Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie

Sensoren für akustische Oberflächenwellen

Sensoren, die auf der Modulation von akustischen Oberflächenwellen (SAW) basieren, können zur Messung verschiedener physikalischer Phänomene eingesetzt werden: Neben der Massenabsorption können auch elastische, viskoelastische oder elektrische Effekte ausgenutzt werden. Dedizierte Funktionsschichten ermöglichen ein breites Anwendungsspektrum mit Druck-, Feuchte-, Elektrofeld-, Vibrations-, Gas-, Bio- oder Magnetfeldsensoren.

Vielzahl von SAW-Magnetfeldsensoren auf einem 8-Zoll-Si-Wafer.
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Eine Besonderheit, die alle SAW-Sensoren gemeinsam haben, ist, dass sie sowohl für die Messung statischer als auch schnell wechselnder Zustände geeignet sind. Basierend auf der SAW-Technologieplattform entwickelt das ISIT derzeit in Kooperation mit der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik einen Hochleistungsstromsensor mit einem Dynamikbereich von 6 Größenordnungen und einer Bandbreite von bis zu 20 MHz. Dieser Sensor ist darauf ausgelegt, die sehr schnellen Schaltvorgänge (~kA/ns) moderner Schaltnetzteile präzise zu messen und damit eine hocheffiziente Leistungswandlung zu ermöglichen. Die Funktionsschicht dieses Sensors besteht aus einer magnetostriktiven Schicht, die durch Änderung des Elastizitätsmoduls eine feldabhängige Modulation der SAW-Welle bewirkt.

Die Besonderheit der SAW-Sensortechnologie am ISIT ist, dass sie nicht auf Volumen Kristallen wie Quarz beruht. Stattdessen werden die SAW-Sensorelemente des ISIT komplett in CMOS- und MEMS-kompatibler Siliziumtechnologie gefertigt. Möglich wird dies erst durch den Einsatz des leistungsstarken piezoelektrischen Dünnschichtmaterials AlScN. Weitere Vorteile sind neben der hohen Technologiekompatibilität eine höhere Prozessflexibilität hinsichtlich der Integration von Funktionsschichten, eine reduzierte Chipgröße sowie die Möglichkeit, verschiedene Sensoren auf einem Chip zu fusionieren.

Effiziente Energieumwandlung:

  • Elektromobilität
  • Erneuerbare Energien
  • Beleuchtung

Rückmeldung und Steuerung:

  • Smart Home
  • Motoren
  • Industrie

Überwachung von Rechenzentren

Funktionsschema eines akustischen Oberflächenwellensensors