DE19622154A1 - Elektroakustisches Bauelement und Verfahren zur Fernidentifikation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektroakustisches Bau­ element mit Identifikations- und/ oder Sensorfunk­ tionen, das einen elektroakustischen Interdigital­ wandler und ein Piezoelektrikum enthält und ein Verfahren zur Fernidentifikation mit dem elek­ troakustischen Bauelement.

Sie bezieht sich auf passive Bauelemente, welche nach dem Prinzip der akustischen Oberflächenwellen arbeiten. Sie vereinen Identifikations- und Sensor­ funktionen und sind drahtgebunden oder über eine Funkstrecke abfragbar.

Telemetrie-Sensorsysteme werden in weiten Gebieten der Technik eingesetzt. Sie ermöglichen die Erfas­ sung von Meßdaten an schwer zugänglichen oder von aggressiven Medien umgebenen Orten. Konventionelle Systeme auf der Basis elektromagnetischer Transpon­ der oder aktiver elektronischer Baugruppen erlauben entweder nur geringe Abfrage-Entfernungen oder benötigen eine Energieversorgung an der Meßstelle. Für die Gewährleistung einer hohen Lebensdauer und eines wartungsfreien Betriebes sind diese Eigen­ schaften von Nachteil. Darüber hinaus bereitet die Entsorgung der galvanischen Elemente, die üblicher­ weise zur Stromversorgung benutzt werden, Probleme.

Fernabfragbare Systeme werden ferner zur Identifi­ kation von Gegenständen oder Personen benötigt. Für beide Anwendungsbereiche ist es bekannt, Bauele­ mente, die auf der Basis der akustischen Oberflä­ chenwellen arbeiten, einzusetzen. Sie erlauben den Betrieb als passive Sensoren oder als sogenannte "ID-Tags" ohne eigene Energiequelle.

Oberflächenwellen-Anordnungen funktionieren auf der Grundlage piezoelektrischer Eigenschaften von Sub­ straten oder Schichten. Auf diesen Substraten oder Schichten werden mit Hilfe elektrischer Anregung durch elektroakustische Interdigitalwandler mecha­ nische Wellen erzeugt, die sich entlang der Ober­ fläche ausbreiten.

Bei den im Stand der Technik bekannten Anordnungen werden diese Wellen an einer anderen Stelle mit ei­ nem weiteren Interdigitalwandler wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die geeignete Wahl der Wandlerstrukturen oder der Einsatz zusätzlicher Strukturen ermöglicht eine Einflußnahme auf das elektrische Ausgangssignal (Signalverarbeitung). Physikalische Größen, die auf die akustische Ober­ flächenwelle einwirken, verändern deren Ausbrei­ tungsgeschwindigkeit. Dies begründet die Einsatz­ möglichkeit von AOW-Bauelementen als Sensoren. Häu­ fig gebrauchte Strukturen sind Oberflächenwellen- Resonatoren, -Verzögerungsleitungen ohne oder mit gewichteten Wandlern bzw. Reflexionsanordnungen.

Die bekannten Anordnungen zur Identifikation, die mit Reflexionsbänken ausgestattet sind, werden mit Impulsen angesteuert und liefern ihrerseits eine Folge von Impulsen zurück, die aufgrund unter­ schiedlicher zeitlicher Abstände eine Identifikati­ ons-Information analog eines Barcodes beinhaltet. Nachteilig ist dabei, daß dieses Informationssignal für Störungen im Übertragungskanal anfällig ist. Ungewollte Reflexionen in der HF-Übertragungs­ strecke bzw. Überlagerungen der Signale verschiede­ ner Bauelemente können zu Fehlinterpretationen füh­ ren. Weiterhin ist eine große Bandbreite für solche Signale erforderlich, die Probleme besonders hin­ sichtlich der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften bereitet.

Weitere bekannte Anordnungen arbeiten mit angezapf­ ten Verzögerungsleitungen. Sie sind in der Lage, phasencodierte Signale (PSK: Phase Shift Keying) zu generieren. Diese Signale sind vorteilhaft für die nachfolgende Signalverarbeitung. Die zu diesem Zweck verwendeten Bauelementestrukturen bestehen aus einnem Eingangs- und einem Ausgangswandler, die elektrisch voneinander getrennt sind. Zu ihrer An­ steuerung werden drei oder (bei getrennter Masse) vier Anschlüsse benötigt. Der Einsatz in einem funkferngesteuerten Telemetriesystem erfordert des­ halb eine aufwendige Entkopplung von Eingang und Ausgang, wenn für beide Signalwege nur eine Antenne verwendet werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elek­ troakustisches Bauelement mit Identifikations- und/ oder Sensorfunktionen und ein Verfahren zur Fern­ identifikation mit diesem Bauelement anzugeben, bei dem nur ein Interdigitalwandler und nur zwei Lei­ tungen benötigt werden.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe da­ durch, daß der Interdigitalwandler mindestens zwei in Reihe angeordnete Anzapfungen aufweist, die über einen Signalbus elektrisch verbunden sind und das jede Anzapfung mit einer Apertur gewichtet ist, wo­ bei die Aperturen und die Abstände der Anzapfungen so bemessen sind, daß sich ein Identifizierungscode ergibt.

Eine Variante der Ausgestaltung entsteht dadurch, daß mindestens zwei Bauelemente in Form einer Par­ allelschaltung miteinander verbunden sind.

Beim erfindungsgemäße Verfahren zur Fernidentifika­ tion mit diesem elektroakustischen Bauelement wer­ den folgende Verfahrensschritte ausgeführt:

• - Erzeugen einer akustischen Oberflächenwelle durch Anlegen einer bestimmten Anzahl hochfrequenter, si­ nusförmiger Schwingungen,
• - Erzeugen eines phasencodierten Signals im Bauele­ ment durch Überlagerung der Wechselwirkungen der an den gewichteten Anzapfungen der Interdigitalstruk­ tur entstehenden Teilsignale und,
• - Auswerten des Signals.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens zur Reali­ sierung von Sensorfunktionen wird zusätzlich das erzeugte Signal durch eine zu ermittelnde physika­ lische Größe beeinflußt und danach erfolgt eine Auswertung des Signals der Ermittlung des zu be­ stimmenden Zustandes dieser physikalischen Größe.

Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungs­ gemäße Verfahren zeichnen sich durch eine Reihe von Vorteilen aus.

• 1. Die Kodierung erfolgt mit Hilfe phasencodierter Signale, die so gestaltet werden können, daß sie weitgehend unempfindlich gegen Störungen sind und ein gleichzeitiges Arbeiten mehrerer Anordnungen ermöglichen, ohne daß sich die verschiedenen Si­ gnale gegenseitig beeinflussen ("orthogonale" Co­ des).
• 2. Die Bandbreite des Anregungsbursts ist indirekt proportional zu seiner zeitlichen Ausdehnung. Die Vorgabe einer bestimmten Bandbreite kann so durch die Wahl der entsprechenden Burstlänge eingehalten werden. Das Antwortsignal der erfindungsgemäßen An­ ordnung hat eine so geringe Amplitude, daß seine größere Bandbreite bezüglich der gesetzlichen Vor­ schriften nicht ins Gewicht fällt.
• 3. Die erfindungsgemäße Anordnung stellt ein Bau­ element mit nur zwei Anschlüssen dar und ist des­ halb für den Einsatz mit Zweidrahtleitungen oder die drahtlose Ansteuerung über Antennen besonders geeignet.

Die Abfrage der erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt in zwei Schritten:

• 1. Eine Anzahl hochfrequenter Schwingungen (Sinus- Burst) wird ausgesendet und erzeugt im SAW-Bauele­ ment ein oder mehrere akustische Oberflächenwellen­ pakete. Die Anregung muß so lange auf das Bauele­ ment einwirken, daß sich ein quasistationärer Zu­ stand ausbilden kann. Bezeichnet man die Anzahl der Taps mit n und die Anzahl der Wellenperioden je Chip mit m, dann ergibt sich die Mindestanzahl der zur Anregung notwendigen Perioden zu (n-1) ·m. Da­ nach wird die Anregung abrupt abgeschaltet.
• 2. Die im Bauelement erzeugten Oberflächenwellenpa­ kete erzeugen an den Taps, die sie passieren, wie­ der elektrische Signale, die sich überlagern. Be­ zeichnet man die Nummer des Taps, das ein bestimm­ tes Wellenpaket erzeugt hat, mit i und die Nummer des Taps, das dieses Wellenpaket empfängt, mit j, ergibt sich die Wechselwirkung zwischen den beiden Taps S(a_i, a_j) unter Vernachlässigung von Reflexi­ ons-, Diffraktions- und Dämpfungseinflüssen und weiteren Effekten gemäß der Beziehung: S(a_i, a_j) = sgn(a_i) · sgn(a_j) · min(|a_i|, |a_j|)

Die durch diese Wechselwirkungen erzeugten Teilsi­ gnale addieren sich auf der Signalbusleitung (der Verbindungsleitung der Anzapfungen des Interdigi­ talwandlers). Auf Grund der identischen Abstände zwischen den Taps ergeben sich diskrete Zeit­ schritte, in denen das Verhalten laut Modell als konstant angenommen wird. Daher wird zur Vereinfa­ chung das Verhalten nur in diesen diskreten Abstän­ den betrachtet. Das Modell für das aufsummierte Si­ gnal an der Signalbusleitung im ersten Zeitschritt ergibt sich nach:

Im nächsten Zeitschritt O(2t₀) fallen alle Teilsi­ gnale heraus, die benachbarte Indizes haben, für welche der Abstand zwischen sendender und empfan­ gender Anzapfung (Tap) also Δx beträgt. Daraus er­ gibt sich für den zweiten Zeitschritt die Berech­ nungsvorschrift nach:

Die paarweisen Wechselwirkungen finden im Zeit­ schritt mit der Nummer i also zwischen den Taps statt, die mindestens iΔx voneinander entfernt sind. Die Berechnungsvorschrift für den Zeitschritt i kann damit aus der Berechnungsvorschrift für den Zeitschritt i+1 rekursiv abgeleitet werden.

Der verallgemeinerte Modellsatz für ein Bauelement mit n Taps wird durch die Formel

beschrieben. Da das Gleichungssystem unterbestimmt ist, wird die Lösung für ein Tap gemäß Formel

a_x = ±max(|a_i|)

festgelegt.

Mit Hilfe dieses Gleichungssystems läßt sich ein Layout für eine beliebige Signalfolge berechnen, indem man für den Vektor 0 = (O₀, O₁, . . . , O_n-1) die Signalwerte für die Zeitschritte 0 bis n-1 vorgibt und das Gleichungssystem nach a_i auflöst. Für den einfachen Fall eines binären PSK-Signals wird den Werten O_i der Wert +1 oder -1 zugeordnet, entspre­ chend der Phasenlage des gewünschten Signales von O bzw.π.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Aus­ führungsbeispieles näher erläutert. In der zugehö­ rigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der er­ findungsgemäßen Anordnung;

Fig. 2 die Signalfolge bei der Abfrage nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 3 eine Ausführungsform als Temperatursen­ sor und

Fig. 4 den Einsatz in einem drahtgebundenen Meßsystem.

Wie aus der in Fig. 1 dargestellten Prinzipanord­ nung ersichtlich ist, besteht die erfindungsgemäße Anordnung aus einem Interdigitalwandler mit einer variablen Anzahl von Anzapfungen, die in einer Reihe angeordnet und über einen Signalbus elek­ trisch verbunden sind. Die dort dargestellte grundlegende Anordnung der gewichteten Interdigi­ talwandler befindet sich auf einer Substratoberflä­ che. Die Wandler sind zweckmäßigerweise entweder gemäß der in Fig. 1a dargestellten Form entlang einer Symmetrielinie zentriert ausgerichtet oder gemäß der in Fig. 1b dargestellten Ausrichtungsva­ riante am Rand ausgerichtet. Die dargestellte An­ ordnung der Wandler im gleichen Abstand zueinander ist nicht zwingend notwendig, vereinfacht jedoch die Berechnung des Layouts. Die zum Zweck der Er­ zeugung eines Codes unterschiedlichen Aperturen a0 . . . a5 der Anzapfungen sind in der Darstellung sichtbar.

Die Aperturen der Wandler und deren Abstände zuein­ ander, die sich aus einem bestimmten Berechnungs­ verfahren ergeben, bestimmen in Verbindung mit dem weiter unten ausgeführten Ansteuerungsverfahren einen Identifikationscode in Form eines phasenco­ dierten Signals (PSK).

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des erfindungsgemäßen Ansteuer­ verfahrens am Beispiel der in Fig. 1 gezeigten Strukturen. Hierbei bezeichnet t₀ die Zeit, in der die akustische Oberflächenwelle den Abstand zwi­ schen zwei benachbarten Wandlern zurücklegt. Die Abszisse ist in Vielfache von t₀ geteilt.

Zur Abfrage eines Meßwertes nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren erzeugt in der Anordnung eine be­ stimmte Anzahl von hochfrequenten, sinusförmigen Schwingungen (Burst) eine oder mehrere akustische Oberflächenwellen. Die Länge des Bursts sorgt für einen quasistatischen Zustand innerhalb dieser An­ ordnung. Nach dem Abschalten des Anregungsbursts ist die Anordnung in der Lage, die in der akusti­ schen Oberflächenwelle gespeicherte Energie zurück­ zusenden. Dabei wird dieses Signal durch Überlage­ rung der an den Wandlern entstehenden elektrischen Teilsignale gebildet.

Das entstandene Signal ist phasencodiert und ent­ hält neben dem Identifikationscode bei Bedarf eine Meßwertinformation.

Fig. 3 erläutert den Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung in einem drahtlosen Temperatur-Meßsystem. Die Einwirkung einer physikalischen Größe (hier z. B. der Temperatur) verursacht eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Ober­ flächenwelle und ist als Änderung der zeitlichen Abstände zwischen definierten Teilen des Identifi­ kationscodes, z. B. der Abstände zwischen den Flan­ ken) meßbar.

Fig. 4 zeigt den Einsatz der erfindungsgemäßen An­ ordnung in einem drahtgebundenen Meßsystem mit ei­ nem Zweidraht-Bus.

Claims (4)

1. Elektroakustisches Bauelement mit Identifikati­ ons- und/ oder Sensorfunktionen, das einen elek­ troakustischen Interdigitalwandler und ein Piezo­ elektrikum enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Interdigitalwandler mindestens zwei in Reihe ange­ ordnete Anzapfungen aufweist, die über einen Si­ gnalbus elektrisch verbunden sind und daß jede An­ zapfung mit einer Apertur gewichtet ist, wobei die Aperturen und die Abstände der Anzapfungen so be­ messen sind, daß sich ein Identifizierungscode er­ gibt.

2. Elektroakustisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Bauele­ mente in Form einer Parallelschaltung miteinander verbunden sind.

3. Verfahren zur Fernidentifikation mit einem elek­ troakustischen Bauelement, in dem ein elektroaku­ stischer Interdigitalwandler und ein Piezoelektri­ kum enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:

• - Erzeugen einer akustischen Oberflächenwelle durch Anlegen einer bestimmten Anzahl hochfrequenter, si­ nusförmiger Schwingungen,
• - Erzeugen eines phasencodierten Signals im Bauele­ ment durch Überlagerung der Wechselwirkungen der an den gewichteten Anzapfungen der Interdigitalstruk­ tur entstehenden Teilsignale und,
• - Auswerten des Signals.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zusätzlich das erzeugte Signal durch eine zu ermittelnde physikalische Größe beeinflußt wird und eine Auswertung des Signals der Ermittlung die­ ser physikalischen Größe erfolgt.