvodit vztah pro činitel jakosti:
ω S .L
1 Qm = = R ωs .C1.R1 • Obvody s vysokým činitelem jakosti mají úzkou rezonanční křivku s dobře vyjádřeným • extrémem obvodové veličiny. Krystalové rezonátory dosahují běžně hodnot činitele jakosti 104 až 107.
• Teplotní součinitel kmitočtu se určí ze vztahu:
Δf S 1 ⋅ kt = f S Δt • Prvky náhradního obvodu (L, R, C) krystalového rezonátoru vykazují téměř ideální chování (takřka chybí parazitní vazby, vysoký činitel jakosti) oproti klasickým diskrétním součástkám. • Parametry oscilátoru vytvořeného z diskrétních součástek (rezistor, cívka, kondenzátor) jsou tedy podstatně horší, než je tomu u krystalového rezonátoru. • To se projevuje přednostním využíváním rezonátorů v oscilačních obvodech (taktování procesorů, hodiny).
Technologie výroby rezonátoru • Krystalové rezonátory se vyrábějí téměř výlučně z krystalu křemene SiO2, protože dosahuje vynikajících elektrických parametrů a dlouhodobé časové i teplotní stability rezonančního kmitočtu. • Charakteristická frekvence kmitání křemenného krystalu je 32 768 Hz, závisí ale na orientaci výbrusu a typu mechanické deformace. • Podstatou návrhu piezoelektrického rezonátoru je určení základních modálních parametrů - vlastní (rezonanční) frekvence a vlastního tvaru kmitů. • U rezonátorů určených pro použití v radiotechnice nebo akustice má zásadní význam velikost a stabilita rezonanční frekvence a vzájemná vazba nebo odstup sousedních módů kmitů.
Technologie výroby rezonátoru • U rezonátorů používaných pro aktuátory je určující také vlastní tvar kmitu, důležitý pro optimální činnost zařízení. • Rostoucí význam piezoelektrických rezonátorů v technické praxi klade nároky na přesnost jejich provedení. • Nejdůležitější etapa návrhu spočívá v optimalizaci modálních parametrů podle požadavků aplikace. • Hlavními faktory jsou materiál, tvar, rozměry a krystalová orientace výbrusu a tvar elektrod. • Vhodnou kombinací těchto veličin je možné zvýraznit požadovaný mód kmitu a potlačit frekvenčně blízké nežádoucí módy.
Technologie výroby rezonátoru • Směr řezu a rozměry destiček tedy určují typy rezonancí, kterých výbrus může dosáhnout a jejich rezonanční kmitočty. • V průběhu konstrukce rezonátoru je nutné provést úplnou a přesnou analýzu spektra kmitů pro různé hodnoty geometrických a materiálových parametrů. • Na přesný výbrus se napaří tenké stříbrné nebo zlaté elektrody, jejichž tvar je závislý na požadovaném typu rezonance. • Na tyto elektrody se vhodným způsobem nakontaktují vývody a krystal se uzavře do kovového pouzdra. • Krystaly se speciálními požadavky na stabilitu bývají uzavřeny do speciálního evakuovaného pouzdra nebo se umisťují do termostatu, aby se eliminovala teplotní závislost kmitočtu.
Uplatnění krystalového rezonátoru • Piezoelektrické krystalové rezonátory jsou důležitým stavebním prvkem řady moderních zařízení. • Vedle tradičních aplikací v oscilačních a filtračních elektrických obvodech nebo budičích akustického signálu nacházejí stále větší uplatnění jako rezonanční snímače neelektrických veličin - senzory. • Fyzikální podstatou rezonančních senzorů je závislost vlastního rezonančního kmitočtu senzoru na různých fyzikálních veličinách. • Posun rezonančního kmitočtu Δf je tedy funkcí např. tlaku, deformace, síly, teploty, vlhkosti, koncentrace chemické látky ve vzduchu aj. • Výhodou rezonančních senzorů je přímé zpracování signálu a snadná realizace Si technologií monolitických integrovaných součástek.
Piezoelektrický senzor tlaku
Piezoelektrický ohybový senzor
Uplatnění krystalového rezonátoru • Krystalové rezonátory se též používají jako základní součást piezoelektrických aktuátorů (akčních členů „opak senzoru“) a ultrazvukových motorů nebo piezoelektrických transformátorech. • Nově se objevují i technická řešení kombinující více rezonančních struktur s různou frekvencí. • Používají se jako frekvenční filtry v rádiových přijímačích, v přesných oscilátorech například ve vysílačích, v elektronických hodinách a hodinkách, pro taktování procesorů v počítačích a dalších zařízeních spotřební elektroniky.
Uplatnění krystalového rezonátoru • Počítače: taktování procesorů. • Radioelektronika (+TV) a telekomunikační technika (mobilní, satelitní): frekvenční filtry, zpožďovací linky. • Zdravotnictví a ochrana zdraví: zmlžovače (zvlhčovač vzduchu, inhalátory léků), lékařské diagnostické přístroje (ultrazvukové sondy, sonograf, tomograf). • Zdroje ultrazvuku, domácí spotřebiče, hračky. • Senzory: senzory deformace, senzory naplnění nádoby (stav toneru, náplně v nápojových automatech), detekce plynů.
Využití krystalových rezonátorů pro detekci plynů • Změna rezonanční frekvence krystalového rezonátoru jako univerzální převodní mechanismus lze využít ke konstrukci senzoru detekujícího plyny a páry obsažené v okolní atmosféře. • Plynové senzory na bázi krystalových rezonátorů využívají různé sorpční vrstvy mající afinitu k molekulám sledované látky. • Nasorbovaná hmota (molekuly detekovaného plynu) představuje hmotnostní přírůstek a změnu viskoelastických vlastností vrstvy, což se projeví změnou rezonanční frekvence. • Selektivita odezvy je pak dána volbou materiálu sorpční vrstvy.
Příklad měřicího uspořádání krystalového rezonátoru: 1 – měřicí komůrka, 2 – křemenný výbrus, 3 – elektroda, 4vrstva sorbentu, 5- elektrické přívody, 6 – izolační základna.
Princip senzoru plynů QCM • Krystalové rezonátory registrují změnu hmotnosti pomocí piezoelektrického výbrusu. • Stanovuje se množství plynné látky zachycené na vhodném adsorbentu či absorbentu a pro měření zachyceného množství se použije piezoelektrický rezonátor. • Jde v podstatě o gravimetrické stanovení. • Většinou se jedná o rezonátor z α modifikace křemene SiO2 (vysoká pevnost, chemická odolnost, malá teplotní roztažnost). • Na povrch elektrod (jedné nebo obou) krystalového výbrusu je nanesena vrstva sorbentu.
Sauerbreyho rovnice • Pokud vrstva sorbentu zachytí detekovaný plyn, v důsledku čehož se změní hmotnost kmitající soustavy, dojde k posunu rezonanční frekvence. • Změna frekvence Δf je dána Sauerbreyovou rovnicí: • 2 −6 ⎛ f ⋅ Δm ⎞ ⎟⎟ Δf = −2,26 ⋅ 10 ⎜⎜ ⎝ A ⎠ • kde f (MHz) je základní rezonanční frekvence nezatíženého QCM, Δm (g) je hmota nasorbované látky, A (cm2) je plocha elektrody.
Sorbent • Sorbent musí být látka s nízkou tenzí par, aby změna hmotnosti Δm nebyla způsobená odpařováním sorbentu, a současně musí mít vysokou afinitu k měřené složce. • Celková hmotnost sorbentu je záležitostí kompromisu. • Větší množství zvyšuje citlivost, ale zhoršuje stabilitu a zpomaluje odezvu na změny koncentrace. • Obvykle se povrch krystalu pokrývá vrstvou sorbentu, jejíž hmotnost kolísá v rozmezí 1 - 100 μg.cm-2. • Odpovídající změny frekvence Δf bývají typicky v řádech 101 až 102 Hz, výjimečně až 103 Hz. • Významnou vlastností piezoelektrického senzoru je rychlost odezvy, časová konstanta odezvy bývá T90: ~101s - ~100min. • Rozlišují se dva typy sorbentů: s vratnou sorpcí a s nevratnou sorpcí.
Příklad časového průběhu výstupního signálu – vratná sorpce
Detekce par rtuti • Sorbentem je v tomto případě zlato (většinou materiál elektrod), které váže rtuť jako amalgám. Tímto způsobem lze detekovat již 10-12 g zachycené rtuti. • Pro stanovení oxidu siřičitého se využívá dvou principů označovaných jako chemický a fyzikálně chemický. Základem je reakce: 2 SO2 + Hg22+ + 2 H2 O → Hg ( SO3 ) 22− + Hg plyn + 4 H +
• v níž je zdrojem rtuti vodný roztok dusičnanu rtuťného. Produktem reakce je elementární rtuť. Analyzovaná směs se při tomto způsobu probublává roztokem a poté vede do komůrky s piezoelektrickým čidlem pro detekci rtuti. Citlivost dosahuje stovek ppb oxidu siřičitého.
Detekce oxidu uhelnatého HgOpevný + CO → Hg plyn + CO2
• Reakce probíhá dostatečnou rychlostí při teplotě přes 200 °C, takže analyzovaná směs se vede přes pícku s náplní oxidu rtuťnatého. • Citlivost bývá kolem 1 ppb CO.
Sorbenty zachycující složku přímo • Např. k detekci oxidu siřičitého je možno použít Na2HgCl4, silikonových tuků, trietanolamin, p-toluidin. • U látek s „nevratnou sorpcí“ probíhá desorpce za podmínek měření extrémně pomalu. V těchto případech se obvykle obnovuje sorpční schopnost povlaku senzoru desorpcí za zvýšené teploty. Typickým příkladem je právě sorpce rtuti na vrstvě zlata, pro desorpci je zapotřebí 200 °C. • Jenom vyjímečně lze nalézt sorbenty, které selektivně zachycují jen jednu složku.
Příklady látek stanovitelných piezoelektrickými senzory a používané sorbenty
Senzory s povrchovou akustickou vlnou SAW • SAW je zkratka z anglického Surface Acoustic Wave. • Povrchová akustická vlna se šíří po povrchu pružného materiálu. • Její amplituda obvykle exponenciálně klesá směrem do hloubky. • Tento typ vlny je využíván v piezoelektrických součástkách jako jsou filtry, oscilátory a transformátory. • Velké uplatnění našly SAW součástky při konstrukci různých druhů senzorů.
Povrchové akustické vlny • V roce 1887 objevil Lord Rayleigh povrchovou akustickou vlnu (též někdy nazývaná Rayleighova vlna) a ve své práci předpověděl její vlastnosti. • Vlna má podélnou a příčnou složku, která vzniká rozechvěním materiálu na kterém je součástka přidělána. • V závislosti na vlastnostech materiálu a druhu spojení se liší amplituda a rychlost šíření. • Snímání těchto hodnot umožňuje zpětně určit aktuální vlastnosti materiálu resp. okolního prostředí (teplotu, mechanické namáhání, chemické složení apod.)
Princip SAW struktur • Povrchové akustické vlny jsou běžně využívány pro zpracování vysokofrekvenčního signálu v oblasti od desítek MHz až do 2 GHz a to jako zpožďovací vedení pro rezonanční filtry. • Jako základní element senzoru SAW je piezoelektrická destička se dvěma hřebenovými elektrodami (tzv. iterdigitálními měniči - IDT). • SAW součástky jsou obvykle tvořeny jedním nebo více měniči IDT (palcové převodníky), které převádějí akustickou vlnu na elektrickou a zpět díky piezoelektrickému jevu materiálu.
Princip SAW struktur • Přivede-li se na vstupní měnič vysokofrekvenční napěťový signál, dochází na destičce k nepřímému piezoelektrickému jevu (tj. elektrostrikci), který způsobí synchronní deformaci piezoelektrického krystalu. • Povrchem substrátu vedení SAW se šíří podélná a příčná složka Rayleighova povrchového vlnění (tj. elastické vychylování atomů z rovnovážných poloh po eliptické dráze). • Akustická vlna se šíří směrem k výstupnímu měniči, v němž je zpětně přeměněna na elektrický signál prostřednictvím přímého piezoelektrického jevu. • Je-li kmitočet budícího signálu takový, že vznikající akustická vlna postupuje mezi jednotlivými zuby elektrody ve fázi, dochází k minimálnímu útlumu zpožďovacího vedení mezi výstupním a vstupním elektrickým signálem.
Schéma SAW struktury
λ je vlnová délka akustické vlny a jí odpovídající rozměr elektrod, νSAW rychlost šíření akustické vlny ve zpožďovacím vedení (řádově 103 m.s-1, křemen- 3200 m.s-1)
SAW senzory • V minulosti byly SAW senzory postupně nasazeny do všech odvětví měření veličin - biologické, chemické, optické, teplotní, tlaku, zrychlení. • Princip senzoru SAW spočívá v závislosti zpoždění Δt na měřené veličině, buď změnou rychlosti vSAW nebo rozměru krystalu. Výstupní veličinou je buď kmitočet nebo číslicový signál. • Při měření mechanických veličin je doba zpoždění ovlivňována deformací piezolektrického substrátu. Při deformaci tedy dochází ke změně přenosových vlastností SAW, na základě těchto změn vzniká elektrický signál. • SAW senzory jsou například používány jako senzory doteku ve kvalitních dotykových LCD displejích. • Změnu velikosti hodnoty zpoždění u plynových senzorů obstarává opět vhodný sorbent nanesený mezi vysílačem a přijímačem. V závislosti na hmotě nasorbovaného plynu se pak mění doba zpoždění a amplituda výstupního napětí.
