Polarisationskonversion von akustischen Oberflächenwellen in Festkörperstrukturen - ein neuer Antriebsmechanismus für die Akustomikrofluidik

• Antragsteller: Dr. Hagen Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398573835

Dieses Projekt zielt auf eine tiefgehende Untersuchung der Polarisationskonversion von akustischen Oberflächenwellen (SAW) ab, nämlich der Konversion zwischen SAW mit vertikaler Polarisation (vertical polarized, VP) und solcher mit Grenzflächenpolarisation (boundary polarized, BP). Der Ansatz kombiniert experimentelle und theoretische Untersuchungen. Im Zentrum steht dabei ein Einsatz in der SAW-basierten Mikrofluidik. Durch den Einsatz der Polarisationskonversion wollen wir einen Nachteil der herkömmlichen SAW-Fluidik überwinden, nämlich die parasitäre Abstrahlung von akustischer Energie in das Polymermaterial der Mikrokanäle:In solchen Aktuatoren befinden sich die Interdigitalwandler (IDT) außerhalb des Kanals und regen vertikal polarisierte VP-SAW an. Dieser Wellentyp wird eingesetzt, weil nur die vertikale Komponente der SAW zur Impulsübertragung, d.h. zur Abstrahlung von Volumenschallwellen in die Flüssigkeit, und damit zur akustofluidischen Aktorik, führt.Eine VP-SAW strahlt jedoch beim Passieren der Kanalwand auch Energie in das Containermaterial ab, aus dem der Mikrokanal aufgebaut ist. Dieser Effekt ist bei den üblicherweise verwendeten Polymeren besonders ausgeprägt. Das kann dazu führen, dass neben der Verringerung der zur Aktorik verfügbaren SAW-Amplitude auch das Polymermaterial durch lokale Erwärmung degradiert. Darüber hinaus können sich die ins Innere der Kanalwand abgestrahlten Volumenwellen mit den an der Substrat-Fluid-Grenzfläche angeregten Wellen destruktiv überlagern und damit die Funktion solcher konventionellen mikrofluidischen Bauelementen auf SAW-Basis stören.Um diese Nachteile künftig zu vermeiden, wollen wir den Effekt der Polarisationskonversion bezüglich seines Anwendungspotenzials für die mikroakustische Fluidaktorik untersuchen. Ziel ist dabei eine Verbesserung von SAW-basierten Bauelementen durch den Einsatz grenzflächenpolarisierter (BP) Oberflächenwellen:Die BP-SAW werden außerhalb des Mikrokanals angeregt und passieren die Kanalwand aufgrund fehlender oberflächennormaler Schwingungsanteile fast ohne Dämpfung. Nach dem Erreichen des Kanalinneren wird die Polarisation der SAW durch Wechselwirkung mit einer Streustruktur, die sich an der Substrat-Fluid-Grenzfläche befindet, von der BP-Form in die vertikale Ausrichtung konvertiert. Diese VP-SAW, im Innern des Mikrokanals gezielt durch Polarisationskonversion erzeugt, bewirkt dann wie bei herkömmlichen Bauelementen letztlich die in der Flüssigkeit vorgesehene Aktorikfunktion.Durch Kombination von experimentellen und theoretischen Untersuchungen wird ein umfassendes Verständnis des Effekts der Polarisationskonversion angestrebt. Die theoretischen Arbeiten bleiben dabei nicht auf die experimentell untersuchbaren Fälle beschränkt. Vielmehr bieten die Simulationen eine Möglichkeit, den Effekt der Polarisationskonversion breiter zu untersuchen, Vorhersagen zu vorteilhaften Anwendungsszenarien zu geben und damit Ansätze für weitere Forschungsaktivitäten zu finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen