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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen und insbesondere Anspruch 24 und folgenden hervor.

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.

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.

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.

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.

Im Regelfall werden die Abfrageeinheit einerseits und die Empfangs- und Auswerteeinheit andererseits räumlich mitein­ ander vereinigt angeordnet sein.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung zu beigefügten Figuren hervor.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer prinzipiellen Realisie­ rung eines erfindungsgemäßen Oberflächenwellen- Sensors.

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.

Die Fig. 3a und 3b zeigen Ausführungen mit auf verschie­ denen Substraten angeordnetem Referenzelement und Sensorelement.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung zur Erfindung, bei der sich das Referenzelement im Abfragegerät befindet.

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. 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. 7 zeigt eine weitere Anordnung mit zusätzlicher, auf dem Sensor befindlicher Einrichtung zur passiven Signalverarbeitung.

Fig. 8 zeigt zur Weiterbildung der Erfindung das Prinzip des Sendens und des Empfangens mit gechirpten Si­ gnalen.

Die Fig. 9a und 9b zeigen Ausführungsformen zur Fig. 8.

Fig. 10 zeigt eine graphische Darstellung zum Prinzip nach Fig. 8.

Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines zugehörigen Sensors und

Fig. 12 zeigt einen temperaturkompensierten Sensor gemäß einer ersten Weiterbildung.

Fig. 13 zeigt einen temperaturkompensierten Sensor gemäß einer zweiten Weiterbildung.

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. 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. 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. 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.

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.

Mit 16 und 17 sind wieder die Antennen bezeichnet.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Nachfolgend werden die dazugehörigen mathematischen Zusam­ menhänge dargelegt.

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.

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 zu

dabei sind

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 R

Durch Einsetzen und Ausklammern ergibt sich

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-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:

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.

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. 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.

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.

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.