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K. Shaposhnikov:
"Finite Element Simulation of Piezoelectric Surface Acoustic Wave Sensors";
Supervisor, Reviewer: M. Kaltenbacher; Mechanik und Mechatronik, 2015.

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.

Finite-Elemente-Methode / Piezoelektrizität / akustische Oberflächenwellen / periodische Strukturen