Sensoren auf der Basis phononischer Kristalle
Final Report Abstract
Mit dem Projekt "Sensoren auf der Basis phononischer Kristalle" wurde weltweit erstmalig der theoretische und experimentelle Nachweis der Nutzbarkeit von phononischen Kristallen als Sensor erbracht. Phononische Kristalle sind Komposite mit einer periodischen räumlichen Modulation des E- Moduls, der Dichte sowie der longitudinalen und transversalen Schallgeschwindigkeit. Die im Projekt genutzte Struktur sind als Streuzentren fungierende Löcher oder Kanäle in einer homogenen Matrix. Die Arbeiten gliedern sich in die zunehmenden internationalen Bemühungen ein, phononische Kristalle für elektrotechnische Anwendungen zu qualifizieren. Die Verwendung als akustischer Filter, Wellenleiter oder akustische Linse und die als Sensor ist zwar in einer Reihe von Veröffentlichungen primär in der physikalisch orientierten Literatur vorausgesagt worden, wird jedoch erst seit einigen Jahren von einer zunehmenden Zahl von Forschergruppen vor allem in den USA ernsthaft studiert. Das Messprinzip beruht auf der Ermittlung der Transmission einer akustischen Welle durch den phononischen Kristall. Die Frequenz maximaler Transmission eines schmalen Transmissionsbands (Transmissionpeak) innerhalb der Bandlücke des phononischen Kristalls ist das für einen Sensor am Besten geeignete Signal. Ein solches Transmissionsband wird vorzugsweise durch das Einbringen eines Defekts in einen ansonsten regulären phononischen Kristall erzeugt. Es kamen drei Messanordnungen zum Einsatz: ein eindimensionaler Aufbau aus Metallplatten und Flüssigkeitsschichten, ein Stahlblock mit quadratischer Anordnung von Löchern, in der Mitte geteilt durch einen Kanal, mit Ausbreitung der elastischen Welle in der Ebene, und eine dünne periodisch perforierte Stahlplatte und Ausbreitung der Schallwelle normal zur Plattenoberfläche. Das Design orientierte auf eine Untersuchungsfrequenz um 1 MHz für alle Messanordnungen. Im Projekt wurde die Nutzung als chemischer Sensor für flüssige Medien untersucht. Dazu wurden mindestens eine Flüssigkeitsschicht, der Kanal und die Löcher sowie der gesamte Messraum mit der zu untersuchenden Flüssigkeit, dem Analyt, gefüllt. Flüssigkeitsgefüllte Streuzentren sind in der Literatur unüblich und stellten eine besondere Herausforderung der Modellentwicklung dar. Simulationen wurden im letzten Projektabschnitt insbesondere auf der Basis von Comsol®Multiphysics durchgeführt. Durch Verzicht auf vereinfachende Annahmen konnte eine exzellente Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen erzielt werden. Die Modelle sind allerdings kompliziert und erfordern einen hohen Rechenaufwand. Es konnte gezeigt werden, dass phononische Kristalle als chemischer Sensor sehr gut geeignet sind. Die Sensitivität ist vergleichbar mit klassischen Ultraschallverfahren bei deutlich reduziertem Probenvolumen. Die Sensitivität kann durch Erhöhung der Untersuchungsfrequenz bei gleichzeitiger Verringerung des Messraums deutlich erhöht und damit vergleichbar mit z.B. mikromechanischen Sensoren werden. Höchstes Anwendungspotential wird als Biosensor gesehen. Der Steigerung der Untersuchungsfrequenz wird durch die Volumenviskosität des Analyten Grenzen gesetzt. Der Sensor beruht auf lokaler Resonanz eines (dynamisch) definierten Flüssigkeitsvolumens. Die Resonanzfrequenz wird primär durch die Schallgeschwindigkeit des eingeschlossenen Analyten bestimmt. Alleinstellungsmerkmal des phononischen Kristallsensors ist demnach, dass Volumeneigenschaften kleinster Proben bestimmt werden können. Selektivität beruht auf der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der chemischen Zusammensetzung des Analyten, insbesondere beeinflussen molekulare Wechselwirkungen zwischen Komponenten der Mischung in Abhängigkeit von der Konzentration die Schallgeschwindigkeit der Mischung. Die Projektziele wurden in vollem Umfang erreicht, insbesondere konnte der Nachweis des Sensorprinzips erbracht werden. Im Laufe des Projektes wurden Teilaufgaben entsprechend des Erkenntnisgewinns modifiziert und anders gewichtet. Um den Sensor in die Anwendung zu überführen und für Unternehmen interessant zu machen, sind drei Dinge essentiell, die Erhöhung der Sensitivität des Sensors durch moderate Steigerung der Untersuchungsfrequenz um 1-2 Größenordungen, die Entwicklung eines kompletten Sensorsystems inkl. der mikrofluidischen Komponenten und attraktive Anwendungsbeispiele, die vorrangig als biochemischer und medizinischer Sensor gesehen werden.
Publications
- "Sub-wavelength phononic crystal liquid sensor", J. Appl. Phys. 110 (2011), pp. 026101
M. Ke, M. Zubtzov, R. Lucklum
- "2D Phononic Crystal Sensor with Normal Incidence of Sound", Sensors and Actuators A 186 (2012), 118- 124
M. Zubtsov, R. Lucklum, M. Ke, A. Oseev, R. Grundmann, B. Henning, U. Hempel
- "Two-dimensional Phononic Crystal Sensor based on a Cavity Mode", Sensors and Actuators B 171-172 (2012), 271-277
R. Lucklum, M. Ke, M. Zubtsov
(See online at https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.03.063) - "Gasoline properties determination with phononic crystal cavity sensor", Sensors Actuators B 189 (2013), 208– 212
A. Oseev, M. Zubtsov, R. Lucklum
(See online at https://doi.org/10.1016/j.snb.2013.03.072) - "Phoxonic crystals-a new platform for chemical and biochemical sensors", Anal. Bioanal. Chem. 405 (2013), 6497-6509.1
R. Lucklum, M. Zubtsov, A. Oseev
(See online at https://doi.org/10.1007/s00216-013-7093-9) - "Towards a SAW Based Phononic Crystal Sensor Platform", IEEE Joint UFFC, EFTF and PFM Symposium, Prague, 21.-25.07.2013, art. IFCS-EFTF4-C2-3
R. Lucklum, M. Zubtsov, M.-P. Schmidt, A. Oseev, S. Hirsch, Falk Hagemann
