Technologie SAW (Surface Acoustic Wave), i když je již známa přes 100 let, začala se více uplatňovat teprve nedávno. Umožňuje vyrábět přesné filtry, oscilátory, citlivé senzory, i multimediální uživatelská ovládací rozhraní. Zatímco SAW filtry a oscilátory najdeme v oblasti bezdrátového přenosu dat a telekomunikací, SAW senzory mohou měřit pohyb, zrychlení, teplotu, tlak, i chemické složení látek a mnoho dalších odvozených parametrů a veličin.

Co to je SAW ?

Surface Acoustic Wave je akustická vlna pohybující se podél povrchu materiálu s určitou pružností, přičemž amplituda se tlumí exponenciálně s hloubkou substrátu. Tento druh vln se využívá v piezoelektrických součástkách zvaných SAW. Technologie SAW se využívá v obvodech filtrů, oscliátorů, různých senzorů, dotykových displejů apod. Princip technologie SAW objevil již v roce 1887 pan Rayleigh, když zjistil podmínky pro šíření povrchové akustické vlny. Vzájemná závislost amplitudy a rychlosti šíření vlny umožňuje SAW použít pro senzory přímo citlivé na změny hmoty a mechanických vlastností povrchu v prostoru šíření vlny.

Obr. 1. Nejběžnější provedení SAW součástky složené z IDT měniče (vysílače) a přijímače na piezoelektrickém substrátu

Elektronické SAW součástky obvykle využívají jednoho nebo více měničů IDT ke konverzi elektrického signálu na akustickou vlnu a zpět s využitím piezoelektrického efektu určitých materiálů (křemenný krystal, lithiumniobát, lithiumtantalát, LGS apod.). Tyto součástky jsou produkovány s použitím běžných procesů využívaných ve výrobě křemíkových integrovaných obvodů.

K čemu je SAW ?

Technologie SAW se již delší dobu využívá mnoha typech integrovaných obvodů využívaných v oblastech senzoriky, datových komunikací, HMI apod. Patrně mezi nejznámější patří SAW filtry, které se těší stále větší oblibě vlivem masivního rozšíření mobilní komunikace a mobilních telefonů. Proti jiným technologiím filtrace (DSP - digital signal processors, křemenných krystalů, LC filtrů apod.) poskytují vyšší výkon za nižší cenu.

Díky významnému pokroku ve výzkumu za posledních 20 let se tato technologie začala hodně uplatňovat i v oblasti senzoriky. SAW senzory (surface acoustic wave sensors) se již uplatňují v takových oblastech, jako jsou chemické, optické, teplotní, tlakové, biologické senzory nebo v oblasti měření zrychlení a momentu. Z pohledu masivního komerčního využití by v blízké budoucnosti mohli zaznamenat úspěch i na poli dotykových displejů.

Senzory pracující s akustickou vlnou nabízí výhody v podobě vysoké citlivosti, dobré linearity, nízké hystereze a široké využitelnosti. Při využití implementace tenkovrstvou technologií (Thick-film technology) je senzor robustní a kompaktní. Problémem je zatím malé množství vhodných piezorezistivních past.

Princip SAW a realizace

Technologie SAW (Surface Acoustic Waves) využívá šíření akustických vln na rozhraní mezi pružným materiálem (substrátem) a vakuem nebo jiným podobným prostředím s malou hustotou (např. vzduch). Rychlost šíření vlny je závislá na hustotě prostředí, zatímco velikost útlumu amplitudy vln je závislá na hloubce substrátu. V přírodě lze tento systém šíření vln nalézt například při zemětřesení, kde se takto šíří destruktivní síla. Princip funkce SAW zařízení je založen na přiložení střídavého napětí na vstupní tenké kovové elektrody ve formě hřebenové struktury napařené na piezoelektrickém materiálu (vyleštěný piezoelektrický substrát). Ten se v závislosti na frekvenci přiloženého napětí vlivem piezoelektrického efektu smršťuje a roztahuje.

Obr. 3. SAW součástka využívající tzv. zpožďovací linky - tj. vysílače, přijímače a šíření povrch. vlny mezi nimi.

Periodická deformace dává vzniknout akustické vlně, šířící se dopředu v směru osy symetrie na rozhraní substrátu a vzduchu k druhé - snímací elektrodě, která ji opačným piezoelektrickým procesem konvertuje zpět na střídavý elektrický signál. Logicky se vybuzená vlna zároveň šíří i v nežádoucím opačném směru na kraj struktury, kde by měla být utlumena, aby se neodrážela a neinterferovala.

Rychlost šíření a amplituda vlny je citlivá na viskozitu a množství hmoty v prostředí, na jehož rozhraní se vlna šíří. Toho se využívá v senzorech. Elektrody měniče IDT jsou obvykle vzdáleny 1/2 nebo 1/4 vlnové délky pracovní frekvence. Protože rychlost akustické povrchové vlny je jen statisícina rychlosti světla, je její vlnová délka při stejné frekvenci mnohonásobně menší než vlnová délka elektromagnetické vlny. To ve výsledku znamená unikátní schopnost povrchové akustické vlny včlenit velké množství změn (informací) nebo zpoždění ve velmi malém objemu. To umožňuje miniaturizovat součástky a vyrábět je standardní fotolitografickou technikou. SAW obvody tak i při malé velikosti mohou pracovat na frekvencích od 10 MHz do 3 GHz.

Provoz jednoduchého SAW měniče lze použít pro měření deformací. Možnost jejich nasazení však závisí na volbě vhodného piezoelektrického substrátu, který může být připevněn k namáhanému materiálu. Takový měnič je citlivý na mechanické napětí vzniklé deformací ve směru šíření vlny. Deformace způsobuje změnu vzdálenosti mezi elektrodami a dochází tedy i ke změně pracovní frekvence. Pro funkci oscilátoru je element zapojen do zpětné vazby zesilovače, čímž je oscilátor přelaďován. Q koeficient měniče je velmi vysoký - typicky 10 000. Při shodě fáze a zisku bude oscilátor pracovat s velmi vysokou stabilitou - typicky 109.

Obr. 6. Jednoduchý SAW měnič - elektrody na piezoelektrickém substrátu

Obrázek 7. ukazuje konfiguraci senzoru jako zpožďovací linku akustické vlny. Piezoelektrická tenká vrstva a elektrody ze slitiny stříbra a paladia jsou deponovány na 96% hliníkoví substrát tloušťky 625 mikrometrů využívající konvenční techniky zpracování tenkých vrstev. Takto vytvořená součástka má maximální frekvenci vlny 20 MHz, což znamená rychlost akustické vlny okolo 8000 m/s.

Materiály pro piezoelektrické substráty

SAW součástky jsou převážně vyráběny fotolitografickým procesem, podobně jako běžné integrované obvody. Mezi nejpoužívanější materiály pro substráty patří krystal křemene SiO2, lithiumtantalát LiTaO3 nebo lithiumniobát LiNbO3. Každý má svoje výhody a nevýhody, včetně teplotní závislosti, útlumu a rychlosti šíření. V tomto směru je zajímavý křemenný krystal, u něhož se možné teplotní závislost vybrat seříznutím krystalu pod určitým úhlem nebo směrem šíření vlny. Tak lze minimalizovat vliv teploty, narozdíl od zbylých dvou uvedených materiálů, které mají stálou lineární závislost na teplotě. Jako další materiály se také využívají gallium arsenid GaAs, karbit křemíku SiC, langasit LGS (lanthanum gallium silicate), oxid zinku ZnO, nitrid hliníku AlN, sloučenina olova zinku a titanu PZT, nebo polyvinyliden difluorid PVdF.

Výroba struktury SAW součástek a senzorů

Jak již bylo zmíněno výše, SAW prvky jsou obvykle vyráběny fotolitografickým procesem. Výroba začíná pečlivým vyleštěním a vyčištěním piezoelektrického substrátu, na který je deponován kov, často hliník nebo slitiny stříbra. Celý povrch je pak pokryt fotorezistem a vytvrzen. Aplikací UV světla přes masku se vytváří místa, kde má ve finále kov zůstat. Osvícené části jsou pak odleptány roztokem, zatímco neosvícené části zůstanou. Takto vzniknou elektrody - interdigitální měniče (IDT). Vlastnosti šíření SAW se dají měnit vhodnými rozměry a tloušťkou substrátu a elektrod.

Závěr

Rozšíření technologie SAW v různých odvětvích elektroniky je čím dál tím větší. Zvláště v oblasti senzoriky je nasazení SAW velmi univerzální metodou pro měření pohybu, teploty, tlaku, vlhkosti, chemických procesů a složení látek. SAW filtry a oscilátory se již dávno zabydlely ve stále se rozšiřující oblasti bezdrátové komunikace. Jako odolný a spolehlivý mechanismu si začíná razit cestu na poli dotykových displejů. I když samotný princip SAW je již znám hodně přes to let, má tato technologie možná ještě svůj vrchol před sebou.

 

DOWNLOAD & Odkazy

• Zajímavé stránky zabývající technologií SAW:
  • http://www.ecs.soton.ac.uk/publications/rj/1994/transduc/white/white.html
  • http://www.sandia.gov/mstc/technologies/microsensors/paws.html
  • www.amplitronix.com/
  • http://www.answers.com/topic/surface-acoustic-wave-device
  • http://www.itf.co.kr/tech/sub3.htm
  • http://www.sensors.co.uk/aprimeronsaws.htm