Moderne Telekommunikationsgeräte unterliegen einem klaren Trend zu steigenden Frequenzen in Richtung > 10 GHz für 5G und die aufkommenden 6G Technologien. Die Nutzung dieser Frequenzen, welche höchste Datentransferraten ermöglichen, erfordert hochminiaturisierte Hochfrequenz-Filter. Diese Filter basieren zumeist auf piezoelektrischen Materialien, welche Hochfrequenzwellen in mechanische Oberflächen- oder akustische Massen-wellen umwandeln. Die Qualität solcher HF-Filter hängt entscheidend von einer Vielzahl verschiedener Parametern ab, welche sich während der Herstellung laufend verändern. Um die Leistung der Bauteile so früh wie möglich in der Produktion zu analysieren und eine konstante Qualität zu gewährleisten, aber auch um das tatsächliche physikalische Verhalten solcher Bauelemente zur Verbesserung dedizierter Simulationswerkzeuge zu charakterisieren, sind spezielle Mess- und Inspektionsgeräte erforderlich, die bislang nicht existieren.

Eine Hauptinformationsquelle ist das mechanische Schwingungsmuster der Oberflächen der piezoelektrischen Filter bei Anliegen eines elektrischen Anregungssignals. Dies erfordert eine direkte Visualisierung dieser ultraschnellen Oberflächenschwingungen. Zur Erfassung der hohen Frequenzen und der winzigen Amplituden solcher Schwingungen von weniger als einem Picometer, entsprechend etwa 1/100 eines Atomradius, wurde ein spezieller interferometrischer Laserscanner entwickelt. Dieser Scanner verwendet einen grünen Hochleistungslaser, der in zwei kohärente Teile aufgeteilt wird. Einer davon wird auf die Probenoberfläche zu einem Punkt im Submikrometerbereich fokussiert, bevor sie wieder zusammengeführt werden.

Ein Scannen der gesamten Oberfläche ermöglicht die Erstellung einer vollständigen 3D-Karte der Schwingungen eines Filters im Betrieb. Der Filter schwingt zunächst wie ein Kolben, was die einschlägigen Simulations- und Materialmodelle bestätigt. Deutlich sichtbar sind aber auch parasitäre Wellen im Bereich von wenigen Pico-metern, die die effektive Filterqualität wesentlich be-einflussen.

Wirkungen und Effekte

Die bahnbrechenden Arbeiten in den ersten beiden Jahren der Zusammenarbeit lieferten bereits einzigartige Einblicke in das Verhalten piezoelektrischer Bauelemente bei höchsten Frequenzen und bilden die Grundlage für einen Scanner-Prototypen. In Zukunft könnten solcher Scanner verwendet werden, um Filter at-line oder inline in der Produktionslinie zu analysieren und sofortiges Feedback zu ihrer Leistung zu geben. Dies ermöglicht eine unmittelbare Verbesserung der Produktqualität und generiert wertvolle Daten, mit denen Konstruktions- und Simulationswerkzeuge kalibriert und die Produktionskette optimiert werden können.

Diese Arbeit wird somit eine Beschleunigung hin zu höherer Leistung, erhöhter Miniaturisierung, besserer Zuverlässigkeit und optimaler Material- und Energieeffizienz ermöglichen, was sich auf die mobile Telekommunikation der nächsten Generation sowie auf eine Reihe weiterer Anwendungen in den Bereichen Instrumentierung, Sensorik und Aktorik auswirkt.

ASSIC Austrian Smart Systems Integration research Center
COMET Competence Centers for Excellent Technologies - COMET Centre (K1)
Projekt Smart Sensor Systems for Industrial Process Analytics & Process Control
Fokus PhoSuVAT Photonic Surface Vibration Analysis Tool , 1 .2019 - 31.12.2022, multi firm

Projektkoordination: DI Gerhard Kroupa, Staff Researcher Silicon Austria Labs GmbH
Projektpartner: Qualcomm Germany RFFE GmbH, Deutschland