DE4424773A1 - Fernmeßsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fernmeßsystem, in dem einer zentralen Abfragestation eine größere Anzahl räumlich verteilter Sensorstationen zugeordnet ist, die selektiv aktivierbar und deren Meßvorrichtungen und Signalverarbeitungsanordnungen mit akustische Oberflächenwellen - AOW - verwendenden Bauelementen und elektronischen Schaltungen ausgerüstet sind. Für AOW ist auch die Abkürzung SAW (surface acoustic wave) gebräuchlich. Nachstehend wird der Einfachheit halber nur die Abkürzung "AOW" verwendet.

Derartige Fernmeßsysteme werden z. B. für Überwachungszwecke in Räumen, an oder in Behältern für den Transport gefährlicher Güter auf Schiffen oder Bahnen, auf freien Flächen, für Steuerungen oder Regelungen von Prozeßanlagen und dgl. mehr eingesetzt. Die Meßstellen können physikalische, chemische oder biochemische Größen, z. B. Temperatur, Druck, Masse, elektrische oder mechanische Spannung, Konzentrationen chemischer Stoffe, Antikörper-Antigen Reaktionen, Immissionsbelastungen der Luft durch z. B. NO_x, SO₂, CO₂ direkt oder indirekt erfassen. AOW- Sensoren zeichnen sich durch extrem hohe Sensitivität, hohe Genauigkeit und universelle Einsetzbarkeit aus, sind als Chips mit kleinen Abmessungen in Planartechnologie herstellbar und können ein frequenzanaloges Ausgangssignal liefern. Die Frequenzbandbreite reicht von ca. 20 MHz bis in den GHz-Bereich, in dem die Fingerstrukturen der Interdigitalwandler dann den i pm-Bereich erreichen bzw. unterschreiten. Auch der Dynamikbereich von AOW-Sensoren ist groß.

Das oben schon erwähnte Anwendungsgebiet von Sensoren, die AOW verwenden, für den Nachweis und die quantitative Bestimmung von gasförmigen Stoffen bildet einen besonderen Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt. Um solche Messungen schnell, exakt und auch bei geringster Konzentration des zu bestimmenden Gases durchführen zu können, werden Materialien benötigt, die als dünne Filme, zwischen den Wandlerstrukturen eines AOW-Sensors aufgebracht, eine selektive und reversible Adsorption des zu bestimmenden Gases ermöglichen. Die daraus resultierenden Masseänderungen bewirken Veränderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der durch einen solchen Film geführten AOW und verschieben z. B. die Schwingfrequenz eines Oszillators. Diese Verschiebungen stellen ein Maß für die Massebelegung dar. Derartige Sensortypen zeigen eine Empfindlichkeit im kHz/ppm-Bereich, eine Auflösung im ‰-Bereich und Nachweisgrenzen bis hinab zum ppb-Bereich (10^-9). Aus der Patentliteratur seien hierzu beispielhaft genannt die DE 40 30 651 A1 bzw. deren parallele EP 0 477 648 A1.

Bei einem weiteren Einsatzgebiet von AOW-Sensoren, der Messung von Durchflußraten gasförmiger Stoffe, wird gemäß EP 0 261 393 A2 die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der AOW von der Temperatur des sie führenden Mediums ausgenutzt. Ein Teil der Energie der sich ausbreitenden AOW wird in einem Film, der die Oberfläche des Substratmaterials im Bereich des Ausbreitungsweges bedeckt, in Wärme umgesetzt, erhöht also die Temperatur. Über den Film strömendes Gas kühlt das Material ab. Beide Effekte führen zu Verschiebungen der Resonanzfrequenz, die ein Maß für die gewünschte Größe darstellen und sich mit einem digitalen Frequenzzähler erfassen lassen. Ein derartiger Film mit einer Dicke von ca. 1% bis 10% der Wellenlänge der AOW kann z. B. aus einer Nickel/Chrom-Legierung bestehen und durch Sputtern aufgebracht werden. Eine Vielzahl anderer Materialien, auch Polymere, ist für solche Filme geeignet.

Die vorstehend erläuterten AOW-Sensortypen sollen und können hier nur eine beispielhafte Auswahl für deren Einsatz- und Verwendungsmöglichkeiten und deren Funktionsweise darstellen.

Für Fernmeßsysteme ist z. B. aus der DE 42 00 076 A1 und DE 42 17 049 A1 der Einsatz von passiven AOW-Sensoren bekannt, die drahtlos abfragbar sind. Damit die einzelnen Sensoren ohne eigene Energiequellen bzw. Stromversorgungen arbeiten können, sind die von ihnen ausführbaren Funktionen auf ein Mindestmaß beschränkt, also neben der eigentlichen Ermittlung von Meßwerten nur noch auf das Erkennen eines individuellen Abfragesignals und die Übermittlung von Informationen, die einen Meßwert explizit angeben oder implizit enthalten. Ein gemeinsames Abfragegerät enthält demgemäß alle wesentlichen, "intelligenten" Anordnungen des Systems. Eine im Prinzip angegebene Ausführungsform gemäß o.g. DE 42 00 076 A1 sieht auf einem Chip bzw. Träger (30) ein Sensorelement (15), ein Referenzelement (25) und einen Phasendiskriminator (11) vor (vgl. a.a.o., Fig. 7 und zugehörige Beschreibung, Spalte 6, letzter Absatz). Weiterhin ist dort (vgl. a.a.o.: Fig. 5 im Zusammenhang mit Erläuterungen ab Spalte 4, Zeile 33 bis Spalte 5, Zeile 5 und Spalte 6, Zeilen 27 bis 47) zur Aktivierung der passiven Sensoren eine Identifizierungsanordnung angegeben, in der zwei auf verschiedene Frequenzen (f₁, f₂) konzipierte Sensorelemente (115, 115′) parallel vom empfangenen Rufsignal gespeist werden und mit einer individuellen Kodierungsstruktur (26) in einem Sensorelement (115′) die Erkennung des Rufsignals sowie damit die Aktivierung dieses Sensors herbeigeführt wird. Am Ausgang des anderen Sensorelements (115) ist die Antenne für das Ausgangs-, d. h. das Meßwertsignal angeschlossen. Zur Unterscheidbarkeit mehrerer Sensorelemente voneinander sollen z. B. unterschiedliche Ausgangssignal - Frequenzen (f₁, . . . f_N) und/oder unterschiedliche Grundlaufzeiten vorgesehen sein (vgl. a.a.o.: Spalte 7, Ansprüche 12 und 13). Abgesehen von dem herstellungstechnischen Aufwand für die einzelnen, unterschiedlichen Kodierungsstrukturen in den Rufsignaldetektoren sind auch die erforderliche Bandbreite des Übertragungsmediums und die für den Empfang und die Auswertung der Meßwertsignale in der Abfragestation bei einem derartigen Konzept durchzuführenden Maßnahmen nicht zu unterschätzen.

Von den beiden vorstehend genannten DE-Offenlegungsschriften befaßt sich die etwas jüngere DE 42 17 049 A1 mit Weiterbildungen der in der DE 42 00 076 A1 offenbarten passiven AOW-Sensoren. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, auf die weiter unten eingegangen wird, sind insbesondere diejenigen Aspekte dieses weitergebildeten bekannten Standes der Technik von Bedeutung, die sich auf die Erfassung und/oder Kompensation von Temperatureinflüssen sowie auf die Erzeugung von Meßwertsignalen beziehen, die auch Informationen über die Identität des abgefragten Sensors enthalten.

Das zum Aspekt der Temperatureinflüsse in der DE 42 17 049 A1 erläuterte Lösungsprinzip verwendet sogenannte gechirpte Signale. Mit "Chirp" wird der Frequenzgang eines zeitbegrenzten Signals als Funktion der Zeit bezeichnet.

Werden gleichzeitig zwei gechirpte Signale ausgesendet, eines mit zunehmender Frequenz (chirp-up), das andere mit abnehmender Frequenz (chirp-down), so können daraus in einem passiven Sensor zwei zeitlich komprimierte Impulse gebildet werden. Bei einer Verwendung als Temperatursensor mit symmetrischen Reflektorstrukturen, d. h.: a = b, antwortet die Anordnung nach Fig. 9a der DE 42 17 049 für eine vorgegebene Temperatur mit zwei Impulsen, deren zeitlicher Abstand der Temperaturabweichung proportional ist, wobei die gesamte Ausdehnung der Oberflächenwellenanordnung stillschweigend als gleich vorausgesetzt wird. Bei einer Verwendung als Sensor für eine andere physikalische oder chemische Größe wird die Anordnung in Fig. 12 verwendet, die das dem Stand der Technik entsprechende Temperaturkompensationsprinzip durch Referenz- und Meßzweig enthält, in diesem Fall ist die, bei der Messung auftretende, zeitliche Aufspaltung der Impulse der Meßgröße proportional. Auch hier wird wieder stillschweigend vorausgesetzt, daß die Temperatur über die gesamte Ausdehnung der aus Meß- und Referenzzweig bestehenden AOW-Anordnung konstant ist. Die Auswertung der sehr geringen Zeitdifferenz zwischen den Impulsen erfordert in der Abfragestation einen beträchtlichen Aufwand.

Bezüglich der Erzeugung von Meßwertsignalen mit immanenter Identitätsinformation unterscheiden sich die in den jeweiligen Fig. 5 der beiden hier gewürdigten Offenlegungsschriften dargestellten Anordnungen dadurch, daß die mit der Kodierungsstruktur ausgerüstete AOW-Strecke und die dazu parallele Strecke ohne Kodierungsstruktur in der Weiterbildung nicht nur eingangs-, sondern auch ausgangsseitig bezüglich der Antenne parallel geschaltet sind. Ein entstehendes Summensignal ist bezüglich immanenter Identitätsinformationen nicht mit einfachen Mitteln auswertbar. Es kann lediglich eine Meßwertinformation der Abfragestation zur Verfügung gestellt werden.

Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist bekannt aus dem Prospekt "Entwicklung eines vollständig integrierbaren akustischen Oberflächenwellen-Bauelements auf GaAs für den Einsatz in der Sensorik" (Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik im Forschungsverbund Berlin e.V., D-10117 Berlin). Dieser Prospekt gelangte erstmals anläßlich der CeBIT-Messe im März 1994, Hannover (DE), an die Öffentlichkeit und zeigt auf seinen Innenseiten ein Prinzipschaltbild eines mit elektronischen Signalverarbeitungsschaltungen integrierten chemischen AOW- Sensormoduls. Das dort vorgestellte Konzept sieht für ein drahtlos zu betreibendes Fernmeßsystem vor, die einzelnen Sensorstationen selektiv über ein Kennungssignal in den Sendemodus umzuschalten, in dem ein frequenzmoduliertes Meßwertsignal zur Abfragestation übertragen wird. Als AOW-Bauelemente sind dabei der Meß- und der Referenzzweig des Sensors, ein PSK-(phase shift keying)Filter zur Identifizierung des Kennungssignals und ein Oszillator zur Erzeugung der Trägerfrequenz für das Meßwertsignal ausgebildet. Die in den Sensorstationen vorgesehenen elektronischen Schaltungen sind von herkömmlicher Art und als integrierte Schaltungen realisierbar. Eine monolithische Integration der AOW-Bauelemente und der elektronischen Schaltkreise erlaubt das Galliumarsenid - GaAs - Materialsystem.

Wie vorstehend aufgezeigt ist, liegt die Erfindung auf einem in vielerlei Hinsicht innovationsträchtigen Gebiet. Das technische Problem, mit dem sich die Erfindung befaßt, besteht darin, sowohl bei monolithisch integrierten als auch bei hybriden Aufbauten von Sensorstationen mit AOW verwendenden Bauelementen in erster Linie für die benötigten Signale solche Maßnahmen vorzusehen, mit denen die hervorragenden Eigenschaften von AOW- Sensorelementen optimal zur Geltung kommen. Solche Maßnahmen und Mittel sollen zudem geringen Aufwand erfordern, mittels einfacher Schnittstellenmodifikationen eine universelle Einsetzbarkeit modularer Komponenten sowie zumindest eine Kompensation nachteiliger Einflüsse ermöglichen.

Hierfür sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, daß bei einem Fernmeßsystem der eingangs genannten Art zwischen der Abfragestation und den Sensorstationen bidirektional über ein gemeinsames Übertragungsmedium zu übermittelnde Informationen aus Signalfolgen bestehen, in denen individuell kodierte Kennungsworte gleicher Dauer und gleicher Anzahl von Wortelementen ein Grundmuster bilden und Wiederholfrequenzen identisch kodierter Grundmuster für Meßwerte spezifische Informationen darstellen, und in den Sensorstationen enthaltene Identifizierungseinrichtungen baugleich vorgefertigt und jeweils fest programmiert auf individuell kodierte Kennungsworte ausgebildet und als Detektoren für zu empfangende wie auch als Generatoren für mit unterschiedlichen Wiederholfrequenzen auszusendende Grundmuster eingesetzt sind.

Während Systeme, die über Funk lediglich die Anwesenheit bzw. Identität von Personen oder Gegenständen feststellen, nur mit passiven Sensoren ausgerüstet zu sein brauchen, jedoch der Abfragestation nur mit ihrer Adresse antworten, bietet die Erfindung eine kostengünstige und aufwandarme Meßwerterfassung, Signalverarbeitung und Übertragung von Meßwertsignalen mit immanenter Adresse, was jedoch aktive Anordnungen in den Sensorstationen erfordert, d. h. die Ausrüstung mit eigenen Energiequellen bzw. den Anschluß an eine Stromversorgung. Diese Stromversorgung kann ohne übermäßigen Mehraufwand dann erfolgen, wenn auch eine leitungsgebundene Signalübertragung stattfindet. Stand-by- Schaltungen für die Empfängerkomponenten in den Sensoranordnungen können zudem den Energieverbrauch auf ein Minimum beschränken.

Natürlich eröffnet eine Konzeption, in Fernmeßsystemen aktive statt nur passive Sensoranordnungen vorzusehen, auch weitere Freiräume bezüglich der Signalverarbeitung. Für die Kommunikation in beiden Richtungen zwischen Abfragestation und Sensorstationen wird bei der Erfindung z. B. die PSK-Technik eingesetzt. Die in ihrer Phasenlage modulierbaren Signale sind einfach aufgebaut und erlauben bei Korrelationsempfang zudem, daß ihr Pegel unterhalb der Rauschschwelle liegt.

Das Grundmuster läßt sich aus Sinusschwingungen zu individuell kodierten digitalen Mustern zusammensetzen. Ein Ruf- bzw. Aktivierungssignal für eine Sensorstation braucht nur aus einem solchen Grundmuster zu bestehen. Antworten der Sensorstationen werden aus Sequenzen der eigenen Adreßworte gebildet. Die Wiederholfrequenz zwischen zwei Adreßworten läßt sich durch Frequenzzählung im Niederfrequenzbereich auswerten. Dies gilt entsprechend auch dann, wenn aus Sequenzen in einer vorbestimmten Anzahl Gruppen gebildet werden, bei denen dann die Wiederholfrequenz der Gruppen für weitere zu übermittelnde Informationen zur Verfügung steht.

Ein weiterer für die Erfindung wesentlicher Gesichtspunkt bezieht sich auf die Herstellung von AQW-Bauelementen. Diese werden für die Sensorstationen in größerer Stückzahl benötigt. Meß- und Referenzzweige sollten in allen Sensorstationen ohnehin identische Strukturen der AOW-Elemente aufweisen. Die Detektoren und Generatoren für Adreßworte können auf einfache Weise dann mit entsprechend kodierten Finger- oder Resonatorstrukturen ausgebildet werden, wenn zunächst alle Strukturen vollständig hergestellt und die jeweils für die individuellen Adreßworte nicht benötigten Teile entfernt bzw. funktionsunfähig gemacht werden. Somit wird für die Erzeugung der Fingerstrukturen auf AOW-Bauelementen, die sich auf einem Substrat befinden, auch nur eine einzige Maske benötigt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung und ihrer vorteilhaften Ausführungsformen, insbesondere solcher mit in den Unteransprüchen angegebenen Merkmalen, werden im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild eines Fernmeßsystems mit einer Abfragestation und einer größeren Anzahl von Sensorstationen;

Fig. 2: ein Blockschaltbild einer Sensorstation des Fernmeßsystems gemäß Fig. 1;

Fig. 3, 4 und 5: Schaubilder von Signalfolgen und deren Zusammensetzung, die im erfindungsgemäßen Fernmeßsystem die zu übermittelnden Informationen darstellen;

Fig. 6: ein detailliertes Schaltbild einer aktiven Sensorstation gemäß Fig. 2 mit ihren akustischen Oberflächenwellen - AOW - verwendenden Bauelementen und elektronischen Schaltungen;

Fig. 7: die Ausbildung von Fingerstrukturanordnungen eines AOW-Bauelements mit fest durch die Struktur vorgegebener individueller Kodierung;

Fig. 8: die Ausbildung von Fingerstrukturanordnungen ähnlich der gem. Fig. 7, jedoch mit frei wählbarer Einstellbarkeit auf individuelle Kodierungen;

Fig. 9: ein Blockschaltbild ähnlich Fig. 2, mit Einzelheiten eines zwischen Empfangs- und Sende-Modus umschaltbaren AOW-Bauelements;

Fig. 10: ein Blockschaltbild ähnlich Fig. 2, mit Einzelheiten einer Stand-by-Schaltung;

Fig. 11: ein Blockschaltbild einer AOW-Sensorkomponente mit einer ersten Ausführungsform einer Temperaturkompensationsanordnung, und

Fig. 12: ein Blockschaltbild einer AOW-Sensorkomponente mit einer zweiten Ausführungsform einer Temperaturkompensationsanordnung.

Das in Fig. 1 schematisch als Blockschaltbild dargestellte Fernmeßsystem besteht aus einer Abfragestation 1, die mit einer Senderkomponente 2, einer Empfängerkomponente 3 und einem Auswertegerät 4 ausgerüstet ist, und aus einer größeren Anzahl von Sensorstationen 5.i, i = 1, . . . , n. Die Signale zwischen der Abfragestation 1 und den Sensorstationen 5.i werden in beiden Richtungen über ein Übertragungsmedium 11, z. B. drahtlos über Funk oder über eine Hochfrequenzleitung oder über einen Lichtwellenleiter geführt.

Die Sensorstationen 5.i enthalten, wie Fig. 2 ebenfalls schematisch als Blockschaltbild zeigt, jeweils eine Empfängerkomponente 6, einen Sensormodul 7 und eine Senderkomponente 8.

Im allgemeinen werden in Fernmeßsystemen die Sensorstationen selektiv und sequentiell von der Abfragestation gerufen und aktiviert. Sie antworten der Abfragestation unverzüglich. Die Antwortsignale der Sensorstationen enthalten die gewünschten Informationen über festgestellte Meßwerte und müssen in der Abfragestation den betreffenden Sensorstationen eindeutig zugeordnet werden können. Wartet die Abfragestation z. B. nach Aussendung eines Rufsignals das angeforderte Antwortsignal ab, bevor eine andere Sensorstation gerufen wird, kann die objektive Zuordnung von Ruf- und Antwortsignal allein über deren zeitlichen Zusammenhang erfolgen.

Die z. B. in modernen Nachrichten- und Rechnersystemen üblichen Übermittlungsverfahren für Informationen mit immanenten Adressen sind für Fernmeßsysteme zumeist zu aufwendig und deshalb nicht ohne weiteres zu übernehmen. Im Hinblick darauf, daß die Ausführungsformen der Erfindung mit AOW verwendenden Bauelementen ausgerüstet sind und dafür eine kostengünstige, aufwandarme und störfeste Informationsübermittlung vorzusehen ist, werden bei der Erfindung und ihren Ausführungsformen die Signale über die Phase verknüpft.

Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen den Aufbau individuell kodierbarer Kennungsworte und daraus zu bildender Signalfolgen. Ein solches Kennungswort - vgl. Fig. 3 - der Dauer t_w besteht besteht aus z. B. vier Wortelementen, die als Sinus-Schwingungen ausgebildet sind und durch Phasenkodierung die Digitalelemente "1" und "0" darstellen. Ein derartiges individuell kodiertes Kennungswort wird als Rufsignal verwendet, das die Abfragestation aussendet, um die betreffende Sensorstation zu aktivieren.

Jede Sensorstation generiert ihr Kennungswort nach dem zuvor beschriebenen Grundmuster und bildet mit dessen Hilfe ihre Antwortsignale - vgl. Fig. 4 - in der Weise, daß mindestens zwei Kennungsworte der Dauer t_w eine Sequenz der Dauer t_s bilden. Dabei ist die Folgefrequenz f_x der Grundmuster in den Sequenzen umgekehrt proportional zum zeitlichen Abstand Δt_x zweier aufeinanderfolgender Grundmuster. Wie noch etwas später näher erläutert wird, liefern bei Ausführungsformen der Erfindung verwendete Sensormodule frequenzanaloge Meßwertsignale der Frequenz f_x. Damit enthält ein Ausgangssignal einer Sensorstation sowohl ihre Adresse als auch die Information über den jeweiligen Meßwert mit derselben Genauigkeit, mit der dieser Wert gemessen wurde.

Aus dem in Fig. 5 gezeigten Schaubild ist zu erkennen, daß ein Ausgangssignal einer Sensorstation noch ein weiteres Meßwertsignal - mit der Folgefrequenz f_y ∼ 1/Δt_y - enthalten kann. Aus Sequenzen gemäß Fig. 4 in vorbestimmter Anzahl mit der jeweiliger Dauer t_s lassen sich Gruppen der Dauer t_Σ bilden, so daß nach Auswertung von f_x ∼ 1/Δt_x auch f_y ∼ 1/Δt_y bestimmt werden kann.

Die Fig. 6 zeigt den Aufbau einer Sensorstation 5.i für Ausführungsformen der Erfindung. Es kann sich dabei um einen vollständig monolithisch integrierten Aufbau der AOW-Bauelemente mit den elektronischen Schaltungen und Bauelementen wie auch um einen hybriden Aufbau handeln. Für einen vollständig monolithisch integrierten Aufbau einer Sensorstation 5.i kommt sowohl GaAs als piezoelektrisches Halbleitermaterial als auch Silizium - Si - in Betracht, das dann allerdings im Bereich der Fingerstrukturen mit einer piezoelektrischen Schicht zu versehen ist.

Auf jeden Fall können die AOW-Bauelemente einer Empfängerkomponente 6, eines Sensormoduls 7 und einer Senderkomponente 8 für sich monolithisch integriert sein. Weiterhin sind eine Stromversorgung 9 sowie elektronische Bauelemente bzw. Schaltungen 10.j vorgesehen, die untergliedert sind in die Bauelemente und Schaltungen für eine Detektorsignalverarbeitung 10.1, für die Meßvorrichtung 10.2, für die Meßwertumformung 10.3, für die Ausgangssignalverstärkung 10.4 und für die Ausrüstung 10.5 der Schnittstelle der Sensorstation 5.i mit dem Übertragungsmedium 11. Die einzelnen Komponenten der Sensorstation 5.i werden nachfolgend in ihren Funktionen beschrieben.

Ein von der Abfragestation zur Sensorstation 5.i gesendetes Rufsignal gelangt über eine Empfangsantenne AT1 und über einen Betriebszustandsschalter SIO zu einem Verstärker A3, der den Eingangswandler eines AOW-Detektors der Empfängerkomponente 6 speist. Stellt der Ausgangswandler des AOW-Detektors z. B. mittels Korrelation die Übereinstimmung mit der individuellen, im Rufsignal kodierten Adresse der Sensorstation 5.i fest, schaltet der Korrelationspeak einen Schwellwertschalter SS2, der die Sensorstation 5.i nunmehr vollständig aktiviert. Ausführungsformen des AOW-Detektors unterscheiden sich durch die Art und Weise, wie die Korrelation durchgeführt wird, z. B. mit Korrelator, PSK-Filter, Konvolver. Vom Schwellwertschalter SS2 wird im Zuge der vollständigen Aktivierung der Sensorstation 5.i der Betriebszustandsschalter SI0 von "Empfangen" auf "Senden" geschaltet, d. h. die Verbindung zur Empfangsantenne AT1 wird getrennt und dafür zu einer Sendeantenne AT2 geschlossen.

Der Sensormodul 7 enthält als AOW-Strukturen einen Meß- und einen Referenzzweig. Diese sind z. B. als identische akustische Verzögerungsleitungen ausgebildet. Im Meßzweig dient ein Film, der das Substrat im Bereich des Ausbreitungsweges der AOW bedeckt, als Adsorber oder Absorber für eine chemische Substanz oder dgl. Die Ad- oder Absorption führt zu Veränderungen der Ausbreitungseigenschaften der AOW im Meßzweig. Meß- und Referenzzweig sind mit Verstärkern A1 bzw. A2 und automatischen Verstärkungsreglern AGC1 bzw. AGC2 ausgerüstet. Die Schwingfrequenzen der aus den AOW-Zweigen und den Verstärkern A1 bzw. A2 gebildeten Oszillatoren werden lastfrei, gegebenenfalls mittels hier nicht dargestellter Richtkoppleranordnungen, ausgekoppelt und einem HF-Mischer M zugeführt. Ein nachgeschalteter Tiefpaß T läßt aus dem im HF-Mischer M entstehenden Frequenzgemisch nur dessen niederfrequente Differenzfrequenz zu einem Schwellwertschalter oder Nulldurchgangszähler SS1 und einem nachgeschalteten Multivibrator MV1 gelangen. Mit der auf diese Weise aus der Differenzfrequenz gewonnenen niederfrequenten Impulsfolge wird über ein während des Sendemodus betriebsbereites Tor GI die Sendekomponente 8 angesteuert.

Jeder Impuls, den der Multivibrator MV1 abgibt, erzeugt mit Hilfe der AOW- Generatoranordnung der Sendekomponente 8 eine Folge von Wortelementen, die in ihrer Dauer und Anzahl im Grundmuster gleich und durch ihre individuelle Kodierung das jeweilige eindeutige Kennungswort ergeben, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Über einen Verstärker A4 mit automatischer Verstärkungsregelung AGC4 gelangt dann das Meßwertsignal mit immanenter Adresse der jeweiligen Sensorstation 5.i über die Sendeantenne AT2 und das Übertragungsmedium zur Abfragestation. Sende- und Empfangsantenne AT1, AT2 können z. B. für Funkübertragung identisch und auch auf dem Chip integriert sein.

Bei hybriden Aufbauten können die AOW-Bauelemente auch auf Litiumniobat - LiNbO₃ -, Litiumtantalat - LiTaO₃ -, Quarz - SiO₂ - Galliumphosphat - GaPO₄ - oder, wie weiter oben bereits erwähnt, auf der Basis von Si hergestellt sein.

Die Fig. 7 und 8 zeigen den Aufbau der Strukturen von AOW-Wandlern 12 und 13, wobei einfache und im wesentlichen regelmäßige Polaritäten aufweisende Wandler 12 nachfolgend als Eingangswandler bezeichnet werden und die kodierbaren, in der Regel mehr Finger besitzenden Wandler 13, als Ausgangswandler bezeichnet werden. Mit diesen Strukturen sind solche AOW-Bauelemente auszubilden, die als Generatoren bzw. Detektoren für Kennungsworte (vgl. Fig. 3) in Empfängerkomponenten 6 und in Senderkomponenten 8 der Sensorstationen 5.i (vgl. Fig. 7 in Verbindung mit Fig. 2 und 6) bzw. in der Senderkomponente 2 und der Empfängerkomponente 3 der Abfragestation 1 (vgl. Fig. 8 in Verbindung mit Fig. 1) eingesetzt werden.

Diese AOW-Eingangswandler 12 und AOW-Ausgangswandler 13 führen je nach ihrem Einsatz in einem Detektor oder einem Generator für Kennungsworte die nachstehend angegebenen Funktionen aus, wobei wegen der Reziprozität der AOW-Strukturen Eingangs- und Ausgangswandler vertauscht werden können:

• - In einem Detektor wird ein AOW- Eingangswandler 12 mit einer Impulsfolge gespeist, die alle individuell kodierten Kennungsworte repräsentieren kann. Die erzeugte AOW trägt diese Kennungsworte zum AOW-Ausgangswandler 13. Dieser prüft mittels seiner im Muster der zugeordneten individuellen Kodierung strukturierten Fingerpaare die Ist- und die Soll-Kodierung auf Übereinstimmung.
• - In einem Generator erzeugt ein AOW-Eingangswandler 12 aus einem einzigen, ihm zugeführten Impuls eine AOW, die noch keine Kodierung eines Kennungswortes enthält. Am AOW-Ausgangswandler 13, dessen Fingerpaare - wie zuvor beschrieben - im Muster der individuellen Kodierung strukturiert sind, wird mittels dieser Fingerpaarstrukturierung eine die Soll- Kodierung aufweisende Impulsfolge, d. h. das jeweilige individuelle Kennungswort erzeugt.

Hieraus ist zu erkennen, daß Strukturen eines AOW-Eingangswandlers 12, unabhängig von dessen Einsatz in einem Detektor oder einem Generator für Kennungsworte, ein gleichmäßiges Muster regelmäßig ineinander greifender Fingerpaare aufweisen. Dies ist so in den Fig. 7 und 8 für Detektoren und Generatoren in Sensorstationen und der Abfragestation erfindungsgemäßer Ausführungsformen angedeutet.

AOW-Ausgangswandler 13 lassen sich hingegen für den Einsatz bei Sensorstationen als fest programmierte Muster - Fig. 7 - und als frei einstellbar für den Einsatz bei der Abfragestation - Fig. 8 - ausbilden.

Zur Ausbildung von AOW-Ausgangswandlern 13 für Sensorstationen wird dazu von einer Konfiguration ausgegangen, in der zwischen zwei Holmen in gleichmäßiger Folge eine Vielzahl von Sprossen ausgebildet ist. Je nach individueller Kodierung wird dann je eine Verbindung einer jeden Sprosse mit dem einen oder dem anderen Holm aufgetrennt. Es entsteht dadurch ein die Kodierung des jeweiligen individuellen Kennungswortes repräsentierendes Muster ineinander greifender Fingerpaare.

Dem Ausgangswandler 13 in der Abfragestation 1 kann ebenfalls diese Holm/Sprossen-Konfiguration zugrundegelegt werden, jedoch mit dem Unterschied, daß die Holm/Sprossen-Verbindungen mit Schaltern ausgerüstet sind und die die Kodierung des jeweiligen individuellen Kennungswortes repräsentierenden Muster mittels der entsprechenden Schalterstellungen definiert werden. Die Schalter selbst können durch elektronische Schaltungen realisiert werden.

Im Zusammenhang mit den vorstehenden Erläuterungen zum Detektor und Generator für Kennungsworte in Sensorstationen zeigt Fig. 9 eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung. Diese besteht darin, für die Empfängerkomponente 6 und für die Senderkomponente 8 nur ein gemeinsames AOW-Bauelement vorzusehen. Ein Schalter SRTI am AOW- Eingangswandler und ein weiterer Schalter SRTO am AOW- Ausgangswandler dieses AOW-Bauelements vertauschen die Betriebsart "Sendemodus" mit der Betriebsart "Empfangsmodus" und umgekehrt. Es sei auch hier erwähnt, daß Eingangs- und Ausgangswandler vertauscht werden können. Die in Fig. 9 nicht dargestellten Einzelheiten einer Sensorstation 5.i sind der Fig. 6 zu entnehmen.

Dies gilt insoweit auch bezüglich Fig. 10, die sich auf eine Weiterbildung der Erfindung bezüglich der Stromversorgung für die aktiven Sensorstationen 5.i bezieht. In der Betriebsart "Empfangsmodus" brauchen nur die elektronischen Schaltungen 10.1 für den Detektor an die Stromversorgungseinheit 9 angeschlossen zu sein. Ein Stand-by-Schalter SSB stellt die Stromversorgungsverbindungen zu allen anderen aktiven elektronischen Bauelementen und Schaltungen in der Sensorstation 5.i erst dann her, wenn die Aktivierung dieser Sensorstation 5.i mittels des identifizierten individuellen Rufsignals erfolgt.

Eine Sensorstation 5.i kann sich für die Dauer der Messung und der Absendung des Meßwertsignals selbsttätig in der Betriebsart "Sendemodus" halten. Dazu kann der Schwellwertschalter SS2 mit einer Zeitschaltung versehen sein, die eine ausreichende, von dem als Mischfrequenz ermittelten Meßwert abhängige Haltezeit bereitstellt. Die Einstellungen einer solchen Haltezeit müssen die Aussendung einer aus mindestens zwei Meßwertsignalen bestehenden Sequenz ermöglichen, in der die Wiederholfrequenz den Meßwert repräsentiert. Eine längere Sendemodusdauer wirkt sich günstig hinsichtlich der Meßgenauigkeit aus, sofern eine statische Messung erfolgt. Bei dynamischen Messungen, z. B. von Konzentrations-, Temperatur-, Druck- oder sonstigen Größen folgt bei großer Sendemodusdauer die gemessene Frequenz den tatsächlichen Meßwertänderungen.

Soll der Sensormodul 7 häufiger, z. B. zyklisch messen, die Sensorstation 5.i jedoch nur selten abgefragt werden, sind festgestellte Meßwerte zwischenzuspeichern. Dazu kann das vom Tiefpaß T abgegebene Signal z. B. über eine zusätzliche Torschaltung ausgekoppelt werden. Über eine Frequenz/Spannungs(F/U)-Umsetzung mit nachfolgender Analog/Digital (A/D)-Wandlung lassen sich die Meßwerte digital in einen Speicher schreiben und bei Anforderung über ein Rufsignal aus lesen und auf dem umgekehrten Weg der zuvor schon beschriebenen Signalverarbeitung zuführen.

Die Abfragestation und die Sensorstationen können bei Ausführungsformen der Erfindung auch mit zusätzlichen Generatoren bzw. Detektoren für kollektive Befehlssignale ausgerüstet sein.

Als kollektive Befehlssignale sind bei Ausführungsformen der Erfindung solche an Sensorstationen zu richtende Rufe zu verstehen, die dort bestimmte Aktivitäten auslösen oder laufende abbrechen sollen. Beispielsweise gehört hierzu, in solchen Sensorstationen, die mit einem Zwischenspeicher für Meßwerte ausgerüstet sind, den Betriebszeitpunkt und/oder die Betriebsdauer der Zwischenspeicherung von der Abfragestation her zu steuern. Als weiteres Beispiel sei im Falle auftretender Störungen des Empfangs und/oder der Auswertung von Meßwertsignalen in allen Sensorstationen der Abbruch oder die zeitweilige Sperrung des "Sendemodus" zu nennen.

In den bisherigen Ausführungen wurde schon mehrfach erwähnt, daß bei der Erfindung die Beherrschung von störenden Temperatureinflüssen einen wichtigen Aspekt darstellt. Die in den Fig. 11 und 12 gezeigten, diesen Aspekt behandelnden Weiterbildungen der Erfindung sehen neben einer Temperaturkompensation oder Temperaturstabilisierung auch eine gleichzeitige Erhöhung der Masseempfindlichkeit der Sensormodule vor.

Bezüglich der Temperaturkompensation besteht die Aufgabe darin, die Verzögerungszeit im AOW-Sensor, d. h. die Zeit zwischen Aussendung der AOW am eingangsseitigen Wandler bis zu ihrem Empfang am ausgangsseitigen Wandler, über einen bestimmten Temperaturbereich konstant zu halten. Das wird durch Materialien mit verschwindendem Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit - TCD - realisiert oder bei Materialien mit nicht verschwindendem TCD durch Aufbringen von Siliziumoxidschichten - SiO₂ - der Dicke von größenordnungsmäßig der halben Wellenlänge der geführten AOW-Mode und häufig zusätzlich erforderlichen massebelastenden Schichten sowie durch Prinzip von Meß- und Referenzarm erreicht.

Die Temperaturkompensation mit SiO₂-Schicht ist in Ausführungsformen der Erfindung sowohl bei Sensormodulen als auch bei Identifizierungseinrichtungen anwendbar. Bei AOW verwendenden Sensoren wird auf diese Weise die Masseempfindlichkeit erhöht. Sei GaAs ist das Temperaturverhalten eines Sensors mit einer optimal eingestellten Kompensationsschicht vergleichbar STX-Quarz, der bekanntermaßen hohe Temperaturstabilität besitzt.

In Verbindung mit den vorstehend erläuterten Maßnahmen aber auch unabhängig von diesen können Weiterbildungen der Erfindungen mit den in Fig. 11 und Fig. 12 dargestellten Ausbildungen temperaturkompensierter AOW-Sensoren aufgebaut sein.

Diese beinhalten insofern Vorteile als die räumliche Trennung von Referenz- und Meßzweig reduziert oder ganz ausgeschaltet werden, wodurch über die gesamte räumliche Ausdehnung eventuell vorhandene Temperaturunterschiede nur noch deutlich verringerte Störeinflüsse zurückbleiben.

Im in Fig. 11 gezeigten Sensormodul 14.1 sind Meß- und Referenzarme doppelt, und zwar als sich paarweise kreuzende, eine gemeinsame massenempfindliche Meßstelle aufweisende Anordnung ausgelegt. Diese Anordnung ermöglicht, zur Meßwertermittlung mehrere, auch unterschiedlich kombinierbare Oszillatorfrequenzen heranzuziehen. Eine überschaubare und realisierbare Lösung besteht darin, die Meßwerte der beiden sich kreuzenden Meß/Referenz-Armpaare unabhängig voneinander zu bestimmen und daraus ein genaueres Meßwertsignal zu bilden.

Bei dieser Anordnung bestehen z. B. auf {100}-Schnitt GaAs für die Wellenausbreitung im Kreuzungsbereich gleiche Ausbreitungsbedingungen, insbesondere auch gleiche Temperaturbedingungen.

Hinsichtlich signalverarbeitender Maßnahmen kann - wie in Fig. 5 dargestellt und dazu weiter oben erläutert - auch ein zweites, durch eine Wiederholfrequenz f_y ∼ 1/At_y repräsentiertes Signal zur Abfragestation übertragen werden. Als solch weiteres Signals kann z. B. auch das in einem Mischer (M1: vgl. Fig. 9) entstehende Summensignal nach Frequenzteilung gebildet werden.

Bei dieser Ausbildung eines Sensormoduls 14.2 gemäß Fig. 12 breiten sich Wandlerpaar 15.1/16.1 bzw. 15.2/16.2 mit den zugehörigen elektronischen Schaltungen 10.2 vorhanden. Eine Mode muß bezüglich der zu messenden Größe sensitiv sein, d. h. die Meßarmmode repräsentieren; die andere Mode ist die Referenzarmmode.

Die dargestellten und beschriebenen Ausführungs- und Weiterbildungsformen der Erfindung befassen sich überwiegend mit den Einzelheiten in der Form, wie sie für eine drahtlose Funkverbindung zwischen Abfragestation und Sensorstationen eingesetzt werden und anzuwenden sind. Modifikationen und Ergänzungen, bei denen wohl im Rahmen der vorliegend vermittelten Lehre zu technischem Handeln auf das Wissen und Können eines Fachmannes zurückgegriffen werden kann, betreffen z. B. die Ausrüstung des Auswertgerätes 4 in der Abfragestation 1 (vgl. Fig. 1), die Ausbildung und Ausrüstung der Abfragestation 1 und der Sensorstationen 5.i an deren Schnittstellen zum Übertragungsmedium 11 für drahtgebundene oder über Lichtwellenleiter führende Signalübermittlung (siehe z. B. Schaltung 10.5 in Fig. 6) oder bei den mit AOW-Bauelementen ausgebildeten Identifizierungseinrichtungen, wenn diese für zwei oder mehrere voneinander getrennte Hochfrequenzkanäle im gemeinsamen Übertragungsmedium ausgelegt sein sollen.

Die vorteilhaften Eigenschaften von AOW verwendenden Bauelementen - extrem hohe Sensitivität, universelle Einsetzbarkeit, kleine Chipabmessungen, Planartechnologie für deren Herstellung, frequenzanaloges Ausgangssignal, breiter Frequenz- und Dynamikbereich - werden sowohl bei den Sensormodulen als auch bei den Identifizierungseinrichtungen in Verbindung mit der Art der Kodierung und der Verarbeitung der zum Informationsverkehr zwischen Abfragestation und Sensorstationen benötigten Signale nach der technischen Lehre der Erfindung effektiv und effizient genutzt.

Claims (13)

1. Fernmeßsystem, in dem einer zentralen Abfragestation eine größere Anzahl räumlich verteilter Sensorstationen zugeordnet ist, die selektiv aktivierbar und deren Meßvorrichtungen und Signalverarbeitungsanordnungen mit akustische Oberflächenwellen - AOW - verwendenden Bauelementen und elektronischen Schaltungen ausgerüstet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Abfragestation (1) und den Sensorstationen (5.i; i=1, . . . ,n) bidirektional über ein gemeinsames Übertragungsmedium (11) zu übermittelnde Informationen aus Signalfolgen bestehen, in denen individuell kodierte Kennungsworte gleicher Dauer und gleicher Anzahl von Wortelementen ein Grundmuster bilden und Wiederholfrequenzen identisch kodierter Grundmuster für Meßwerte spezifische Informationen darstellen, und in den Sensorstationen (5.i) enthaltene Identifizierungseinrichtungen baugleich vorgefertigt und jeweils fest programmiert auf individuell kodierte Kennungsworte ausgebildet und als Detektoren für zu empfangende wie auch als Generatoren für mit unterschiedlichen Wiederholfrequenzen auszusendende Grundmuster eingesetzt sind.

2. Fernmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abfragestation (1) als AOW-Bauelemente ausgebildete Identifizierungseinrichtungen enthalten sind, deren Ausbildung im wesentlichen der in einer Sensorstation (5.i) gleicht, jedoch frei auf jeweils individuell kodierte Kennungsworte einstellbar und als Generator für auszusendende wie auch als Detektor für zu empfangende und bezüglich individueller Kodierung und spezifischer Wiederholfrequenz auszuwertende Kennungsworte eingesetzt sind.

3. Fernmeßsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfragestation (1) mit zusätzlichen Generatoren und die Sensorstationen (5.i) mit zusätzlichen Detektoren für kollektive Befehlssignale ausgerüstet sind.

4. Fernmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Identifizierungseinrichtungen mit deren Betriebsarten "Sendemodus/Empfangsmodus" vertauschenden Schaltern (SRTI, SRTO) ausgerüstet sind.

5. Fernmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Abfragestation (1) und in den Sensorstationen (5.i) enthaltenen, als AOW-Bauelemente ausgebildeten Identifizierungseinrichtungen für zwei oder mehrere voneinander getrennte Hochfrequenzkanäle im gemeinsamen Übertragungsmedium ausgelegt sind.

6. Fernmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtwellenleiter das gemeinsame Übertragungsmedium darstellt.

7. Fernmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die AOW-Bauelemente und die elektronischen Schaltungen monolithisch integriert sind.

8. Fernmeßsystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Galliumarsenid - GaAs - als Substratmaterial.

9. Fernmeßsystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Silizium - Si - als Substratmaterial mit piezoelektrischen Schichten im Bereich von AOW-Bauelementestrukturen.

10. Fernmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die AOW-Bauelemente in den Sensorstationen (5.i) temperaturkompensiert ausgebildet sind.

11. Fernmeßsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtungen mit sich paarweise kreuzenden Referenz- und Meßarmen ausgebildet sind.

12. Fernmeßsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtungen mit benachbarten, unterschiedliche und unterschiedlich masseempfindliche AOW-Moden führenden planaren Schichten ausgebildet sind.

13. Fernmeßsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtungen mit einem auch die Masse-Empfindlichkeit erhöhenden Schichtsystem aus Siliziumdioxid - SiO₂ - mit einer Dicke im Bereich der halben Wellenlänge der geführten AOW-Mode und einem Film aus Gold - Au - versehen sind.