Imaging of Surface Vibrations Using Heterodyne Interferometry

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kaivola, Matti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.author Kokkonen, Kimmo
dc.date.accessioned 2014-08-12T09:00:19Z
dc.date.available 2014-08-12T09:00:19Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5789-7 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5788-0 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/13763
dc.description.abstract The research summarized in this dissertation focuses on the development of a heterodyne scanning laser interferometer and of data-analysis techniques for the characterization and analysis of the surface vibration fields in microacoustic devices and test structures. The heterodyne laser interferometer enables a phase-sensitive, absolute-amplitude detection of the out-of-plane component of a surface vibration field, with a minimum detectable amplitude of less than a picometer, while the lateral resolution is better than 1 micrometer. The instrument features a flat frequency response up to 6 GHz. The phase-sensitive absolute-amplitude data enables the visualization of the actual wave behavior in electromechanical components and test structures, but more importantly, it is the basis for further analysis. The research instrument is applied to the study of electroacoustic devices based on surface acoustic wave (SAW) and bulk acoustic wave (BAW) technologies. Two novel SAW devices are studied in detail: a phononic crystal (PnC) structure and a scattering structure resulting in a random wave field. PnCs are acoustic metamaterials that can provide engineered material properties. The laser interferometric measurements were amongst the first to directly characterize the wave interaction with the PnC. SAW slowness curves of an anisotropic substrate material are extracted by measuring and analyzing the scattered random wave field. Data analysis methods are developed further in the context of BAW research by experimentally addressing two important aspects of device design: the correct operation of the acoustic reflector used to confine the energy in the resonator, and investigation of the role of the dispersion and standing wave resonances to the spurious responses often observed in high-Q resonators. Fourier transform techniques are used for selective visualization of wave fields and for the extraction of the dispersion characteristics of the plate-waves. The dispersion data are then further used to analyze the transfer characteristics of an acoustic reflector and to study the properties of lateral eigenresonances and the lateral energy confinement in detail. The research described in this thesis provides a detailed characterization of the operation of SAW and BAW devices and effects within, highlighting and further developing the experimental characterization capabilities and data-analysis methods. en
dc.description.abstract Väitöskirjatyö käsittelee heterodyne-tyyppisen laserinterferometrin sekä interferometrin tuottaman datan analyysitekniikoiden kehittämistä pintavärähtelykenttien karakteri-soimiseksi ja analysoimiseksi mikroakustisissa komponenteissa ja testirakenteissa. Työssä rakennettu heterodynelaserinterferometri mahdollistaa pintavärähtelyiden vaihe-herkät absoluuttiamplitudimittaukset aina 6 GHz taajuuteen asti. Laitteisto kykenee värähtely-kenttien kuvantamiseen alle mikrometrin lateraaliresoluutiolla, pienimpien havaittavissa olevien värähtelyamplitudien ollessa jopa alle 1 pm. Vaihe- ja absoluuttiamplitudidata mahdol-listavat värähtelykenttien visualisoinnin aaltojen todellisen käyttäytymisen ymmärtämiseksi. Mikä tärkeämpää, tämä informaatio luo pohjan edistyneille data-analyysitekniikoille. Heterodyneinterferometriä on työssä sovelletty sähkömekaanisten, pinta- ja tilavuusaaltoihin (SAW, BAW) perustuvien komponenttien tutkimukseen. Työssä tarkastellaan kahta SAW-komponenttia: pinta-aaltokenttää akustiseen metamateriaaliin perustuvassa fononikide-rakenteessa sekä sironneiden pinta-aaltojen muodostamaa satunnaista kenttää.  Työssä esitetyt mittaukset olivat ensimmäisiä kokeellisia tuloksia joissa pystyttiin suoraan kuvan-tamaan aaltokentän käyttäytyminen fononikiteessä. Satunnaisen, sironneen, kentän mittaukset mahdollistavat pinta-aaltojen hitauskäyrän määrittämisen pietsosähköiselle anisotrooppiselle kiteelle. Data-analyysimenetelmiä on kehitetty keskittyen kahteen, erityisesti BAW-komponentti-kehityksen kannalta keskeiseen asiaan: akustisen peilin toiminnan tutkimiseen ja aaltojen dispersio-ominaisuuksien sekä lateraaliresonanssien ja niihin liittyvien ei-toivottujen sähköisten vasteiden tutkimiseen korkean hyvyysluvun resonaattoreissa. Fourier-muunnok-seen pohjautuvia tekniikoita käytetään aaltokenttien selektiiviseen visualisointiin ja laatta-aaltojen dispersio-ominaisuuksien selvittämiseen. Dispersiodataa hyödynnetään edelleen akustisen peilin vasteen selvittämiseksi, lateraalisten ominaisresonanssien sekä resonaattorin energian lateraalisen rajoittamisen yksityiskohtaiseen analyysiin. Väitöskirjan tutkimustyö tarjoaa yksityiskohtaisen kuvauksen SAW- ja BAW-laitteiden toiminnasta ja niissä esiintyvistä ilmiöistä, tuoden erityisesti esiin kokeellisen tutkimuksen tarjoamia mahdollisuuksia ja edelleen kehittäen data-analyysimenetelmiä. fi
dc.format.extent 82 + app. 44
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 112/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: K. Kokkonen, and M. Kaivola. Scanning heterodyne laser interferometer for phase-sensitive absolute-amplitude measurements of surface vibrations. Applied Physics Letters, 92, 063502, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.2840183
dc.relation.haspart [Publication 2]: K. Kokkonen, M. Kaivola, S. Benchabane, A. Khelif, and V. Laude. Scattering of surface acoustic waves by a phononic crystal revealed by heterodyne interferometry. Applied Physics Letters, 91, 083517, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.2768910
dc.relation.haspart [Publication 3]: V. Laude, K. Kokkonen, S. Benchabane, and M. Kaivola. Material anisotropy unveiled by random scattering of surface acoustic waves. Applied Physics Letters, 98, 063506, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.3554424
dc.relation.haspart [Publication 4]: K. Kokkonen, T. Pensala, and M. Kaivola. Dispersion and Mirror Transmission Characteristics of Bulk Acoustic Wave Resonator. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 58, 215–225, 2011. DOI: 10.1109/TUFFC.2011.1788
dc.relation.haspart [Publication 5]: K. Kokkonen, T. Pensala, J. Meltaus, and M. Kaivola. Extraction of lateral eigenmode properties in thin film bulk acoustic wave resonator from interferometric measurements. Applied Physics Letters, 96, 173502, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.3299012
dc.relation.haspart [Publication 6]: K. Kokkonen, J. Meltaus, T. Pensala, and M. Kaivola. Characterization of energy trapping in a bulk acoustic wave resonator. Applied Physics Letters, 97, 233507, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.3521263
dc.relation.haspart [Publication 7]: K. Kokkonen, J. Meltaus, T. Pensala, and M. Kaivola. Measurement of Evanescent Wave Properties of a Bulk Acoustic Wave Resonator. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 59, 557 – 559, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TUFFC.2012.2228
dc.subject.other Physics en
dc.title Imaging of Surface Vibrations Using Heterodyne Interferometry en
dc.title Pinnanvärähtelyiden kuvantaminen heterodyneinterferometrian avulla fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword laser interferometry en
dc.subject.keyword microacoustics en
dc.subject.keyword surface acoustic waves en
dc.subject.keyword bulk acoustic waves en
dc.subject.keyword laserinterferometria fi
dc.subject.keyword mikroakustiikka fi
dc.subject.keyword akustiset pinta-aallot fi
dc.subject.keyword akustiset tilavuusaallot fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5789-7
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Kaivola, Matti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Aigner, Robert, Dr., Triquint Semiconductor, USA
dc.rev Haeggström Edward, Prof., University of Helsinki, Finland
dc.rev Aksnes, Astrid, Prof., Norwegian University of Science and Technology, Norway
dc.date.defence 2014-08-22


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account