Techniklexikon

Surface Acoustic Waves

Elektronik, Halbleiterphysik, SAW, akustische Oberflächenwellen, OFW, Moden elastischer Energie, die sich an der Oberfläche eines Festkörpers mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten können. Dabei fallen sämtliche mit der Welle assoziierten Grössen, wie z.B. die mechanische Auslenkung der Oberfläche auf eine von der genauen Struktur des Festkörpers abhängigen Art und Weise etwa exponentiell über eine Wellenlänge in die Tiefe des Körpers hinein ab. SAW wurden 1885 erstmals theoretisch von Lord Rayleigh im Rahmen einer Arbeit über Erdbeben beschrieben. Hier haben SAW und deren Theorie bis heute eine grosse Bedeutung. Technologisch werden SAW seit etwa 20 Jahren im Bereich der Hochfrequenzsignalverarbeitung eingesetzt. Dabei werden sie auf piezoelektrischen Substraten (piezoelektrischer Effekt), meist Einkristallen, mit in Planartechnologie hergestellten Schallwandlern (engl. transducer) angeregt. Auf piezoelektrischen Substraten wird die mechanische Welle über die Gitterdeformation von starken elektrischen Feldern und Potentialen begleitet. Dadurch ist eine effiziente Konversion eines hochfrequenten Signals (10 MHz-10 GHz) in eine SAW und umgekehrt möglich. Auf Grund der im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit geringen Schallgeschwindigkeit (ca. 3 km / s) bildet ein solches Bauelement eine akustische Verzögerungsleitung mit einem charakteristischen Frequenzgang. Solche Bauteile werden in grosser Zahl als Hochfrequenzfilter (Filter) im Mobilfunk, zur Frequenzselektion bei der Fernsehübertragung etc. eingesetzt. Besonderer Vorteil der SAW-Filter ist ihre Robustheit, die Reproduzierbarkeit und die Möglichkeit, den gewünschten Frequenzgang des Filters über relativ einfache Algorithmen aus der Fourier-Transformierten (Fourier-Transformation) des Schallwandler-Layouts zu berechnen. Auch wesentlich komplexere Funktionen in der Hochfrequenz-Signalverarbeitung lassen sich mit Hilfe von SAW darstellen, die dann zum Beispiel für die Verschlüsselung von Daten oder für Identifikationszwecke (elektromagnetisches Analogon zum Strichcode) eingesetzt werden. Die Wechselwirkung akustischer Oberflächenwellen mit externen Randbedingungen, wie des Umgebungsgasdrucks, eines Massenbelags der Oberfläche, einer externen Verzerrung des Substrates, elektrischen Ladungen oder starken Magnetfeldern, kann zur Sensorik (Sensoren) herangezogen werden. Dabei wird im allgemeinen die durch die Wechselwirkung verursachte kleine Änderung der Schallgeschwindigkeit der SAW als Messgrösse verwendet. Auch funkabfragbare Sensorik mit SAW ist möglich, so dass eine direkte Kabelverbindung zwischen Sensor und Auswerteelektronik entfallen kann. In der Grundlagenforschung werden SAW unter anderem zur Untersuchung der dynamischen Leitfähigkeit von Quantensystemen auf Halbleitern eingesetzt. Auch hier wird die Wechselwirkung der SAW mit freien Ladungen (Elektronen oder Löcher) in Halbleiterquantenfilmen ausgenutzt. Auf Grund der periodischen Deformation des Substrates durch eine SAW können diese auch in der Optoelektronik eingesetzt werden. Hier werden dynamische optische Gitter zur akustooptischen Modulation (akustooptischer Filter) oder zum Schalten optischer Signale erzeugt. In jüngster Zeit werden durch die Kombination von SAW und auch optische Verzögerungsleitungen und Speicher für photonische Signale diskutiert.