DE19854606A1 - Akustoelektronisches Bauelement zur Ferndiagnose und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein akustoelektronisches Bauelement zur Ferndiagnose mit Identifikations- und/oder Sensorfunktion, das akustoelektronische Interdigitalwandler (IDW) auf piezoelektronischem Substrat enthält, die über zwei Sammelschienen miteinander verbunden sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Bauelemente. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines akustoelektronischen Bauelementes mit Ferndiagnose und -identifikation zur Abfrage von Sensordaten über Funkstrecken und/oder drahtgebunden, bei dem miteinander verbundene IDW schmalbandig angeregt werden sowie die Darstellung seines Herstellungsverfahrens. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Bauelement ist dadurch gekennzeichnet, DOLLAR A - daß zumindest ein der zwei miteinander verbundenen IDW als Empfangs-IDW (C1) eine vorgegebene codierte Struktur und mindestens ein IDW als Ausgangs-IDW (C2) eine beliebige Struktur mit mindestens einem Fingerpaar besitzt, DOLLAR A - daß es durch ein strukturiertes Signal, vorzugsweise ein phasen-codiertes Signal oder ein Chip-codiertes Signal anregbar ist und DOLLAR A - daß die Finger des Empfangs-IDW (C1) im Abstand, Breite und Überlappung so angeordnet sind, daß die Impulsantwort [C1(t)] dem zeitinvertierten Anregungssignal [C1(-t)] entspricht (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein akustoelektronisches Bauelement zur Ferndiagnose mit Identifikations- und/oder Sensorfunktion, das akustoelektronische Interdi­ gitalwandler auf piezoelektrischem Substrat enthält, die über zwei Sammel­ schienen miteinander verbunden sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Bauelemente.

Sie bezieht sich auf passive Bauelemente, die nach dem Prinzip der akusti­ schen Oberflächenwellen arbeiten. Dabei werden Identifikations- und Sensorfunktion entweder getrennt oder in Kombination miteinander angewendet. Die Gewinnung des Antwortsignals erfolgt drahtgebunden oder drahtlos über Funkstrecken.

Telemetriesysteme werden in vielen Gebieten der Technik eingesetzt /Buff, W.: SAW Sensors. Sensors and Actuators, A, 30, 1992 pp. 117-121/. Sie ermöglichen das Erfassen von physikalischen Größen und die Identifizierung von technischen Teilen an schwer zugänglichen oder von aggressiven Umweltbedingungen gekennzeichneten Orten, sowie von ortveränderlichen technischen Teilen. Nach dem Patent DE 44 24 773 A1 sind konventionelle Systeme auf Basis elektromagnetischer Transponder auf geringe Abfrageent­ fernungen eingeschränkt, wenn sie passiv arbeiten, oder benötigen eine Energiequelle an der Meßstelle. Für die Gewährleistung einer hohen Lebens­ dauer eines wartungsfreien Betriebes und miniaturisierter technischer Ausführung sind diese Eigenschaften mit Nachteilen behaftet. Darüber hinaus belasten die üblicherweise zur Stromversorgung eingesetzten galvani­ schen Elemente die Umwelt.

Oberflächenwellen-Anordnungen funktionieren auf der Grundlage von piezoelektrischen Eigenschaften von Substraten und Schichten. Auf diesen Substraten oder Schichten werden mit Hilfe elektrischer Anregung durch akustoelektronsiche Interdigitalwandler mechanische Wellen erzeugt, die sich entlang der Oberfläche ausbreiten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist von Substrat selbst und den physikalischen Umgebungsbedingungen abhängig. Dadurch eigenen sich solche Anordnungen als Sensoren.

Die durch Interdigitalwandler erzeugte Welle kann an Reflektoren reflektiert werden oder an einem zweiten Interdigitalwandler wieder in eine elektrische Schwingung umgewandelt werden.

Dadurch ergeben sich bekannte Bauelemente wie Resonatoren, Refle­ xionsanordnungen nach der /US-PS 4,725,841/, Anordnungen mit nur einem Interdigitalwandler nach der /DE-PS 196 22 154 A1/ oder Verzögerungslei­ tungen nach dem /EP 0 773 451 A1/, die die Konstruktion von fernabfragba­ ren, passiven Sensoren ermöglichen. Diese Anordnungen besitzen die Nachteile, daß die Energie nur sehr kurz übertragen werden kann, daß ein breitbandiges Anregungssignal notwendig ist und daß die Ausnutzung der möglichen Bandbreite unzureichend ist. Die Verfahren zur Berechnung sind äußerst aufwendig, außerdem sind nur eine geringe Anzahl von Codes für die Identifizierung realisierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein akustoelektronisches Bauele­ ment mit Ferndiagnosefunktion und zur Fernidentifikation mit passiver Abfrage von Sensordaten über Funkstrecken und/oder drahtgebunden mit diesem Bauelement zu entwickeln, bei dem Interdigitalwandler auf piezoelek­ trischem Substrat aufgebracht sind, die elektrisch miteinander verbunden sind und schmalbandig angeregt werden sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Bauelementes zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das akustoelektro­ nische Bauelement mit Identifizierungs- und/oder Sensorfunktion dadurch gekennzeichnet ist, daß es aus zwei oder mehreren elektrisch miteinander verbundenen und aus metallisierten Fingern bestehenden Interdigitalwandlern auf einem Substrat aufgebaut ist, wobei mindestens ein IDW als Empfangs- IDW eine vorgegebene codierte Struktur (in Form von Korrelationsfiltern) besitzt und mindestens ein IDW als Ausgangs-IDW eine beliebige Struktur mit mindestens einem Fingerpaar besitzt.

Erfindungsgemäß sind beim Eingangs-IDW die Finger in Abstand, Breite und Überlappung so angeordnet, daß die Impulsantwort dem zeitinvertierten Anregungssignal entspricht. Bei den weiteren Ausgangs-IDW's sind erfin­ dungsgemäß die Finger in Abstand, Breite und Überlappung in beliebiger, vorzugsweise phasen-codierter Struktur so angeordnet, daß die Impulsant­ wort dem gewünschten Ausgangssignal entspricht. Das erfindungsgemäße Bauelement ermöglicht durch seinen Aufbau, ein schmalbandiges Anregungssignal mit der Erzeugung vieler unterschiedlicher Codes und einer langen Übertragung der Energie zu verbinden. Der eine Wandler des Empfangs-IDW dient als Empfänger für das strukturierte Anregungssignal und akkumuliert die Energie des Anregungssignals durch Autokorrelation in einer impulsförmigen akustischen Oberflächenwelle. Dieser Impuls breitet sich auf dem piezoelektrischen Substrat aus und regt nach Erreichen des nächsten Interdigitalwandlers, des Ausgangs-IDW, ein elektrisches Signal an. Signaltechnisch bedeutet das, daß das impulsförmige Korrelationssignal mit der Impulsantwort des zweiten Interdigitalwandlers, des Ausgangs-IDW gefaltet ist. Das durch die Faltung entstandene strukturierte Ausgangssignal wird von der Antenne oder einer Übertragungsleitung zurückgesendet und vom Empfänger decodiert. Die Struktur des Ausgangssignals enthält die Information zur Identifizierung des Bauelementes.

Das erfindungsgemäße Bauelement ist dadurch gekennzeichnet, daß es durch ein strukturiertes Signal anregbar ist. Dieses Signal ist vorzugsweise als phasencodiertes Signal oder als Chirp-codiertes Signal (frequenzveränderli­ ches Signal) ausgebildet. Das Signal ist so gewählt, daß es mit dem fest codierten Empfangsinterdigitalwandler die Autokorrelationsfunktion des Signals bildet. Dazu ist das Signal zeitinvertiert zu der Impulsantwort des Empfangsinterdigitalwandlers. Außerdem ist es so gewählt, daß seine Autokorrelationsfunktion eine ausgeprägte Korrelationsspitze aufweist, mit der der Ausgangsinterdigitalwandler impulsförmig angeregt wird. Da Empfangs- und der Ausgangsinterdigitalwandler parallel geschaltet sind, wird das Anregungssignal auch mit der Impulsantwort des Ausgangsinterdigital­ wandlers gefaltet und breitet sich in der Gegenrichtung auf dem Substrat aus. Dieses Faltungsprodukt wird mit der Impulsantwort des Empfangsinterdigi­ talwandlers gefaltet. Da die Faltung eine kommutative Operation ist, sind beide Signalwege gleich. Das Ausgangssignal wird zur Identifikation und/oder als Sensorsignal genutzt.

Eigenschaften und Funktionen des Ausgangssignals des Ausgangs-IDW- Wandlers sowie des Anregungssignal des Empfangs-IDW-Wandlers sind erfindungsgemäß durch folgende mathematische Formeln zu beschreiben

A(t) = C1(-t)*C1(t)*C2(t) = C1(-t)*C2(t)*C1(t)
C1(t)*C1(-t) = δ(t)(Stoß)

wobei folgende Bezugszeichen gelten:

A(t) - Ausgangssignal im Zeitbereich
C1(t) - Impulsantwort des Empfangsinterdigitalwandlers
C1(-t) - Anregungssignal
C2(t) - Impulsantwort des Ausgangsinterdigitalwandlers
* Faltungsoperation

Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen akustoelektronischen Bauelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß auf dem piezoelektrischen Substrat durch Fotolithografie eine Universalstruktur, bestehend aus zwei oder mehreren durch zwei gemeinsame Sammelschienen miteinander verbundenen Interdigitalwandlerstrukturen aufgebracht wird. Dabei werden die Finger des Empfangs IDW in Abstand, Breite und Überlappung so gestaltet, daß eine codierte Struktur entsteht. Die weiteren Ausgangs-IDW werden mit gleichförmigen, parallelen, beide Sammelschienen verbundenen Fingern hergestellt, und anschließend werden diese Finger an bestimmten Stellen vorzugsweise mit LASER durchtrennt, so daß ein beliebiger Aus­ gangscode in die Universal-IDW-Struktur eingeschrieben wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläu­ tert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Signalfunktionen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung von Empfangs- IDW und Ausgangs-IDW mit Universalstruktur,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Anordnung von Empfangs-IDW und Ausgangs-IDW laserstrukturiert,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Anordnung mit phasen-co­ diertem (PSK) Empfangs-IDW,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Anordnung mit Chirp-co­ diertem Empfangs-IDW.

In Fig. 2 und 3 ist schematisch dargestellt, daß das erfindungsgemäße Bauelement aus dem Empfangs-IDW C1 und dem Ausgangs-IDW C2 auf einer Substratoberfläche jeweils mit bestimmten Strukturen der Finger besteht. Der Empfang IDW C1 besitzt eine vorgegebene codierte Struktur, so daß die Finger bezüglich Abstand, Breite und Überlappung so angeordnet sind, daß die Impulsantwort dem zeitinvertierten strukturierten Anregungssig­ nal äquivalent ist. Der Ausgangs-IDW C2 besitzt eine beliebige Struktur, die sich ebenfalls aus Abstand, Breite und Überlappung der Finger ergibt. Die Interdigitalwandler sind elektrisch miteinander verbunden, wobei erreicht wird, daß ein einfallendes schmalbandiges und strukturiertes Abfragesignal zu einer Korrelation führt, die einen Korrelationspeak in Form einer akusti­ schen Oberflächenwelle über das Substrat laufen läßt und am Ausgang wieder ein schmalbandiges strukturiertes Signal erzeugt. Die Struktur ergibt sich durch das Signal, das durch das impulsförmige Korrelationssignal im Ausgangs-IDW C2 entsteht. Die Faltung des impulsförmigen Korrelations­ signals mit der Impulsantwort des Ausgangs-IDW C2 (t) ergibt ein struktu­ riertes Ausgangssignal, das vom Empfänger decodiert und bezüglich der Informationen zur Identifizierung eines physikalischen Meßwertes ausgewer­ tet wird. Fig. 4 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Bauelement, bei dem der Empfangs-IDW phasencodiert (PSK-codiert) ist. Der Ausgangs- IDW ist beispielhaft beliebig gewählt.

Die Fig. 5 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Bauelement, bei dem der Empfangs-IDW Chirp-codiert und damit frequenz-codiert ist. Der Ausgangs- IDW ist ebenfalls beliebig gewählt.

Als Beispiele können verschiedene physikalische Umweltdaten gemessen werden. Da die zu messende Einflußgröße aus der Umwelt die Ausbreitungs­ geschwindigkeit der akustischen Welle auf dem Substrat verändert, enthalten die mit der Geschwindigkeit zusammenhängenden Kennwerte des Ausgangs­ signals Informationen über den Umwelteinfluß. Durch Messung der Zeit zwischen Anregungs- und Antwortsignal oder durch Messung von Zeitmar­ ken im Code kann diese Geschwindigkeit gemessen und damit die physikali­ sche Größe bestimmt werden.

Die Herstellung der Bauelemente wird an einem Beispiel mit zwei Interdigi­ talwandlern C1 und C2 erläutert und ist in Fig. 2 und 3 schematisch darge­ stellt. Für das erfindungsgemäße Verfahren der Herstellung wird auf einem piezoelektrischen Substrat 4 eine Universalstruktur durch ein bekanntes Fotolithografieverfahren so aufgebracht, daß diese eine Struktur aus zwei Interdigitalwandlerstrukturen, die durch zwei gemeinsame Sammelschienen 6 miteinander verbunden sind, besteht. Der eine Interdigitalwandler 1 ist mit seinen Fingern 5 so gestaltet, daß er den Empfangsinterdigitalwandler C1 bildet. Die zweite Interdigitalstruktur 2 wird aus gleichförmigen, parallelen, beide Sammelschienen 6 verbindenden Fingern 5 als Ausgangs-Interdigital­ wandler C2 hergestellt. Durch ein Verfahren, vorzugsweise mit LASER wird der beliebige Ausgangscode in die Universal IDW-Struktur eingeschrieben. Dadurch ist eine einfache und preiswerte Herstellung unterschiedlicher Identifizierungs- und Sensorbauelemente möglich. In Fig. 2 und 3 ist ein Bauelement vor und nach der Strukturierung des Ausgangs-IDW 2 darge­ stellt.

Bezugszeichenliste

1

Empfangs-Interdigitalwandler C1 mit Impulsantwort [C1(t)]

2

Ausgangs-Interdigitalwandler C2, unstrukturiert

3

Ausgangs-Interdigitalwandler mit Impulsantwort [C2(-t)], LASER-struktu­ riert

4

piezoelektrisches Substrat

5

Finger der IDW

6

Sammelschienen

7

Empfangs-Interdigitalwandler, phasen-codiert (PSK-codiert)

8

Empfangs-Interdigitalwandler, Chirp-codiert

9

Antenne

10

Anregungssignal [C1(-t)]

11

Antwortsignal C1(-t)* C1(t)* C2(t)*
A(t)Ausgangssignal im Zeitbereich
C1(t)Impulsantwort des Empfangsinterdigitalwandlers
C2(t)Impulsantwort des Ausgangs-Interdigitalwandlers
*Faltungsoperation

Claims (3)

1. Akustoelektronisches Bauelement mit Identifizierungs- und/oder Sensor­ funktion, das Interdigitalwandler mit gemeinsamer Sammelschiene auf einem Piezoelektrikum enthält, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß es aus zwei oder mehreren elektrisch miteinander verbundenen und aus metallisierten Fingern (5) bestehenden Interdigitalwandlern (1, 2, 3, 7, 8) auf einem Substrat (4) aufgebaut ist, wobei mindestens ein IDW als Empfangs- IdW (C1) eine vorgegebene codierte Struktur und mindestens ein IDW als Ausgangs-IDW (C2) eine beliebige Struktur mit mindestens einem Finger­ paar besitzt,
• 2. daß es durch ein strukturiertes Signal, vorzugsweise ein phasen-codiertes Signal oder ein Chirp-codiertes Signal, anregbar ist und
• 3. daß die Finger (5) des Empfangs-IDW (C1) in Abstand, Breite und Überlappung so angeordnet sind, daß die Impulsantwort [C1(t)] dem zeitin­ vertierten Anregungssignal [C1(-t)] entspricht.

2. Verfahren zur Fernidentifikation mit dem akustoelektronischen Bauele­ ment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß ein strukturiertes Signal, vorzugsweise ein phasen-codiertes Signal oder ein Chirp-codiertes Signal, von der Abfrageeinheit erzeugt wird, das der zeitinvertierten Impulsantwort des Empfangs-IDW [C1(t)] entspricht,
• 2. daß dieses Signal per Funk oder Draht auf die Sammelschienen (6) übertra­ gen wird, mit dem Empfangs-IDW korreliert und in Form einer akustischen Oberflächenwelle über das Substrat (4) läuft und
• 3. daß in mindestens einem weiteren Interdigitalwandler als Ausgangsdigital­ wandler das beliebig gestaltete Signal, vorzugsweise das phasen-codierte Ausgangssignal erzeugt, zur Abfrageeinheit übertragen und ausgewertet wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß auf einem piezoelektrischen Substrat (4) durch Fotolithografie eine Universalstruktur (2), bestehend aus zwei oder mehreren durch zwei gemein­ same Sammelschienen (6) miteinander verbundenen Interdigitalwandlerstruk­ turen, aufgebaut wird,
• 2. daß Abstand, Breite und Überlappung der Finger (5) des Empfangs-IDW nach einer codierten Struktur gestaltet werden und
• 3. daß die Finger (5) des Ausgangs-IDW gleichförmig, parallel und beide Sammelschienen (6) verbindend gestaltet und anschließend für einen beliebi­ gen Ausgangscode an bestimmten Stellen vorzugsweise mit einem LASER- Schneider durchtrennt werden.