Neue piezoelektrische Einkristalle der CGG-Gruppe für mikroakustische Bauelemente
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Institut für Mineralogie der TU Freiberg wurde ein Einkristall aus dem Material Sr3NbGa3Si2O14 (SNGS) mit den Abmessungen 50 mm x 18 mm x 16 mm hergestellt, hinsichtlich Gitterstruktur charakterisiert und mit den Vorarbeiten zur Züchtung von STGS-Einkristallen begonnen. Im IFW Dresden wurden an Proben, die aus dem SNGS-Einkristall geschnitten wurden, die Elemente der elastischen, piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaftstensoren bei Raumtemperatur vollständig und im Temperaturbereich von -50°C bis +50°C nahezu vollständig (bis auf die piezoelektrische Konstante e14) bestimmt. Zur Ermittlung der genannten Eigenschaften wurden folgende Experimente ausgeführt: 1. Messung der temperaturabhängigen Phasenlaufzeiten aller akustischen Volumenwellenmoden eines ersten Würfels in X-, Y- und Z- Kristallrichtung sowie eines um 45° um die X-Achse gedrehten zweiten Würfels mittels der Pulsechomethode. 2. Messungen des Resonanzverhaltens (Resonanz- /Antiresonanzfrequenzen) von Platten mit Y-Orientierung. 3. Bestimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten in X-, Y- und Z-Richtung (diese Messungen wurden im IKTS der FhG ausgeführt). Auf Basis der gemessenen Daten (elastische, piezoelektrische und dielektrische Eigenschaftstensoren) wurden anwendungsrelevante Parameter in Abhängigkeit von Azimut und Polwinkel der Wellenausbreitungsrichtung im Kristall berechnet, um optimale Orientierungen herauszufinden. Die betrachteten Anwendungen betreffen SAW- und BAW-Bauelemente (SAW/BAW = akustische Oberflächen-/Volumenwellen) für die Nachrichtentechnik und für die Sensorik/Aktorik. Besonderes Augenmerk galt dem piezoelektrischen Koppelfaktor und dem Temperaturkoeffizienten der Frequenzkonstanten. Insbesondere wurden auch Berechnungen zur piezoelektrischen Anregung von Flüssigkeitsströmen (acoustic streaming) angestellt, um die aktorische Eignung von SNGS für die Mikrofluidik zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass SNGS im Vergleich zu Quarz etwa 2.5 mal stärker piezoelektrisch ist. Im Gegensatz zu den im Projektantrag geäußerten Erwartungen besitzt SNGS keine Kristallorientierung mit temperaturkompensierendem Verhalten, d.h. es gibt keine Richtung, für die der Temperaturkoeffizient erster Ordnung für die Laufzeit bzw. Frequenzkonstante einer akustischen Welle (BAW oder SAW) einen Nulldurchgang besitzt. Dafür existieren Orientierungen mit Temperaturkoeffizienten (TK), die weit über 100 ppm/K liegen und damit doppelt so groß wie die maximalen TK's von Quarz sind und die SNGS auch als Material für Temperatursensoren interessant machen. Die Bestimmung der Temperaturabhängigkeit des akustischen Verhaltens von SNGS wurde hier erstmals durchgeführt. Die genannten Modellrechnungen im Hinblick auf die Anregung von Strömungen in Mikrofluidikbauteilen mit SNGS-Materialsystemen wurden auf Basis der gemessenen elastischen Eigenschaften ausgeführt. Sie zeigen, dass mit SNGS-Kristallen eine sehr effektive Erzeugung von Schalldruck in wasserähnlichen Flüssigkeiten mittels SAW möglich ist. Die besonderen Umstände der Wertebereiche und der Anisotropien der elastischen Konstanten und der akustischen Impedanzen führen z.B. dazu, dass mit YX-SNGS (Y-Schnitt, X-Ausbreitungsrichtung) gegenüber dem klassischen SAW-Chipmaterial YZ-LiNbO3 ein 2 bis 3 mal höherer Schalldruck bei gleicher Eingangsleistung erzielt werden kann. Das Arbeitsprogramm sollte wie vorgesehen weiterbearbeitet werden. Ihm zufolge werden nach SNGS die Herstellungstechnologien der Einkristallmaterialien Sr3TaGa3Si2O14 (STGS), Ca3NbGa3Si2O14 (CNGS) und Ca3TaGa3Si2O14 (CTGS) und die Charakterisierung ihrer Gitterstruktur im Institut für Mineralogie der TU Freiberg betrieben, die Kristalle dem IFW Dresden übergeben, dort hinsichtlich seiner Anwendungseigenschaften charakterisiert, und für ausgewählte Fälle wird die Anwendungseignung demonstriert. Es ist auf eine Erweiterung des Verwertungspotenzials hinzuarbeiten. Die beiden neu hinzugekommenen Ansätze: 1. Temperatursensorik, 2. Fluidaktorik.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2007 IEEE Freq.Contr. Symp. B4P-H 7213: Temperature dependent material parameters of Sr3NbGa3SiO14 (SNGS) single crystal
A. Sotnikov, R. Kunze, H. Schmidt, M. Weihnacht, M. Hengst, J. Götze, K. Jaennicke-Rößler
