DE4336895C1 - Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitender Sensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit akustischen Oberflä­ chenwellen arbeitenden Sensor unter Verwendung von Interdi­ gitalwandlern.

Aus "Sensoren and Aktuators B", 10 (1993), Seiten 123 bis 131 sind mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Mehr­ fachfrequenz-Sensoren als chemische Detektoren und als An­ ordnungen zur Charakterisierung von Dünnfilmeigenschaften bekannt. Die Wirkungsweise dieser bekannten Sensoren beruht auf der Tatsache, daß zur Anregung von akustischen Oberflä­ chenwellen in verschiedenen Frequenzbändern unterschiedliche Interdigitalwandler verwendet werden. Werden die Interdigi­ talwandler jeweils in parallelen akustischen Spulen geord­ net, so durchlaufen die akustischen Oberflächenwellen unter­ schiedliche Kristallbereiche, die unabhängig vom gewünschten Sensoreffekt unterschiedlichstes Verhalten aufweisen könn­ ten, was z. B. durch unterschiedliche Verschmutzung, durch Temperaturgradienten, und ähnliches hervorgerufen werden kann. Durchlaufen andererseits alle Oberflächenwellen die gleiche Laufstrecke, so ist zu erwarten, daß die verschie­ denen Interdigitalwandler sich gegenseitig beeinflussen, was z. B. dadurch bedingt ist, daß die akustischen Oberflächen­ wellen mit hohen Frequenzen durch breite Interdigitalwand­ lerstrukturen laufen und dabei bevorzugt in Volumenwellen umgesetzt werden. Aus den genannten Gründen ist der Aussage­ wert der Ausgangsgrößen derartiger bekannter Sensoren ledig­ lich beschränkt.

Weiterhin sind Sensoren mit von einer Meßgröße beeinflußten akustischen Signalen aus "Nachrichtentechnik, Elektronik", Berin 37 (1987) 5, Seiten 175 bis 177 bekannt.

Aus der DE-PS 28 21 791 sind akustische Oberflächenbauelemente, insbesondere Resonatoren mit einer Zusammenfassung von Elektrodenfingern bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Struktur für Sensoren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß Meßgrößen in einem großen Frequenzbereich mit mehreren angeregten Frequenzbändern zu erfassen sind.

Diese Aufgabe wird bei einem mit akustischen Ober­ flächenwellen arbeitenden Sensor der eingangs genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Aus "IEEE Transactions on Ultrasoncis, Ferroelektric and Frequency Control", Vol. 39, Seiten 330 bis 333 sind zwar modulierte Interdigitalwandler-Strukturen an sich bekannt, in denen im Gegensatz zu üblichen Interdigitalwandler-Struk­ turen jeder Finger der üblichen Struktur durch eine Gruppe von vier identischen Fingern ersetzt ist, wodurch neben der Grundfrequenz der angeregten akustischen Oberflächenwelle auch deren dritte, fünfte und siebte Harmonische angeregt wird. Ein derartiger Interdigitalwandler wird jedoch in die­ ser Druckschrift nur in Verbindung mit der Bestimmung der elastischen Steifigkeitskonstanten von dünnen nicht-pie­ zoelektrischen anisotropen Filmen auf anisotropen piezoelek­ trischen Substraten betrachtet. Hinweise auf eine Möglich­ keit der Verwendung solcher Interdigitalwandler-Strukturen in mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Sensoren gibt diese Druckschrift nicht.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran­ sprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein mit zwei Interdigi­ talwandlern aufgebautes Multifrequenzbandfilter; und

Fig. 2 die Übertragungsfunktion des in Fig. 1 dargestell­ ten Filters.

Fig. 1 zeigt zwei gleichartig aufgebaute Interdigitalwand­ ler 10, die abgesehen von ihrer Elektrodenfinger-Anschluß­ folge zur Bildung eines mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Filters in üblicher Weise mit nicht dargestell­ ten weiteren Komponenten auf einem nicht dargestellten pie­ zoelektrischen Substrat angeordnet sind. Die Einzelheiten des Aufbaus derartiger Filter sind dem Fachmann geläufig.

Erfindungsgemäß werden Interdigitalwandler mit einer spezi­ ellen Elektrodenfinger-Anschlußfolge verwendet, bei der je­ weils vier aufeinanderfolgende Elektrodenfinger 11 bzw. 12 alternierend an jeweils eine von zwei Sammelschienen 13 bzw. 14 angeschlossen sind. Dadurch entsteht ein doppelmodulier­ ter, bei dem sich acht Finger in einer Wellenlänge der Grundharmonischen befinden. Fig. 1 zeigt speziell eine Übertragungsstrecke mit zwei derartigen Interdigitalwandlern 10.

Derartige Interdigitalwandler besitzen die Eigenschaft, daß sie auf der Grundharmonischen, deren Wellenlänge der Periode der elektrischen Anschlußbelegung entspricht, und auf deren dritten, fünften und siebten Harmonischen im wesentlichen gleich stark anregt.

Die Übertragungsfunktion nach Fig. 2, in der die Amplitude der angeregten akustischen Oberflächenwellen als Funktion der Frequenz dargestellt ist, zeigt, daß vier Frequenzbänder 20 bis 23 im wesentlichen gleich stark angeregt werden. Da­ her ist es mit der Elektrodenfinger-Anschlußfolge nach Fig. 1 möglich, mit guter Dynamik über einen sehr großen Fre­ quenzbereich elektrische Signale in akustische Oberflächen­ wellen umzusetzen. Daher eignen sich derartige Interdigital­ wandler in ausgezeichneter Weise für sensorische Zwecke.

In Weiterbildung der Erfindung ist es möglich, Interdigital­ wandler nach Fig. 1 derart auszubilden, daß sich die geome­ trischen Abstände der Elektrodenfinger 11, 12 in Richtung der akustischen Interdigitalwandlerspur (das ist in der Zei­ chenebene in Fig. 1 gesehen die Horizontalrichtung) und/-oder die Breite der Elektrodenfinger 11, 12 ändert. Diese Möglichkeiten sind in Fig. 1 aus Übersichtlichkeits­ gründen nicht eigens dargestellt. Durch derartige Maßnahmen entsteht eine frequenzabhängige Gruppenlaufzeit, z. B. ein sogenannter churp. Derartige dispersive Wandlerstrukturen ermöglichen es, Dispersive mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Interdigitalwandler zu schaffen, die in vier ver­ schiedenen Frequenzbändern die Chirpsignale erzeugen. Da­ durch ergibt sich mit diesen Interdigitalwandlern die Mög­ lichkeit, über einen extrem breiten Frequenzbereich mit Pulskompression die Empfindlichkeit von Sensoreffekten zu erhöhen bzw. bestimmte Abhängigkeiten, wie z. B. die Tempera­ turabhängigkeit zu eliminieren. Da erfindungsgemäß Sensor­ signale in vier Frequenzbändern mit oder ohne Pulskompres­ sion ermittelt werden können, wird der Aussagewert von Sen­ sorsystemen stark erhöht.

Interdigitalwandler der beschriebenen Art können auch als Reflektoren verwendet werden oder es können Reflektoren mit einer Elektrodenfingerkonfiguration der beschriebenen Art ausgebildet werden.

Claims (3)

1. Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitender Sensor mit mindestens einem Interdigitalwandler, dadurch gekennzeichnet, daß der Interdigitalwandler (10) eine Elektrodenfinger-Anschlußfolge aufweist, bei der jeweils vier aufeinanderfolgende Elektro­ denfinger (11 bzw. 12) alternierend an jeweils eine von zwei Sammelschienen (13 bzw. 14) angeschlossen sind.

2. Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitender Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die geometrischen Abstände der Elektrodenfinger (11 bzw. 12) in Richtung der akustischen Interdigitalwandlerspur ändern.

3. Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitender Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breite der Elektrodenfinger (11 bzw. 12) ändert.