Title: Finite-Elemente-Simulation piezoelektrischer akustischer Oberflächenwellen-Sensoren
Other Titles: Finite element simulation of Piezoelectric surface acoustic wave sensors
Language: English
Authors: Shaposhnikov, Kirill 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Kaltenbacher, Manfred
Issue Date: 2015
Citation: 
Shaposhnikov, K. (2015). Finite-Elemente-Simulation piezoelektrischer akustischer Oberflächenwellen-Sensoren [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2015.34964
Number of Pages: 108
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Piezoelektrische akustische Oberflächenwellen-Sensoren (SAW-Sensoren) werden ausgiebig in der Industrie und im Alltag verwendet. Aufgrund ihrer Passivität, Zuverlässigkeit, Robustheit und Fernabfragbarkeit sind solche Sensoren für Telekommunikation, Bio- und Medizintechnologien, chemische Industrie, usw. attraktiv. Das Grundprinzip eines piezoelektrischen SAW-Sensors basiert auf der bidirektionalen Umwandlung von elektrischer und mechanischer Energie. Zuerst wird das elektrische Signal eines Sender-Interdigitalwandlers in eine mechanische Oberflächenwelle transformiert. Die Welle breitet sich auf der Oberfläche des Sensors aus und wird danach wieder in ein elektrisches Signal an einem Empfänger umgewandelt. Die SAW-Sensoren arbeiten im Hochfrequenzbereich und bestehen aus Hunderten von Elektroden. Damit ist hier erkennbar, dass die Verwendung mathematischer Modellierung zu Simulation und Design von SAW-Sensoren notwendig ist. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung eines mathematischen und numerischen Finite-Elemente-Modells für piezoelektrische SAW-Sensoren. Die gewünschten Parameter, die weiter zu Design und Optimierung des Sensors benutzt werden können, kann man mit Hilfe des entwickelten Modells bestimmen. Diese berücksichtigt auch die Auswirkungen der Temperatur und der Vorspannung auf die Ausbreitung der Wellen. Das Modell, das in dieser Dissertation entwickelt wird, setzt voraus, dass die Struktur des Sensors periodisch ist. Die Voraussetzung wird in der Mehrheit mathematischer Modelle piezoelektrischer SAW-Sensoren verwendet und macht es möglich, eine Einzelzelle mit periodischen Randbedingungen statt der ganzen Struktur zu simulieren. Um effizient die in das Substrat ausbreitenden Wellen ohne Beschneidungseffekte zu modellieren, wurde ein spezielles Perfectly-Matched-Layer Verfahren entwickelt. Die Algorithmen des numerischen Modells werden innerhalb der Finite-Elemente-Software CFS++ implementiert. Die Genauigkeit der Simulationsergebnisse wird durch den Vergleich mit Literaturdaten sowie Messergebnissen bestätigt. Zusätzlich erfolgt eine detaillierte Darstellung, wie man die Parameter von SAW-Sensoren durch die Simulationsergebnisse gewinnen kann, und auch wie die Temperatur- und mechanische Vorspannungseffekte die Ausbreitung der Wellen beeinflussen. Diese Arbeit ist in Kooperation mit dem Kompetenzzentrum CTR Carinthian Tech Research AG (Villach, Österreich) durchgeführt worden. CTR wird im Rahmen von COMET -Competence Centers for Excellence Technologies durch das Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT), Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA), Land Kärnten und Land Steiermark gefördert. Das Programm COMET wird durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) abgewickelt.

Surface acoustic wave devices have become in use for many industrial and civil applications. Features such as passiveness, robustness, reliability, and remote-control make them attractive for telecommunications, biotechnologies, chemical industry, etc. The operating principle of piezoelectric surface acoustic wave (SAW) devices lies in the transformation of an electric input signal into an acoustic wave that propagates over the piezoelectric substrate. The surface wave is then transformed back to an electric output signal. As a rule, SAW devices operate at radio frequencies and have a tiny size. The acoustic wave is generated by an grating, which can contain up to some hundreds of electrodes. The complexity of SAW devices implies therefore their precise modelling in order to meet design and operating requirements. In this thesis we suggest a mathematical model for a SAW interdigital transducer based on finite element method. The model is intended to be used for computation of the parameters of SAW devices for further design and optimisation. We also concentrate on the influence of such effects as temperature and mechanical prestressing on the propagation of SAW. Here, as in the majority of models for SAW devices, we deal with the structures that have a periodic pattern and thereby turn to the model for a unit cell with periodic boundary conditions. In order to reduce computational costs, we utilise the perfectly matched layer technique. This numerical scheme is implemented within the finite element software CFS++ and validated through the comparison of the results with those obtained from other numerical approaches and reported in literature as well as measured data. We also discuss how the developed model can be used for calculation of SAW device parameters and estimation of temperature and prestressing effects on the propagation of SAW. This work has been done in cooperation with the competence centre CTR Carinthian Tech Research AG (Villach, Austria). CTR is funded within the R&D Program COMET - Competence Centers for Excellent Technologies by the Federal Ministries of Transport, Innovation and Technology (BMVIT), of Economics and Labour (BMWA) and it is managed on their behalf by the Austrian Research Promotion Agency (FFG). The Austrian provinces (Carinthia and Styria) provide additional funding.
Keywords: Finite-Elemente-Methode; Piezoelektrizität; akustische Oberflächenwellen; periodische Strukturen
Finite element method; piezoelectricity; surface acoustic waves; periodic structures
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2015.34964
http://hdl.handle.net/20.500.12708/6685
DOI: 10.34726/hss.2015.34964
Library ID: AC13025956
Organisation: E325 - Institut für Mechanik und Mechatronik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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