DE4217049A1

DE4217049A1 - Passive surface wave sensor that can be queried wirelessly

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Publication number: DE4217049A1
Application number: DE19924217049
Authority: DE
Inventors: Leonhard Dipl Phys Reindl; Folkhard Dipl Phys Mueller; Clemens Dr Ruppel; Wolf-Eckhart Dipl Phys Bulst; Franz Prof Dr Seifert
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 1993-11-25

Abstract

The surface wave effect device is used for the remote, passive sensing of parameters. The unit has a finger electrode structure which when electrically excited generates acoustic waves. For temp. sensing a carrier material (30) has a piezoelectric substrate (130) of lithium niobate or similar that is temp. sensitive. Also on the surface is similar element as a reference device (230).The unit is interrogated by an incoming radio signal received by an antenna (16) and the measured output is transmitted by a second antenna.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen passiven Sensor, der nach dem Prinzip akustischer Oberflächenwel len-Anordnungen arbeitet und dessen Sensorsignale über Funk abgefragt werden können.The present invention relates to a passive Sensor based on the principle of acoustic surface len arrangements works and its sensor signals over Radio can be queried.

In vielen technischen Anwendungsfällen ist es wichtig, interessierende Meßgrößen auf drahtlosem Wege und aus einer gewissen Entfernung verfügbar machen zu können, und zwar so, daß das eigentliche verwendete Sensorelement passiv arbeitet, das heißt keiner eigenen Energiequelle bzw. Stromversorgung bedarf. Zum Beispiel interessiert es, die Temperatur der Radlager und/oder der Bremsklötze an einem vorbeifahrenden Zug überwachen bzw. messen zu kön nen. Ein anderer Anwendungsfall ist, das Drehmoment einer rotierenden Welle einer Maschine zu messen. Ein noch ande rer, großer Anwendungsbereich liegt in der Medizin und in der Chemie, zum Beispiel den Sauerstoffpartialdruck im Blut eines lebenden Organismus festzustellen oder insbe sondere im Bereich des Umweltschutzes Konzentrationen von Lösungsmitteln in Luft und/oder Wasser bereits aus der Fer ne erfassen zu können, um solche z. B. in einer Gefahren zone gewonnenen Meßdaten dann am gefahrlosen entfernten Ort vorliegen zu haben und zu verarbeiten.In many technical applications it is important Measurements of interest wirelessly and from be able to make them available a certain distance away, and in such a way that the actual sensor element used works passively, that means no own energy source or power supply required. For example, the temperature of the wheel bearings and / or the brake pads to monitor or measure a passing train nen. Another application is torque measuring the rotating shaft of a machine. Another one rer, large area of application is in medicine and in chemistry, for example the oxygen partial pressure in Determine blood of a living organism or esp especially in the area of environmental protection, concentrations of Solvents in air and / or water already from the Fer ne to be able to record such z. B. in a danger zone data obtained at the safe remote location to have and to process.

Bisher beschrittene Lösungswege sind, aktive Sensoren zu verwenden, die mit Batterie gespeist sind und telemetrisch abgefragt werden bzw. dauernd senden, oder die Überwachung mittels einer Fernsehkamera auf optischem Wege durchzufüh ren. Solutions that have been followed so far are active sensors too use that are battery powered and telemetric be polled or send continuously, or monitoring to carry out optically by means of a television camera ren.

Seit nahezu zwei Jahrzehnten sind Oberflächenwellen-Anord nungen bekannt, bei denen es sich um elektronisch-akusti sche Bauelemente handelt, die aus einem Substrat mit zumin dest in Teilbereichen der Oberfläche piezoelektrischer Ei genschaft und auf bzw. in dieser Oberfläche befindlichen Finger-Elektrodenstrukturen bestehen. In der erwähnten Oberfläche werden durch elektrische Anregung, ausgehend von einem elektroakustischen (Eingangs-)Interdigitalwand ler, akustische Wellen erzeugt. Diese akustischen Wellen verlaufen in dieser Oberfläche und erzeugen in einem wei teren (Ausgangs-)Wandler aus der akustischen Welle wieder ein elektrisches Signal. Wesentlich bei diesen Bauelemen ten ist, daß durch Wahl der Struktur der Wandler und gege benenfalls weiterer auf der Oberfläche angeordneter Struk turen eine Signalverarbeitung des in den Eingangswandler eingegebenen elektrischen Signals in ein Ausgangswandler- Signal durchführbar ist. Eingangswandler und Ausgangswandler können auch ein und dieselbe Wandlerstruktur sein. Es kann ein zum Beispiel breitbandiges Hochfrequzenzsignal dem Eingang zugeführt werden und am Ausgang ist ein dage gen zeitselektives, pulskomprimiertes Signal verfügbar, dessen zeitliche Lage ein vorgebbares, von (Meßwert-) Parametern abhängiges Charakteristikum der betreffenden Oberflächenwellen-Anordnung ist.Surface wave arrangements have been in place for almost two decades known to be electronic-acousti cal components, which consists of a substrate with at least least in parts of the surface of piezoelectric egg property and on or in this surface Finger electrode structures exist. In the mentioned Surface are emanating from electrical excitation from an electro-acoustic (input) interdigital wall acoustic waves. These acoustic waves run in this surface and produce in a white tere (output) converter from the acoustic wave again an electrical signal. Essential for these construction elements ten is that by choosing the structure of the transducer and counter if necessary, further structure arranged on the surface turen a signal processing of the in the input converter input electrical signal into an output converter Signal is feasible. Input converter and output converter can also be one and the same converter structure. It can be a broadband high-frequency signal, for example be fed to the input and at the output is a dage available time-selective, pulse-compressed signal, whose temporal position is a predefinable, of (measured value) Parameter-dependent characteristic of the concerned Surface wave arrangement is.

Auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen-Anordnun gen arbeiten seit Jahrzehnten Identifizierungsmarken (ID- Tags) (US-A-3273146, US-A-4725841), die über Funk die An wesenheit bzw. Identität von Gegenständen bzw. Personen festzustellen ermöglichen und die passiv arbeiten. Dabei spielt es eine Rolle, daß in einer solchen Oberflächenwel len-Anordnung aufgrund des kräftigen piezoelektrischen Effekts des Substrats das Abfragesignal zwischengespeichert werden kann und somit keine weitere Stromversorgung der Identifizierungsmarke notwendig ist. Ein von einem Abfra gegerät ausgesandter elektromagnetischer Hochfrequenz-Ab frageimpuls wird von der Antenne der Oberflächenwellen- Identifizierungsmarke, das heißt des ID-Tags, aufgefangen.On the basis of surface acoustic wave arrangements ID tags have been working for decades (ID Tags) (US-A-3273146, US-A-4725841) which transmit the radio to An essence or identity of objects or persons enable to determine and work passively. Here does it matter that in such a surface world len arrangement due to the powerful piezoelectric Effect of the substrate cached the interrogation signal can be and therefore no further power supply to the Identification mark is necessary. One by an abfr emitted high-frequency electromagnetic Ab question impulse is from the antenna of the surface wave Identification tag, that is, the ID tag.

Mittels des als Eingang betriebenen elektroakustischen Interdigitalwandlers der Oberflächenwellen-Anordnung wird in dieser eine akustische Oberflächenwelle erzeugt. Durch an jeweilige Vorgaben angepaßt gewählte Strukturen der Ober flächenwellen-Anordnung, wobei diese Vorgabe ganz indivi duell gegeben werden kann, wird die in der Anordnung er zeugte Oberflächenwelle moduliert und am Ausgang wird ein dementsprechend moduliertes elektromagnetisches Signal zu rückgewonnen. Über die Antenne der Anordnung läßt sich die ses Signal auch in der Entfernung empfangen. Die Oberflä chenwellen-Anordnung antwortet somit auf den oben erwähn ten Abfrageimpuls in einer für die Anordnung fest vorgege benen (Grund-)Verzögerung mit einem (individuellen) Hoch frequenz-Identifizierungs-Codewort, das über Funk im be treffenden Abfragegerät auszuwerten ist. Eine solche An ordnung ist zum Beispiel in dem oben an erster Stelle ge nannten US-Patent aus dem Jahre 1966 beschrieben.By means of the electro-acoustic operated as input Interdigital transducer of the surface wave arrangement is generates an acoustic surface wave. By Chosen structures of the waiters adapted to the respective specifications surface wave arrangement, this specification quite individual can be given duel, he will in the order generated surface wave modulated and at the output is a accordingly modulated electromagnetic signal recovered. About the antenna of the arrangement can This signal is also received at a distance. The surface Chenwellen arrangement thus responds to the above th interrogation pulse in a predetermined for the arrangement level (basic) delay with an (individual) high frequency identification codeword that is transmitted via radio in the be relevant query device is to be evaluated. Such an approach For example, order is in the first place above named US patent from 1966.

Ganz unabhängig davon ist schon seit ebenfalls mehr als einem Jahrzehnt bekannt, auf der Basis akustischer Ober flächenwellen-Anordnungen arbeitende Sensoren als zum Beispiel Thermometer, Drucksensor, Beschleunigungsmesser, Chemo- oder Biosensor usw. zu verwenden. Beispiele hierfür sind in den Druckschriften "IEEE Ultrasonic Symp. Proc. (1975) pp. 519-522; Proc. IEEE, vol. 64 (1976) pp. 754-756 und EP-O361729 (1988) beschrieben. Diese bekannten Anord nungen arbeiten auf dem Prinzip eines Oszillators, das sich von der Arbeitsweise der ID-Tags wesentlich unter scheidet und sie benötigen als aktive Anordnungen auch eine eigene Stromversorgung.Regardless of that, there has also been more than known for a decade, based on acoustic waiters Surface wave arrangements sensors working as for Example thermometer, pressure sensor, accelerometer, Use chemical or biosensor etc. Examples of this are described in the publications "IEEE Ultrasonic Symp. Proc. (1975) pp. 519-522; Proc. IEEE, vol. 64 (1976) pp. 754-756 and EP-O361729 (1988). This well-known arrangement on the principle of an oscillator that differ significantly from how the ID tags work separates and they need as active orders too its own power supply.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Prinzip für Sensoren mit passiv arbeitenden, das heißt keine eigene Stromversorgung erfordernden Sensorelementen anzugeben, die über Funk abgefragt bzw. aus der Ferne berührungslos abgelesen werden können. Insbesondere geht es auch darum, eine zweckmäßige Referenz für einen Vergleich zu haben und/oder Unabhängigkeit von unerwünschten Einflüssen; zum Beispiel Temperaturunabhängigkeit beim Detektieren und Messen anderer Größen als die der Temperatur zu erreichen.The object of the present invention is to provide a principle for Sensors with passive working, that means no own Specify sensor elements requiring power supply, which are queried by radio or remote from a distance can be read. In particular, it is also about to have a convenient reference for a comparison and / or independence from unwanted influences; to the Example of temperature independence when detecting and Measure sizes other than that of temperature.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen und insbesondere Anspruch 24 und folgenden hervor.This object is achieved with the features of claim 1 solved and further training go from the dependent claims and in particular claim 24 and following.

Ein Realisierungsprinzip für einen erfindungsgemäßen pas siven Oberflächenwellen-Sensor ist, für diesen Sensor (im Regelfall) wenigstens zwei Oberflächenwellen-Anordnungen vorzusehen, von denen die eine solche Anordnung als Re ferenzelement arbeitet und die andere Anordnung, bzw. mehrere andere Anordnungen, die Funktion des jeweiligen Sensorelementes haben. Diese Sensorelemente liefern an ihrem (jeweiligen) als Ausgang arbeitenden Interdigital wandler ein Ausgangssignal, das entsprechend der zu mes senden Meßgröße gegenüber dem Eingangssignal dieses Sen sorelements identifizierbar verändert ist. Dieses Ein gangssignal ist ein vom entfernt angeordneten Abfragegerät über Funk ausgesandtes Hochfrequenzsignal, das dem als Eingang arbeitenden Eingangswandler des Sensorelements zugeführt wird. Dieses Hochfrequenzsignal wird aber auch dem Eingang des zugehörigen Referenzelementes zugeführt, indem eine dem Sensorelement entsprechende Signalverarbei tung erfolgt und vor dem ebenfalls ein Ausgangssignal ab gegeben wird. Dieses Ausgangssignal ist aber nicht (we sentlich) oder in nur bekannter Weise durch physikalische oder chemische Effekte der vom Sensorelement festzustellen den Meßgröße beeinflußt und ist somit ein verwendbarer Re ferenzwert.A realization principle for a pas according to the invention surface wave sensor is, for this sensor (im As a rule) at least two surface wave arrangements to provide, of which such an arrangement as Re ferenzelement works and the other arrangement, or several other arrangements, the function of each Have sensor element. These sensor elements deliver their (respective) interdigital working as an output converter an output signal that corresponds to the mes send measured variable compared to the input signal of this sen sorelements is changed identifiable. This one The output signal is a remote interrogator Radio frequency signal emitted by radio, which as the Input working input converter of the sensor element is fed. This high-frequency signal is also fed to the input of the associated reference element, by processing the signal corresponding to the sensor element device takes place and before that also an output signal is given. This output signal is not (we considerably) or in a known manner by physical or determine chemical effects of the sensor element influences the measurand and is therefore a usable Re reference value.

Aus dem Vergleich des Ausgangssignals dieses Referenzele mentes mit dem Ausgangssignal des zugehörigen Sensorele mentes bzw. mit dem jeweiligen Ausgangssignal der mehreren zugehörigen Sensorelemente des erfindungsgemäßen passiven Oberflächenwellen-Sensors gewinnt man zum Beispiel noch an dem Meßort ein Meßwertsignal. Vorzugsweise ist diese Si gnalverarbeitung ein Phasen-und/oder Laufzeitvergleich oder Frequenzvergleich. Diese Arbeitsweise ist ohne rele vante äußere Energiezufuhr im erfindungsgemäßen passiven Oberflächenwellen-Sensor, genauer dessen Sensorelement, möglich. Die für die Übermittlung des Meßwertes notwendige Sendeenergie steht nämlich bei der Erfindung wie bei einer oben beschriebenen Identifizierungsmarke aus der Energie des Abfrageimpulses zur Verfügung.From the comparison of the output signal of this reference element mentes with the output signal of the associated sensor element mentes or with the respective output signal of the several associated sensor elements of the passive according to the invention Surface wave sensors are still available, for example a measurement signal at the measurement location. This is preferably Si Signal processing a phase and / or runtime comparison or frequency comparison. This way of working is without rele vante external energy supply in the passive according to the invention Surface wave sensor, more precisely its sensor element, possible. The necessary for the transmission of the measured value In the case of the invention, transmission energy is like one Energy identification tag described above of the query pulse is available.

Der Phasen- und/oder Laufzeitvergleich muß aber nicht un bedingt am Ort des Sensorelementes bzw. am Meßort erfol gen. Sensorelement und Referenzelement können somit vor teilhafterweise auch räumlich voneinander getrennt ange ordnet und lediglich über Funk miteinander funktionell verbunden sein. Der Grund dafür ist, daß gegenüber der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle in einer Oberflächenwellen-Anordnung die elektromagnetische Aus breitungsgeschwindigkeit etwa 10⁵ mal größer ist. Der Pha sen- bzw. Laufzeitfehler ist also bei einer solchen ge trennten Anordnung im Regelfall vernachlässigbar klein. Im übrigen kann bei bekanntem Abstand zwischen Sensorelement und Referenzelement auch ein entsprechender meßtechnischer Vorhalt vorgesehen sein.However, the phase and / or transit time comparison does not necessarily have to take place at the location of the sensor element or at the measurement location. The sensor element and reference element can thus be spatially separated from one another and can only be functionally connected to one another by radio. The reason for this is that compared to the propagation speed of the acoustic wave in a surface wave arrangement, the electromagnetic propagation speed is approximately 10 ⁵ times greater. The Pha sen- or runtime error is therefore negligibly small in such a separate arrangement ge as a rule. In addition, if the distance between the sensor element and the reference element is known, a corresponding measurement reserve can also be provided.

Diese zuletzt beschriebene räumlich getrennte Anordnung ist zum Beispiel in dem Fall von besonderem Vorteil, wenn eine Vielzahl von Meßstellen an einem gemeinsamen Ort ab gefragt werden sollen. Ein dies erläuterndes Beispiel ist zum Beispiel die Messung der Temperatur der Bremsklötze und/oder Radlager eines an einem vorgegebenen Ort vorbei fahrenden Eisenbahnzuges. Jedem Bremsklotz bzw. Radlager ist ein Oberflächenwellen-Sensorelement funktionell und räumlich zugeordnet. Das Referenzelement befindet sich in dem Abfrage- und Auswertegerät an einem vorgegebenen Ort entlang des Schienenstranges, auf dem der Zug vorbeifährt.This last described spatially separated arrangement is particularly advantageous in the case, for example, if a large number of measuring points from a common location should be asked. This is an illustrative example for example measuring the temperature of the brake pads and / or a wheel bearing past a predetermined location moving train. Every brake pad or wheel bearing is a surface wave sensor element functional and spatially assigned. The reference element is in the query and evaluation device at a specified location along the rail track on which the train passes.

Im Regelfall werden die Abfrageeinheit einerseits und die Empfangs- und Auswerteeinheit andererseits räumlich mitein ander vereinigt angeordnet sein.As a rule, the query unit on the one hand and the On the other hand, the reception and evaluation unit are spatially coexistent be arranged together in another.

Ein ebenfalls zur Erfindung gehörendes Lösungsprinzip be steht darin, anstelle eines wie vorangehend beschriebenen "explizit" vorgesehenen Referenzelementes, die Referenz funktion "implizit", in das Lösungsprinzip integriert zu haben. Hier vorerst nur mit wenigen Worten ausgeführt, die Detailbeschreibung folgt weiter unten, besteht diese Variante des generellen erfindungsgemäßen Lösungsprinzips darin, daß wiederum wenigstens zwei als Oberflächenwel lenstrukturen ausgebildete Elemente mit sensitiver Eigen schaft vorgesehen sind, man diese aber derart "gegeneinan der" wirksam werden läßt, daß eine integrale Funktions weise beider Strukturen sowohl die Sensorfunktion (ver gleichsweise der Funktion des klassischen Sensorelements) als auch die Referenzfunktion (des klassischen Referenz elementes des vorausgegangen beschriebenen Systems) um faßt.A solution principle also belonging to the invention be is in place of one as previously described "explicitly" provided reference element, the reference function "implicit", integrated into the solution principle to have. Here for the time being in just a few words, the Detailed description follows below, this exists Variant of the general principle of solution according to the invention in that again at least two as surface wel elements with sensitive characteristics shaft are provided, but they are "against each other which "takes effect that an integral function both structures, both the sensor function (ver equivalent to the function of the classic sensor element) as well as the reference function (the classic reference element of the previously described system) sums up.

Eine dazu noch weitergehende Fortentwicklung der Erfindung besteht darin, eine Kombination aus Sensorelement und Re ferenzelement, wie sie zum eingangs beschriebenen System erläutert sind, für die Überwachung/Messung einer vorgege benen physikalischen Größe wie zum Beispiel einer mechani schen Größe, einzusetzen, diese Elemente aber so auszuwäh len und so zu betreiben, daß durch integrale Funktions weise, ähnlich dem voranstehend erläuterten Lösungsprinzip, eine unerwünschterweise auftretende weitere physikalische Größe, wie zum Beispiel der Temperatureinfluß, wegkompen siert werden kann. Auch dazu enthält die weiter unten ge gebene Detailbeschreibung die weiteren Ausführungen für den Fachmann.An even further development of the invention consists of a combination of sensor element and Re reference element, such as the system described at the beginning are explained for the monitoring / measurement of a given physical size such as a mechanical size, but select these elements len and operate so that through integral functional wise, similar to the solution principle explained above, an undesirable further physical Compensate size, such as the influence of temperature can be settled. This also includes the ge below given detailed description of the other versions for the specialist.

Die bei der Erfindung vorgesehenen passiven Signalauswer tungen sind zum Beispiel eine Phasendiskrimination, eine Signalmischung, eine Frequenzmessung und dgl. Die verwende ten Oberflächenwellen-Anordnungen sind Basiselemente eines Referenzelementes und wenigstens eines Sensorelements bzw. die Elemente einer Kombination mit integral, implizit ent haltener Referenzfunktion. Es sind dies mit Oberflächenwel len arbeitende Filter. Diese Oberflächenwellenfilter kön nen Resonatoren, Verzögerungsleitungen, auch solche disper siver Art, phase shift keying-(PSK-)Verzögerungsleitun gen und/oder Convolver sein. Insbesondere sind diese Ober flächenwellen-Anordnungen vorteilhafterweise als verlust arme Low-Loss-Filter ausgebildet. Für das Lösungsprinzip mit integraler impliziter Referenzfunktion und auch für die Weiterbildung mit zum Beispiel Temperaturkompensation sind gechirpte Reflektor- und/oder Wandlerstrukturen ge eignet.The passive signal evaluators provided in the invention For example, a phase discrimination, a Signal mixing, a frequency measurement and the like. The use Surface wave arrangements are basic elements of a Reference element and at least one sensor element or the elements of a combination with integral, implicitly ent holding reference function. These are with surface wel len working filters. This surface wave filter can NEN resonators, delay lines, also such disper siver type, phase shift keying (PSK) delay line gene and / or convolver. In particular, these are waiters Surface wave arrangements advantageously as a loss poor low loss filter. For the solution principle with integral implicit reference function and also for further training with, for example, temperature compensation are chirped reflector and / or transducer structures is suitable.

Diese Oberflächenwellen-Anordnungen arbeiten mit Nutzung des piezoelektrischen Effekts des Substratmaterials bzw. einer auf einem Substrat befindlichen piezoelektrischen Schicht. Als piezoelektrisches Material eignen sich außer dem besonders temperaturunabhängig frequenzstabilen Quarz vor allem aber auch solche mit hoher piezoelektrischer Kopplung, wie das Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Lithi umtetraborat und dgl. (als Einkristall), Zinkoxid, insbesondere für Schichten, und piezoelektrische Keramik, die aber dafür erhebliche Temperaturabhängigkeit haben.These surface wave arrangements work with usage the piezoelectric effect of the substrate material or a piezoelectric on a substrate Layer. Are also suitable as piezoelectric material the particularly temperature-independent quartz but above all those with high piezoelectric Coupling, such as lithium niobate, lithium tantalate, lithi umtetraborate and the like (as a single crystal), zinc oxide, especially for layers, and piezoelectric ceramics, but which have considerable temperature dependence.

Es ist oben bereits davon gesprochen worden, daß das Re ferenzelement und das eine Sensorelement bzw. die mehreren Sensorelemente räumlich miteinander vereinigt angeordnet sein können. Ein Vorteil einer solchen Anordnung ist, daß die Phasen- und/oder Laufzeitauswertung und dgl. weitge hend frei von äußeren Störungen ausgeführt werden kann, bzw. äußere Störungen zum Beispiel durch geeignete Abschir mungen auf ein Minimum herabgedrückt werden können. Natür lich muß dabei dafür Sorge getragen sein, daß das Refe renzelement wenigstens weitestgehend von dem physikali schen Einfluß frei ist, der die zu messende Größe betrifft, die zum Beispiel die Temperatur ist. Dazu können zum Bei spiel das Referenzelement und das eine oder die mehreren Sensorelemente auf voneinander getrennten Substraten an geordnet sein und nur das jeweilige Sensorelement ist dem Einfluß der Meßgröße ausgesetzt. Für Temperaturmessungen kann zum Beispiel auch vorgesehen sein, für das Referenz element Quarz als Substrat zu verwenden, wohingegen für das oder die Sensorelemente Lithiumniobat oder ein anderes Substratmaterial vorgesehen ist, das relativ große Tempe raturabhängigkeit aufweist. Temperaturveränderungen des Quarz-Substrates des Referenzelementes wirken sich auf dessen Ausgangssignal für viele Fälle noch vernachlässig bar aus.It has already been said above that the Re ferenzelement and the one sensor element or the plurality Sensor elements arranged spatially combined could be. An advantage of such an arrangement is that the phase and / or runtime evaluation and the like can be executed free of external disturbances, or external disturbances, for example by means of suitable shielding measurements can be kept to a minimum. Of course Lich must be ensured that the Refe renzelement at least largely from the physi is free influence that affects the size to be measured, which is for example the temperature. You can do this at play the reference element and the one or more Sensor elements on separate substrates be ordered and only the respective sensor element is the Influence of the measured variable exposed. For temperature measurements can also be provided, for example, for the reference element quartz to be used as a substrate, whereas for the sensor element or lithium niobate or another Substrate material is provided, the relatively large tempe dependency on temperature. Temperature changes of the Quartz substrates of the reference element act its output signal is still negligible in many cases cash out.

Es kann zur (Temperatur-)Kompensation auch vorgesehen sein, Korrekturvorgaben zu machen. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, daß mittels eines der Sensorele mente die augenblickliche Temperatur der ganzen Oberflä chenwellenanordnung ermittelt wird und dieser Temperatur wert als Vorgabe für die Korrektur der Meßwerte der übrigen Sensorelemente herangezogen die andere physikalische Größen messen.It can also be used for (temperature) compensation be to make corrections. For example can be achieved by using one of the sensor elements ment the instantaneous temperature of the whole surface Chenwellenanordnung is determined and this temperature value as a specification for the correction of the measured values of the others Sensor elements used the other physical Measure sizes.

Auch für das System mit integraler, impliziter Referenz funktion oder dessen Weiterbildung mit zum Beispiel inte graler Temperaturkompensation, ist die vereinigte Anord nung der Elemente zweckmäßig und in der Regel zum Errei chen hoher Genauigkeit sogar erforderlich.Also for the system with an integral, implicit reference function or its further training with, for example, inte grail temperature compensation, is the united arrangement Element expedient and usually to achieve Chen high accuracy even required.

Zur Steigerung der Übertragungsmöglichkeiten zwischen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung (mit oder ohne darin enthaltenem Referenzelement) empfiehlt es sich, das an sich bekannte Bandspreizverfahren anzuwenden und angepaßte Filter (matched filter) mit Pulskompression vorzusehen.To increase the transmission possibilities between the sensor arrangement according to the invention (with or without therein contained reference element), it is recommended that to apply and adapt known band spreading methods Provide a filter (matched filter) with pulse compression.

Für Oberflächenwellen-Anordnungen ist es bekannt, diese so zu konzipieren, daß Rayleigh-Wellen, Oberflächen-Scherwel len, Oberflächen-Leckwellen und dgl. erzeugt und ausgewer tet werden.For surface wave arrangements it is known to do so to conceive that Rayleigh waves, surface Scherwel len, surface leakage waves and the like. Generated and evaluated be tested.

In den Fällen, in denen von einem Abfragegerät mehrere Oberflächenwellen-Sensorelemente abgefragt werden sollen, zum Beispiel mehrere verschiedene Meßgrößen und/oder die gleiche Meßgröße an verschiedenen Orten und/oder Objekten, festgestellt werden sollen, können den einzelnen (Sensor-) Elementen vorteilhafterweise außerdem auch Identifizie rungsfunktionen integriert sein. Diese Integration kann auf einem getrennten Substratchip oder in vielen Fällen vorteilhafterweise auch auf demselben Substratchip ausge führt sein. Diese Identifizierungsfunktion entspricht einer solchen, wie sie bei eingangs beschriebenen ID-Mar ken erläutert worden ist. Eine solche Identifizierungsfunk tion kann bei der Erfindung so ausgeführt sein, daß diese Identifizierungsfunktion zusätzlich in die für die Erfin dung vorgesehene Oberflächenwellenstruktur integriert ist oder daß zwischen Signaleingang und Signalausgang der für die Erfindung verwendeten Oberflächenwellen-Anordnung noch eine entsprechende zusätzliche (Identifizierungs-)Struk tur eingefügt ist. Zum Beispiel kann dies zweckmäßigerwei se für das jeweilige Sensorelement vorgesehen sein. Bei zueinander fest zugeordnetem Sensorelement und Referenz element kann auch das Referenzelement diese Identifizie rungsfunktion enthalten. Eine andere bei der Erfindung anwendbare Maßnahme ist diejenige, die Frequenz des eigent lichen Meßsignals und diejenige des Identifizierungssi gnals voneinander verschieden hoch zu wählen. Mit dieser Maßnahme können solche gegenseitigen Störungen vermieden werden, die ansonsten für den Einzelfall nicht von vorn herein völlig auszuschließen sind und gegebenenfalls der Berücksichtigung bedürfen. Im Funkbereich eines jeweiligen für die Erfindung vorgesehenen Abfragegerätes kann man in den Fällen, in denen mehrere erfindungsgemäße Oberflächen wellen-Sensoren (Sensorelemente) vorgesehen sind, die von einander verschiedene Meßwerte zu liefern haben, dafür Vor kehrung treffen, daß jeder dieser erfindungsgemäßen Sen soren auf einer eigenen zugeordneten Frequenz arbeitet, erst nach einer jeweils bestimmten Grundlaufzeit (Verzö gerungszeit gegenüber dem Abfrageimpuls) antwortet und/ oder auf individuelle Sende-Impulsfolge angepaßt ist. Es kann auch vorgesehen sein, Sensorelemente und Antenne räumlich zu trennen und nur durch ein hochfrequenzleiten des Kabel und/oder auch durch die elektrisch leitfähige Wandung eines Behälters hindurch zu verbinden.In cases where more than one device is used Surface wave sensor elements are to be queried, for example several different measured variables and / or the same measured variable at different locations and / or objects, can be determined, the individual (sensor) Elements advantageously also identify functions are integrated. This integration can on a separate substrate chip or in many cases advantageously also on the same substrate chip leads. This identification function corresponds one such as that described in the ID-Mar ken has been explained. Such an identification radio tion can be carried out in the invention so that this Identification function additionally in the for the Erfin provided surface wave structure is integrated or that between signal input and signal output for the surface wave arrangement still used the invention a corresponding additional (identification) structure is inserted. For example, this can be convenient be provided for the respective sensor element. At sensor element and reference permanently assigned to each other element can also be the reference element of this identification function included. Another in the invention applicable measure is the one that frequency of the actual union measurement signal and that of the identification to choose different heights from each other. With this Measure can avoid such mutual interference that are otherwise not from the beginning for the individual case are to be excluded completely and if necessary the Need to be considered. In the radio range of each provided for the invention interrogation device in the cases in which several surfaces according to the invention Wave sensors (sensor elements) are provided by have to supply each other with different measured values take a turn that each of these Sen according to the invention works on its own assigned frequency, only after a certain basic term (delay response time to the query impulse) and / or is adapted to individual transmit pulse trains. It can also be provided sensor elements and antenna Separate spatially and only by radio frequency transmission of the cable and / or through the electrically conductive To connect the wall of a container.

Es kann für mehrere erfindungsgemäße Sensoren ein und die selbe Antenne verwendet werden. Es kann auch vorgesehen sein, die Antenne auf dem (jeweiligen) Substrat des be treffenden Oberflächenwellen-Sensors(-Sensorelementes) in integrierter Ausführung anzuordnen.It can be used for several sensors according to the invention same antenna can be used. It can also be provided be the antenna on the (respective) substrate of the be hitting surface wave sensor (sensor element) in to arrange integrated execution.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung zu beigefügten Figuren hervor.Further explanations of the invention are given in the Description to enclosed figures.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer prinzipiellen Realisie rung eines erfindungsgemäßen Oberflächenwellen- Sensors. Fig. 1 shows a view of a basic realization of a surface wave sensor according to the invention.

Die Fig. 2a und 2b zeigen integrierte Ausführungen mit einem Referenzelement und einem Sensorelement. Bei entsprechender Ausführung dieser Elemente und mit sich daraus ergebender anzuwendender Betriebs weise gibt Fig. 2 auch ein Beispiel für das Sy stem mit impliziter Referenzfunktion. FIGS. 2a and 2b show integrated versions with a reference element and a sensor element. With an appropriate design of these elements and with the resulting operating mode to be used, FIG. 2 also gives an example of the system with an implicit reference function.

Die Fig. 3a und 3b zeigen Ausführungen mit auf verschie denen Substraten angeordnetem Referenzelement und Sensorelement. FIGS. 3a and 3b show embodiments with various on which substrates arranged reference element and the sensor element.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung zur Erfindung, bei der sich das Referenzelement im Abfragegerät befindet. Fig. 4 shows an embodiment of the invention, in which the reference element is in the interrogator.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform mit zusätzlicher Iden tifizierungsfunktion mit unterschiedlichen Fre quenzen oder (insbesondere bei gleicher Frequenz) mit unterschiedlichen Laufzeiten von Sensor- und Identifizierungssignal. Fig. 5 shows an embodiment with additional identification function with different frequencies or (in particular at the same frequency) with different terms of sensor and identification signal.

Fig. 6 zeigt ein Prinzipbild für eine Ausführung mit einem Abfragegerät und mehreren erfindungsgemäßen Oberflächenwellen-Sensoren bzw. einem Sensorarray mit mehreren Einzelsensoren, die mit unterschied lichen Frequenzen arbeiten. Fig. 6 shows a schematic diagram for an embodiment with an interrogation device and several surface wave sensors according to the invention or a sensor array with several individual sensors, which work with different frequencies.

Fig. 7 zeigt eine weitere Anordnung mit zusätzlicher, auf dem Sensor befindlicher Einrichtung zur passiven Signalverarbeitung. Fig. 7 shows a further arrangement with additional, versions on the sensor device for passive signal processing.

Fig. 8 zeigt zur Weiterbildung der Erfindung das Prinzip des Sendens und des Empfangens mit gechirpten Si gnalen. Fig. 8 shows the development of the invention, the principle of sending and receiving with chirped Si signals.

Die Fig. 9a und 9b zeigen Ausführungsformen zur Fig. 8. Figs. 9a and 9b show embodiments for Fig. 8.

Fig. 10 zeigt eine graphische Darstellung zum Prinzip nach Fig. 8. FIG. 10 shows a graphic representation of the principle according to FIG. 8.

Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines zugehörigen Sensors und Fig. 11 shows another embodiment of an associated sensor and

Fig. 12 zeigt einen temperaturkompensierten Sensor gemäß einer ersten Weiterbildung. Fig. 12 shows a temperature compensated sensor according to a first modification.

Fig. 13 zeigt einen temperaturkompensierten Sensor gemäß einer zweiten Weiterbildung. Fig. 13 shows a temperature compensated sensor according to a second further development.

Fig. 1 zeigt mit 1 bezeichnet das Abfragegerät, das ein Anteil des erfindungsgemäßen passiven Oberflächenwellen- Sensors ist. Dieses Abfragegerät 1 enthält als Anteile einen Sendeteil 2, einen Empfangsteil 3 und den das Aus wertegerät 4 bildenden weiteren Anteil. Mit 5 ist der eigentliche passive Sensor mit Oberflächenwellenanordnung bezeichnet. Im Betrieb besteht die Funkverbindung 6 vom Sendeteil 2 zum Sensor 5 und die Funkverbindung 7 vom Sensor 5 zum Empfangsteil 3. Die für die Funkverbindung 7 erforderliche Energie ist in dem auf dem Funkweg 6 zum Sensor 5 übertragenen Signal enthalten. Der Sensor 5 be findet sich am Meßort und zumindest dessen Sensorelement 15, das wenigstens ein Anteil des Sensors 5 ist, ist dem zu messenden physikalischen, chemischen oder dgl. Einfluß ausgesetzt. Fig. 1 is indicated by 1, the interrogator, which is a portion of the passive Surface Acoustic sensor of the invention. This query device 1 contains as parts a transmitting part 2 , a receiving part 3 and the part forming the evaluation unit 4 . The actual passive sensor with surface wave arrangement is designated by 5 . In operation, there is the radio connection 6 from the transmitting part 2 to the sensor 5 and the radio connection 7 from the sensor 5 to the receiving part 3 . The energy required for the radio connection 7 is contained in the signal transmitted to the sensor 5 on the radio path 6 . The sensor 5 be found at the measurement site and at least its sensor element 15 , which is at least a portion of the sensor 5 , is exposed to the physical, chemical or similar influence to be measured.

Fig. 2a zeigt ein Oberflächenwellen-Substrat 5′ mit zwei Oberflächenwellenanordnungen 15′ und 25′. Die Oberflächen wellen-Interdigitalwandler 21 und 22 sind jeweilige Ein gangswandler und Ausgangswandler des Sensorelementes 15′. Mit 23 und 24 sind die entsprechenden Interdigitalwandler des Referenzelementes 25′ bezeichnet. Mit 16 und 17 sind die Antennen angegeben, die zum Empfang des Funksignals des Weges 6 und zur Abstrahlung des Signals des Funkweges 7 dienen. Gegebenenfalls kann es ausreichend sein, als An tenne 16 und/oder 17 lediglich eine Leiterbahn oder eine Dipolantenne auf dem Oberflächenwellen-Substrat 20 vorzu sehen. Es kann aber auch eine übliche Antenne vorgesehen sein. Die Fig. 2 zeigt eine integrierte Ausführung des Sensors als eine Ausführungsform des Sensors 5 der Fig. 1. Fig. 2a shows a surface wave substrate 5 'with two surface wave assemblies 15 ' and 25 '. The surface waves interdigital transducers 21 and 22 are respective an input transducer and output transducer of the sensor element 15 '. With 23 and 24 , the corresponding interdigital transducers of the reference element 25 'are designated. 16 and 17 indicate the antennas which are used to receive the radio signal of path 6 and to radiate the signal of radio path 7 . If necessary, it may be sufficient to provide only a conductor track or a dipole antenna on the surface wave substrate 20 as the antenna 16 and / or 17 . However, a conventional antenna can also be provided. FIG. 2 shows an integrated embodiment of the sensor as an embodiment of the sensor 5 of FIG. 1.

Fig. 2b zeigt eine Fig. 2a entsprechende Ausgestaltung mit Reflektoren 22a und 24a anstelle der Wandler 22 und 24. Hier sind die Wandler 21 und 23 Eingang und Ausgang der Oberflächenwelleanordnung dieser Figur. FIG. 2b shows a Fig. 2a corresponding configuration with reflectors 22 a and 24 a in place of the transducers 22 and 24. Here, transducers 21 and 23 are the input and output of the surface wave device of this figure.

Fig. 3a zeigt eine Anordnung mit Sensorelement und Refe renzelement am Meßort. Mit 30 ist ein Trägermaterial für das piezoelektrische Oberflächenwellen-Substrat 130 des Sensorelementes 15′′ und für das piezoelektrische Oberflä chenwellen-Substrat 230 des Referenzelementes 25′′ bezeich net. Die Wandlerstrukturen 21-24 können gleich denen der Ausführungsform der Fig. 2 sein. Fig. 3a shows an arrangement with a sensor element and reference element at the measuring location. With 30 is a carrier material for the piezoelectric surface wave substrate 130 of the sensor element 15 '' and for the piezoelectric surface surface Chenwellen substrate 230 of the reference element 25 '' net. The transducer structures 21-24 may be the same as that of the embodiment of FIG. 2.

Zum Beispiel ist das Substrat 130 ein solches aus Lithium niobat, Lithiumtantalat und dgl. Dieses Material ist stark temperaturabhängig hinsichtlich seiner für Oberflächenwel len maßgeblichen Eigenschaften. Insbesondere kann, aller dings ganz entgegengesetzt der üblichen Praxis für Ober flächenwellenanordnungen, ein solcher Schnitt des Kristall materials gewählt werden, der große Temperaturabhängigkeit zeigt. Für einen Temperatursensor ist hier für das Sub strat 230 des Referenzelementes zweckmäßigerweise Quarz zu verwenden, das wenig temperaturabhängig ist.For example, the substrate 130 is one made of lithium niobate, lithium tantalate and the like. This material is strongly temperature-dependent with regard to its properties which are decisive for surface waves. In particular, however, quite contrary to the usual practice for surface wave arrangements, such a cut of the crystal material can be selected which shows great temperature dependence. For a temperature sensor for the sub strate 230 of the reference element, it is expedient to use quartz, which is not very temperature-dependent.

Mit 16 und 17 sind wieder die Antennen bezeichnet.The antennas are again identified with 16 and 17 .

Fig. 3b zeigt eine der Fig. 3a entsprechende Ausführungs form mit Reflektoren 22a und 24a wie in Fig. 2b und an stelle der Wandler 22 und 24. FIG. 3b shows one of the Fig. 3a corresponding execution form with reflectors 22 a and 24 a as shown in Fig. 2b and in place of the transducers 22 and 24.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der - wie oben als eine Möglichkeit der Realisierung der Erfindung be schrieben - das Referenzelement 25 als zusätzlicher Anteil im Abfragegerät 1′ enthalten ist. Das passive Oberflächen wellen-Sensorelement mit seinem Substrat 130′ ist mit 15 bezeichnet. Mit 16 und 17 bzw. 116 und 117 sind die betref fenden Antennen des Sensorelementes und des Abfragegerätes bezeichnet. Es sind Schalter 41-43 vorgesehen, die für die jeweilige Betriebsphase zu schließen sind, um den Phasen- und/oder Laufzeitvergleich zwischen (jeweiligen) Sensorele ment 15 und Referenzelement 25 ausführen zu können. Fig. 4 shows an embodiment in which - as described above as a way of implementing the invention - the reference element 25 is included as an additional part in the interrogator 1 '. The passive surface wave sensor element with its substrate 130 'is denoted by 15 . With 16 and 17 or 116 and 117 , the concerned antennas of the sensor element and the interrogator are designated. There are switches 41 - 43 are provided, which are to be closed for the respective phase of operation, to be able to execute the phase and / or run-time comparison (respective) between Sensorele element 15 and reference element 25th

Die Fig. 5 zeigt eine prinzipiell der Ausführungsform der Fig. 4 entsprechende erfindungsgemäße Anordnung, die aber noch zusätzlich Mittel zur Realisierung einer Identifizie rungsfunktion enthält. Das Abfragegerät mit darin enthalte nem Referenzelement 25 ist wieder mit 1′ bezeichnet. Mit 6 ist die Funkverbindung vom Abfragegerät 1′ zum Sensor 151 bezeichnet. Der Sensor 151 umfaßt zwei Sensorelemente 115 und 115′. Das Sensorelement 115 ist auf eine erste Fre quenz f₁ konzipiert. Das Sensorelement 115′ enthält eine mit 26 bezeichnete Codierungsstruktur. Die Eingänge und Ausgänge der beiden Sensorelemente 115 und 115′ sind bezüg lich der Antenne 16 parallel geschaltet. Die Funkverbin dung zum Auswertegerät 1′ ist wieder mit 7 bezeichnet. FIG. 5 shows a principle of the embodiment of Fig. 4 corresponding arrangement according to the invention, but which additionally contains approximate function for realizing a identifica agent. The interrogator with contained therein reference element 25 is again designated 1 '. With 6 , the radio connection from the interrogator 1 'to the sensor 151 is designated. The sensor 151 comprises two sensor elements 115 and 115 '. The sensor element 115 is designed for a first frequency f ₁ . The sensor element 115 'contains a coding structure designated 26 . The inputs and outputs of the two sensor elements 115 and 115 'are connected in parallel with respect to the antenna 16 . The radio link to the evaluation device 1 'is again designated 7 .

Entsprechend der Codierung liefert die akustische Weg strecke des Sensorelementes 115′ ein charakteristisches Antwortsignal. Die beiden Sensorelemente 115 und 115′ können auch verschiedene Grundlaufzeit oder auch sowohl unterschiedliche Frequenz als auch verschiedene Grund laufzeit besitzen.According to the coding, the acoustic path of the sensor element 115 'provides a characteristic response signal. The two sensor elements 115 and 115 'can also have different basic terms or both different frequencies and different basic terms.

Als Prinzipbild zeigt die Fig. 6 eine Darstellung mit mehreren Sensorelementen 15 ₁, 15 ₂, 15 ₃ bis 15 _N, die alle (gleichzeitig) im Funkfeld des Abfragegeräts liegen. Für jedes dieser Sensorelemente ist eine eigene Frequenz f₁, f₂, f₃ bis f_N vorgegeben. Das Abfragegerät 1, 2′ enthält die zum Abfragen der Sensorelemente 15 ₁ . . . 15 _N und zur Verarbeitung der von diesen Sensorelementen empfangenen Meßwertsignale notwendigen Schaltungsanteile. Mit jedem einzelnen Sensorelement 15 ₁ bis 15 _N kann separat je eine physikalische Größe gemessen werden.As a principle picture of Fig. 6 is an illustration showing a plurality of sensor elements 15 _1, 15 _2, 15 _3, all of which are up to 15 _N (simultaneously) in the radio field of the interrogator. A separate frequency f ₁ , f ₂ , f ₃ to f _{N is} specified for each of these sensor elements. The query device 1 , 2 'contains the for querying the sensor elements 15 _1st . . 15 _N and circuit components necessary for processing the measured value signals received by these sensor elements. A physical quantity can be measured separately with each individual sensor element 15 ₁ to 15 _N.

Fig. 7 zeigt eine weitere Anordnung zur Erfindung. Es ist eine Anordnung mit passiver Signalverarbeitung, zum Bei spiel Auswertung mit Phasendiskrimination. Auf dem Chip bzw. Träger 30 befinden sich das Sensorelement 15 und das Referenzelement 25. Der Phasendiskriminator ist mit 11 be zeichnet und ist (ebenfalls) auf dem Träger 30 angeordnet. Die Antenne übermittelt das Diskriminatorsignal. Fig. 7 shows a further arrangement for the invention. It is an arrangement with passive signal processing, for example evaluation with phase discrimination. The sensor element 15 and the reference element 25 are located on the chip or carrier 30 . The phase discriminator is 11 and is (also) arranged on the carrier 30 . The antenna transmits the discriminator signal.

Nachfolgend werden weitere Einzelheiten zu dem schon wei ter oben beschriebenen Lösungsprinzip mit integrierter, impliziter Referenzfunktion der verwendeten Oberflächen wellenstrukturen bzw. -elemente, und zwar am Beispiel eines Temperatursensors beschrieben. Dieses Lösungsprinzip ist aber keineswegs auf die Temperaturmessung beschränkt, sondern kann auch angewendet werden zur Messung von Kräf ten, Druckwerten, Licht, Korpuskularstrahlung, Feuchte und Gasballast. Zur Messung solcher physikalischer Größen kann zusätzlich auch eine physikalisch, chemisch und/oder biolo gisch aktiv wirksame Schicht vorgesehen sein, die ihrer seits auch zusätzlich signalverstärkend effektiv sein kann. Eine solche Schicht kann auf der Substratoberfläche auf vorgesehene Oberflächenwellenanordnungen aufgebracht sein.Below are more details on the already white ter above-described solution principle with integrated, implicit reference function of the surfaces used wave structures or elements, using the example a temperature sensor described. This principle of solution is by no means limited to temperature measurement, but can also be used to measure strength ten, pressure values, light, corpuscular radiation, humidity and Gas ballast. To measure such physical quantities additionally also a physical, chemical and / or biolo gisch active layer can be provided, the on the other hand, it can also be effective in amplifying signals can. Such a layer can be on the substrate surface applied to intended surface wave arrangements be.

Wie schon oben beschrieben, umfaßt das System für dieses Lösungsprinzip ebenfalls Oberflächenwellen-Sensorelemente und das zugehörige Abfragegerät mit Sendeteil, Empfangsteil und Auswerteteil. Von dem Abfragegerät wird ein Abfragesig nal ausgesendet und von den Oberflächenwellenelementen empfangen, das gechirpt ist. Es handelt sich dabei um ein Hochfrequenzsignal, das in einer vorgegebenen Bandbreite während des Abfrage-Zeitintervalls sich von dem einen Fre quenzgrenzwert zum anderen Frequenzgrenzwert verändernde Frequenz hat. Der Begriff "chirp" ist bekannt aus: Meinke, Gundlach "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", Kapitel Q 61 und L 68. Die vorgesehenen Oberflächenwellen-Elemente und der Frequenzbandbereich des Abfragesignals sind aufein ander angepaßt. Zweckmäßigerweise gleichzeitig oder aber auch nacheinander werden hier zwei Abfragesignale ausgesen det, von denen das eine ein up-chirp-Signal (steigende Frequenzmodulation) und das andere ein down-chirp-Signal (fallende Frequenzmodulation) ist. Fig. 8 zeigt hierzu ein Prinzipbild. Mit 1 ist wieder das Abfragegerät mit Sendeteil 2, Empfangsteil 3 und Auswerteteil 4 bezeichnet. Der Sendeteil sendet zum Beispiel gleichzeitig zwei Sende impulse 101 und 102 aus, von denen der eine das up-chirp- Signal und der andere das down-chirp-Signal ist. Der Sen sor 5 empfängt diese beiden gechirpten Signale. Vom Sensor 5 werden zwei Antwortsignale 103 und 104 ausgesandt, die in den Empfangsteil 3 des Abfragegeräts 1 zurückgelangen.As already described above, the system for this solution principle also comprises surface wave sensor elements and the associated interrogation device with transmitting part, receiving part and evaluation part. A query signal is emitted by the interrogation device and received by the surface acoustic wave elements, which is chirped. It is a high-frequency signal that has a frequency that changes from one frequency limit value to the other frequency limit value in a predetermined bandwidth during the query time interval. The term "chirp" is known from: Meinke, Gundlach "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", chapters Q 61 and L 68. The surface wave elements provided and the frequency band range of the interrogation signal are adapted to one another. Expediently simultaneously or also in succession, two interrogation signals are emitted here, one of which is an up-chirp signal (increasing frequency modulation) and the other a down-chirp signal (falling frequency modulation). Fig. 8 shows a principle this image. With 1 the interrogator is again designated with the transmitting part 2 , receiving part 3 and evaluation part 4 . For example, the transmitting part simultaneously sends two transmitting pulses 101 and 102 , one of which is the up-chirp signal and the other is the down-chirp signal. The sensor 5 receives these two chirped signals. Two response signals 103 and 104 are emitted by the sensor 5 and return to the receiving part 3 of the interrogation device 1 .

Fig. 9a zeigt als ein Beispiel eine Ausführungsform eines zu diesem Prinzip zugehörigen Sensors 5 mit einem Wandler 121 mit der Antenne 16 und mit zwei Oberflächenwellen-Re flektoranordnungen, die dem Wandler zu einer kompletten Oberflächenwellen-Anordnung zugeordnet sind. Wie aus der Fig. 9 ersichtlich, handelt es sich um gechirpte Reflek toren mit sich über den Reflektor hinweg entsprechend än dernder Periodizität (und ändernder Streifenbreite). Ihre Anordnung bezüglich des Wandlers 121 ist so gewählt, daß bei der Reflektorstruktur 124 deren hochfrequentes Ende und bei der Reflektorstruktur 125 deren niederfrequentes Ende dem Wandler 121 zugewandt sind. Der Reflektor 124 wirkt sonst als Kompressor für das up-chirp-Signal und der Reflektor 125 als Kompressor für das down-chirp-Signal. Fig. 9a shows, as an example, an embodiment of an associated to this principle, the sensor 5 with a transducer 121 with the antenna 16, and with two surface wave flektoranordnungen Re, associated with the transducer to form a complete surface wave configuration. As can be seen from Fig. 9, it is chirped reflector with over the reflector accordingly changing periodicity (and changing stripe width). Their arrangement with respect to the transducer 121 is selected such that the high-frequency end of the reflector structure 124 and the low-frequency end of the reflector structure 125 face the transducer 121 . Otherwise, reflector 124 acts as a compressor for the up-chirp signal and reflector 125 acts as a compressor for the down-chirp signal.

Das (gleichzeitige) Aussenden der beiden gechirpten Abfra gesignale, deren jeweilige Dispersion ihrer zugehörigen Reflektorstruktur angepaßt ist, führt in einer Anordnung wie in Fig. 9 gezeigt dazu, daß über den Wandler 121 und die Antenne 16 zwei zeitlich komprimierte Impulse als Ant wortsignal der Oberflächenwellen-Anordnung zurückgesandt werden.The (simultaneous) transmission of the two chirped interrogation signals, the respective dispersion of which is adapted to their associated reflector structure, leads in an arrangement as shown in FIG. 9 to the fact that via the converter 121 and the antenna 16 two temporally compressed pulses as response signal of the surface waves - Order will be returned.

Der zeitliche Abstand der Antwortimpulse voneinander ist bei gegebener gechirpter Anordnung der Reflektorstreifen der Reflektorstrukturen 124, 125 abhängig von der Fortpflan zungsgeschwindigkeit der akustischen Welle in der Oberflä che des Substratmaterials. Ändert sich die Fortpflanzungs geschwindigkeit, zum Beispiel bei sich ändernder Tempera tur des Substratmaterials oder durch zu messende Gasbela stung und dgl., so ändert sich der Zeitabstand der beiden genannten Impulse. Das Impulssignal, das aus dem chirp- down-Signal entstanden ist, gelangt (ab einer gewissen Mindestchirprate) nach kürzester Zeit in das Abfragegerät 1 als ein ungechirptes Signal. Entsprechend kommt ein Impulssignal, das aus dem chirp-up-Signal entstanden ist, nach noch längerer Zeit als das ungechirpte Signal im Abfragegerät an. For a given chirped arrangement of the reflector strips of the reflector structures 124 , 125, the time interval between the response pulses is dependent on the propagation speed of the acoustic wave in the surface of the substrate material. If the speed of propagation changes, for example when the temperature of the substrate material changes or due to the gas load to be measured and the like, the time interval between the two pulses mentioned changes. The pulse signal, which has arisen from the chirp-down signal, (after a certain minimum chirp rate) reaches the interrogator 1 as an unchirped signal after a very short time. Correspondingly, a pulse signal that has arisen from the chirp-up signal arrives in the interrogator after an even longer time than the unchirped signal.

Die Fig. 9b zeigt eine der Fig. 9a entsprechende Ausfüh rungsform mit gechirpten Wandlern 124a und 125a anstelle der gechirpten Reflektoren 124 und 125. Diese Wandler 124a und 125a sind als Ausgang geschaltet. Es können aber auch alle drei Wandler 121, 124a und 124b parallelgeschaltet als Eingang und Ausgang genutzt sein. FIG. 9b shows an embodiment corresponding to FIG. 9a with chirped converters 124 a and 125 a instead of the chirped reflectors 124 and 125 . These converters 124 a and 125 a are connected as an output. However, all three converters 121 , 124 a and 124 b can also be used in parallel as input and output.

Nachfolgend werden die dazugehörigen mathematischen Zusam menhänge dargelegt.The associated mathematical compilation is shown below menu items.

Anhand der Fig. 10 wird der Zusammenhang von Laufzeitun terschied t, Chirprate B/T und Temperaturänderung 0 für ein Teilsystem mit positiver Chirprate B/T abgelei tet. Die Fig. 10 zeigt die Augenblicksfrequenzen f der Impulsantwort des Sensors (nur das up-System) bei einer Temperatur 0 und einer höheren Temperatur 0+0. Das Abfragegerät 1 sendet das Abfragesignal mit der temperatur unabhängigen Mittenfrequenz f₀ aus, die bei der höheren Temperatur 0+0 um die Zeitdifferenz t längere Laufzeit hat.The connection between Laufzeitun terschied t on the basis of Fig. 10, chirp rate B / T and temperature change 0 abgelei tet for a subsystem with positive chirp rate B / T. Fig. 10 shows the instantaneous frequencies of the impulse response of the sensor f (only the up system) at a temperature of 0 and a higher temperature 0 + 0. The interrogation device 1 sends out the interrogation signal with the temperature-independent center frequency f ₀ , which has a longer running time at the higher temperature 0 + 0 by the time difference t.

In Fig. 10 ist der chirpunabhängige Temperatureffekt vernachlässigt, nämlich daß auch die mittlere Laufzeit t₀ durch die höhere Temperatur verlängert wird. Berücksich tigt man auch diesen Effekt, so berechnet sich die Lauf zeit des Signals mit positiver Frequenzmodulation im Sen sor zuThe chirp-independent temperature effect is neglected in FIG. 10, namely that the mean transit time t _{0 is also extended} by the higher temperature. If this effect is also taken into account, the transit time of the signal with positive frequency modulation in the sensor is calculated

dabei sindare there

f₀ Mittenfrequenz
T_k Temperaturkoeffizient des Substratmaterials
t⁰_up mittlere Laufzeit für Δ R = 0
Δ R Temperaturdifferenz des Sensors zu einer gewissen vorgegebenen Temperatur Rf₀ center frequency
T _k temperature coefficient of the substrate material
t⁰ _up mean running time for Δ R = 0
Δ R temperature difference of the sensor to a certain predetermined temperature R

Durch Einsetzen und Ausklammern ergibt sichBy inserting and excluding it results

An dieser Formel ist zu erkennen, daß das Chirpsystem bei t⁰_up=T eine um den Faktor f₀/B, d. h. um die reziproke relative Bandbreite größere Zeitverschiebung liefert, als ein ungechirptes System. Für das down-System gilt analog zum up-SystemThis formula shows that the chirp system at t⁰ _up = T provides a time shift larger by a factor f ₀ / B, ie by the reciprocal relative bandwidth, than an unchirped system. The same applies to the down system as for the up system

und für das Gesamtsystem ergibt sich als Zeitverschiebung t_tot der Impulssignal, die durch Kompression aus den up- und down-Chirp-Signalen entstanden sind:and for the overall system, the time shift t _tot results in the pulse signal, which resulted from compression from the up and down chirp signals:

Die Zeitverschiebung des Gesamtsystems, aufgrund der kon stanten Grundlaufzeit, hebt sich für ein up- und ein down- System gleicher Grundlaufzeit (t⁰up=t⁰down) auf, während sich der Effekt des Chirps verdoppelt. Die Zeitdifferenz Δt_tot ist somit ein absolutes Maß für die Temperatur des Sensors bzw. dessen Wellenausbreitungsgeschwindigkeit, da die Bezugstemperatur R bekannt und fest ist. Die Bezugstem peratur ist die Temperatur in der Mitte des Meßbereichs des Sensors, und wird bei dessen Entwurf festgelegt. Durch einen angepaßt bemessenen (kleinen) Zeitunterschied t⁰_up-t⁰_down, der sich zum Beispiel in jeweils unterschied lichem Abstand zwischen Reflektor und Wandler kann die Meß größe Δt_tot für alle Temperaturen in einem vorgegebenen Meß bereich positiv eingestellt werden. Konstruktiv wird dieser (kleine) Zeitunterschied durch einen entsprechend bemessenen Abstandsunterschied der Abstände (a-b) zwischen einerseits dem Wandler 121 und andererseits den Reflekto ren 124 bzw. 125 in Fig. 9a oder den Wandlern 124a und 125a in Fig. 9b. Dadurch erübrigt sich eine Auswertung des Vorzeichens von Δt_tot im Abfragegerät.The time shift of the overall system, due to the constant basic running time, is canceled for an up and a down system with the same basic running time (t⁰up = t⁰down), while the chirp effect doubles. The time difference Δt _tot is thus an absolute measure of the temperature of the sensor or its wave propagation speed, since the reference temperature R is known and fixed. The reference temperature is the temperature in the middle of the measuring range of the sensor, and is determined when the sensor is designed. By means of an appropriately dimensioned (small) time difference t⁰ _up -t sich _down , which is, for example, at different distances between the reflector and transducer, the measurement variable Δt _tot can be set positively for all temperatures in a predetermined measurement range. This (small) time difference is constructed by a correspondingly dimensioned distance difference between the distances (ab) between the transducer 121 on the one hand and the reflectors 124 and 125 in FIG. 9a on the other hand or the transducers 124 a and 125 a in FIG. 9b. This eliminates the need to evaluate the sign of Δt _tot in the interrogator.

Fig. 11 zeigt eine Variante der Ausführungsform der Fig. 9a einer Oberflächenwellenanordnung für gechirpte Abfrage signale. Es sind dort die bezogen auf die Antenne hinter einander geschalteten Wandler 121 und 122 auf zwei Spuren verteilt vorgesehen. Sinngemäß können die Wandler auch pa rallel geschaltet sein. Die entsprechend in zwei Spuren angeordneten Reflektorstrukturen 124 und 125 haben den Auf bau und die Eigenschaften der zu Fig. 9 genannten Reflek torstrukturen. Statt der Reflektorstrukturen können wie in Fig. 9b auch Wandlerstrukturen vorgesehen sein. FIG. 11 shows a variant of the embodiment of FIG. 9a of a surface wave arrangement for chirped query signals. The transducers 121 and 122 connected in series with respect to the antenna are provided there distributed over two tracks. Analogously, the converters can also be connected in parallel. The reflector structures 124 and 125 arranged accordingly in two tracks have the structure and the properties of the reflector structures mentioned in FIG. 9. Instead of the reflector structures, converter structures can also be provided, as in FIG. 9b.

Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß weitergebildeten, mit Oberflächenwellen arbeitenden Sen sors. Die Anordnung der Fig. 12 unterscheidet sich von der der Fig. 9a darin, daß die Reflektorstruktur 126 bezo gen auf die Position des Wandlers 121 so angeordnet ist, daß bei der Struktur 126 das hochfrequente Ende des ge chirpten Reflektors dem Wandler 121 zugewandt ist, das heißt die beiden Reflektorstrukturen 124 und 126 spiegel symmetrisch zum Wandler 121 ausgeführt sind. Bei der Anord nung der Reflektorstrukturen gemäß Fig. 12 liegt jedoch wegen der spiegelsymmetrischen Anordnung der Reflektoren ein temperaturabhängiger Zeitunterschied der Antwortimpulse nicht vor, das heißt die Anordnung nach Fig. 12 ist als Sensor unabhängig davon, wie sich die Temperatur des Sub strats (und der darauf befindlichen Oberflächenwellen strukturen) ändert. In der Ausführungsform der Fig. 12 ist die dargestellte Oberflächenwellen-Anordnung, und zwar durch den Aufbau bedingt, temperaturkompensiert. Dieser Umstand der Variante der Erfindung gemäß Fig. 12 ist mit großem Vorteil zur temperaturunabhängigen Messung sonstiger physikalischer, chemischer und/oder biologischer Größen nutzbar. Um zum Beispiel einen Gasballast zu mes sen, wird die eine der beiden Reflektorstrukturen 124, 126 mit einer auf das zu messende Gas ansprechenden Schicht versehen. Die beschichtete Reflektorstruktur (zum Beispiel 124) spricht auf die Meßgröße an, während die andere unbeschichtet gebliebene Reflektorstruktur (126) von dem Gas unbeeinflußt bleibt. Es ist hier nur ein ge chirptes (Sende-)Signal erforderlich. Entsprechend erhält man auch nur ein Antwortimpuls-Signal sofern und solange sich die beiden Reflektoren identisch verhalten. Wird je doch einer der Reflektoren durch die Meßgröße beeinflußt, ergeben sich zwei Antwortimpulse, deren Zeitabstand der Meßgröße entspricht. Statt der Reflektorstrukturen 124 und 126 können auch Wandlerstrukturen verwendet werden. Fig. 12 shows an embodiment of a further developed according to the invention, working with surface waves Sen sors. The arrangement of FIG. 12 differs from that of FIG. 9a in that the reflector structure 126 is arranged in relation to the position of the transducer 121 in such a way that in the structure 126 the high-frequency end of the chirped reflector faces the transducer 121 , that is, the two reflector structures 124 and 126 are mirror-symmetrical to the converter 121 . In the arrangement of the reflector structures according to FIG. 12, however, because of the mirror-symmetrical arrangement of the reflectors, a temperature-dependent time difference of the response pulses is not available, that is, the arrangement according to FIG. 12 is a sensor regardless of how the temperature of the substrate (and the surface wave structures thereon) changes. In the embodiment of FIG. 12, the surface wave arrangement shown is temperature-compensated, specifically because of the structure. This fact of the variant of the invention according to FIG. 12 can be used with great advantage for the temperature-independent measurement of other physical, chemical and / or biological variables. For example, in order to measure a gas ballast, one of the two reflector structures 124 , 126 is provided with a layer which responds to the gas to be measured. The coated reflector structure (for example 124 ) responds to the measured variable, while the other reflector structure ( 126 ) which has remained uncoated remains unaffected by the gas. Only a chirped (transmit) signal is required here. Accordingly, you only get a response pulse signal if and as long as the two reflectors behave identically. However, if one of the reflectors is influenced by the measured variable, there are two response pulses, the time interval of which corresponds to the measured variable. Instead of the reflector structures 124 and 126 , converter structures can also be used.

Auch ein Sensor nach Fig. 9b und 11 wird zu einem temperaturunabhängigen Sensor nach Fig. 12, wenn eine der Strukturen 124, 125 oder 124a, 125a so "umgedreht" ist, daß diese Strukturen beide mit ihrem hochfrequenten Ende oder beide mit ihrem niederfrequenten Ende dem Wandler 121 bzw. den beiden Wandlern 121 und 122 zugewandt sind. Als Sensorelement ist dann diejenige Struktur 124 oder 125 wirksam, die auf die vorgegebene Meßgröße empfindlich präpariert ist. Die unpräparierte Struktur 125 oder 124 ist das Referenzelement für diese Meßgröße. A sensor according to FIGS. 9b and 11 also becomes a temperature-independent sensor according to FIG. 12 if one of the structures 124 , 125 or 124 a, 125 a is "turned over" in such a way that these structures both have their high-frequency end or both their low-frequency end facing the converter 121 or the two converters 121 and 122 . The structure 124 or 125 which is sensitively prepared for the predetermined measured variable is then effective as the sensor element. The unprepared structure 125 or 124 is the reference element for this measured variable.

Mit Wandlern 124a und 126a erhält man einen temperatur unabhängigen Sensor gemäß Fig. 13, bei dem ebenso je weils die hochfrequenten oder die niederfrequenten Enden der gechirpten Wandler 124a/126a den Eingangs-/Ausgangs wandlern 121, 121′ zugewandt sind, die hier als Beispiel parallelgeschaltet sind. Die Wandler 124a/126a können als Ausgangs-/Eingangswandler verwendet werden.With transducers 124 a and 126 a, a temperature-independent sensor according to FIG. 13 is obtained, in which the high-frequency or low-frequency ends of the chirped transducers 124 a / 126 a also face the input / output transducers 121 , 121 ', which are connected in parallel here as an example. The converter 124 a / 126 a can be used as an output / input converter.

Claims

1. Sensor for measured variables working with surface waves,

the measured value can be read off by radio,
- with surface wave converter and
- With at least two surface wave elements ( 15 , 25 ; 124 , 125 ; 124 , 126 ) that perform the sensor function and a reference function and are arranged on (each) a sub strate, and
- With an interrogator ( 1 ) with transmitting part ( 2 ), receiving part ( 3 ) and evaluation part ( 4 ).

2. Sensor according to claim 1,

- With at least one surface wave sensor element ( 15 ; 15 ₁ ... 15 _N ) for the sensor function and
- With a surface wave reference element ( 25 ) for the reference function.

3. Sensor according to claim 1 or 2,

- In which the surface wave elements ( 15 , 25 ; 124 , 125 ; 124 , 126 ) are spatially combined and
- Antennas ( 16 , 17 ) are provided for radio transmission between the evaluation device ( 1 ) and sensor ( 5 ).

4. Sensor according to claim 1, 2 or 3, with on a carrier ( 30 ) arranged substrates ( 130 , 230 ) for each of the sensor element ( 15 '') and the reference element ( 25 '').

5. Sensor according to claim 4, with substrates ( 130 , 230 ) from for the (respective) sensor element on the one hand and for the reference element on the other hand different piezoelectric materials.

6. Sensor according to claim 1, 2, 3 or 4, in which on the carrier ( 30 ) at least one sensor element ( 15 ), a reference element ( 25 ) and a passive signal preprocessing device is provided.

7. Sensor according to claim 1, with a reference element ( 25 ) which is arranged away from the sensor element ( 15 ) in the interrogation device ( 1 ').

8. Sensor according to one of claims 1 to 7, with additional identification function for the sensor element ( 5 ₁).

9. Sensor according to claim 8, with in the surface wave structure of the sensor element integrated identification function.

10. Sensor according to claim 8, with in the surface wave structure of the sensor element additionally inserted identification structure.

11. Sensor according to claim 8, 9 or 10, with different frequencies (f ₁ , f ₂ ) for Meßwertsi signal and for identification signal.

12. Sensor according to claim 8, with fixed assignment of sensor element and reference element to each other and with / integrated in the reference element added identification function.

13. Sensor according to one of claims 1 to 12, in which a plurality of sensor elements ( 15 ₁ ... 15 _N ) is provided, which are in radio communication with the interrogation device ( 1 ''), with different output signals for the individual sensor elements Frequencies (f ₁ ... F _N ) are provided.

14. Sensor according to one of claims 1 to 13, in which a plurality of sensor elements ( 15 ₁ ... 15 _N ) is provided, which are in radio communication with the interrogation device ( 1 ''), different basic terms being provided for differentiation.

15. Sensor according to one of claims 1 to 14, in which phase discrimination is provided for signal evaluation hen is.

16. Sensor according to one of claims 1 to 14, provided in the signal mixing for signal evaluation is.

17. Sensor according to one of claims 1 to 14, provided in the runtime comparison for signal evaluation is.

18. Sensor according to one of claims 1 to 14, provided in the frequency comparison for signal evaluation is.

19. Sensor according to one of claims 1 to 18, in which in the interrogator ( 1 ) band spreading is provided.

20. Sensor according to one of claims 1 to 18, in which matched filters with pulse compression are provided in the interrogation device ( 1 ).

21. Sensor according to one of claims 1 to 20, where as sensor / reference surface waves elements surface wave resonators are provided.

22. Sensor according to one of claims 1 to 20, where as sensor / reference surface waves elements surface wave transducers are provided.

23. Sensor according to one of claims 1 to 20, in which as sensor / reflector surface waves elementary surface wave delay lines are provided.

24. Sensor according to one of claims 1 to 20, where as sensor / reference surface waves elements dispersive / PSK surface wave delay lines are provided.

25. Sensor according to one of claims 1 to 24, in the low loss filter surface wave arrangements are provided.

26. Sensor according to one of claims 1 to 25

- in which the surface wave elements for sensor and reference function are at least two chirped surface wave elements ( 124 , 124 a; 125 , 125 a),
- Which are arranged in the surface wave arrangement with respect to the at least one surface wave converter ( 121 , 121 ') and the input signal with respect to their chirp function, and
- Wherein the sensor from the transmitter part ( 2 ) receives two oppositely chirped transmit signals ( 101 , 102 ), which are implemented in the surface wave elements of the sensor in two mutually temporally shifted the evaluation unit ( 1 ) returned impulse signals ( 103 , 104 ).

27. Sensor according to claim 26, with in-line arrangement ( Fig. 9) of the surface wave wall lers ( 121 ) and the chirped surface wave elements ( 124 , 125 a, 124 a, 125 a).

28. Sensor according to claim 26, with two-track arrangement ( Fig. 11) of the surface wave transducer ( 121 , 121 ') and the chirped surface wave elements ( 124 , 125 , 124 a, 125 a).

29. Sensor according to one of claims 1 to 25,

- in which the surface wave elements with immanent temperature compensation for sensor and reference function are two chirped surface wave elements ( 124 , 126 , 124 a, 126 a),
- Which are arranged in the surface wave arrangement in relation to the at least one surface wave transducer ( 121 ) with respect to their chirp function in the same direction on the substrate,
- A chirped signal ( 101 ) is sent from the transmitting part ( 2 ) and
- In which one of these two surface acoustic wave elements ( 124 , 126 , 124 a, 126 a) is prepared or can be influenced for measuring variables other than the temperature.

30. Sensor according to one of claims 26 to 29,

- In the chirped resonator structures ( 124 , 125 ; 124 , 126 ) are provided as surface wave elements.

31. Sensor according to one of claims 26 to 29,

- In the chirped transducer structures ( 124 a, 125 a, 124 a, 126 a) are provided as surface wave elements.

32. Sensor according to claim 31,

- In which the chirped transducer structures ( 124 a, 125 a; 124 a, 126 a) are provided as output / input transducers of the sensor.