JP4026849B2 - 無線問合せ可能な表面波テクノロジーセンサ - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は、無線問合せ可能なパッシブセンサに関する。
本発明に関連した複数のセンサと結び付けられた表面波装置は、例えばＷＯ ９３/１３４９５，ＷＯ/ＣＨ９３/００２５２，ＵＳＡ−３２７３１４６，ＵＳＡ−４７２５８４１，ＵＳＡ−４６２０１９１等の公知文献から公知である。
前述の公知文献には、様々な種類の表面波装置の構成様式と作動形態が記載されている。これらの全てに共通していることは、インターデジタル変換器を用いて電気信号から圧電基板上で表面波が形成されることである。この表面波は通常の場合は実質的に基板表面にて、変換器電極のインターデジタルアラインメント方向に対して垂直方向に伝播される。第２のインターデジタル変換器を用いれば（これは既に前述したような二重機能モードを備えた変換器であってもよい）、表面波から特徴的に変化する高周波信号を取り戻すことが可能である。従来技術でも開示されているように、そのような表面波装置は、例えば反射器構造やその他の変換器構造等さらなる構造形態を含むことが可能である。例えばこれにはフィンガータイプの反射/変換器からなる分散装置、エンコーダ装置等があげられる。
本発明の主な観点とテーマは、高周波遠隔送信機から高周波信号、例えばバーストパルス、ＦＭ−ＣＷ信号、チャープパルス等が送信される形式の無線問合せ可能なパッシブセンサ、つまり（ＤＣ）給電の必要のない表面波テクノロジーセンサである。
センサ部分の表面波構成部、すなわち入力変換器構造部は、それに対して送信パルス受信のためのアンテナを装備している。相応のアンテナ（これは表面波装置構成部の第２の変換器構造部と接続されるか又は既述したように二重機能を備えた変換器構造部の同じアンテナであってもよい）は、表面波装置構成部にパルス応答信号を返信するために用いられる。この応答信号は遠隔受信機によって受信される。この返信されたパルス応答信号は、通常は表面波装置構成部によって受信された信号とは異なっており、詳細には検出すべき電流強度測定値に相応しており、実際には表面波装置構成部に対する相応の物理作用による。
無線問合せ可能な表面波装置構成は例えば有料道路や有料トンネル等の料金システムに用いられる。しかしながらこのような所では、対象識別のためのパルス応答信号の予めプログラミングされた個々のコードの検出が問題となる。また測定技術分野においても無線問合せ可能な表面波装置構成が利用されており、この場合は大抵は遅延線路として構築されて、測定が次のような測定の目的のために行われている。すなわち検出すべき測定量が表面波装置構成において音響波の伝播時間の変化を引き起こすような測定の目的のために行われている。この伝播時間の遅延は基板における電界（これは表面波の伝播方向を横切るように配向される）の１つに起因する。これは例えば基板の相応の部分領域における圧電効果によって伝播時間の遅延を引き起こす（ＥＰ０１６６０６５）。また例えば波動の伝搬時間の変化を用いた温度センサが公知である（ＥＰ０４６５０２９）。表面波装置構成部の基板表面に設けられた有機層の抵抗変化を利用する装置構成は、例えば素性識別もしくは定量的測定が行なわれる化学物質を用いたこの層の表面負荷の測定には適している（Electronics Letters,Vol.23（1987）No.9 pp.446/447）
。また次のような関連のある圧力計も公知である。すなわち表面波装置構成部の基板材料において圧力に依存して変化する構成体の機械的な特性、例えば撓み特性などが音響波の電波時間の変化に作用して測定値の検出のために利用できる圧力計も公知である（Proceedings IEEE,Vol.64,（1976）pp.754-6）。しかしながらこの装置構成においては無線による遠隔操作式の問合せが行われていない。
本発明の課題は、無線問合せや遠隔問合せが可能な新たな構成の、表面波を用いたセンサ装置を提供することである。
上記課題は本発明により、表面波構成部及びアンテナを備えた表面波装置構成部と、センサ部としての感応形インピーダンス素子と、無線アンテナ及び電子評価装置を備えた無線周波数送受信器を有しており、前記インピーダンス素子は、前記センサ部を用いて検出すべき作用の下にさらされており、前記インピーダンス素子は少なくとも１つの表面波構造部と電気的に接続されており、前記送信器は、問合せパルスの無線送信のために構成されており、評価装置を備えた受信器は、無線受信のためと、表面波装置構成部のパルス応答における、インピーダンス素子への作用によって影響を受けた変化の定性的／定量的評価のために構成されており、さらに２つの反射器構造部が設けられており、該反射器構造部によって基板表面上を伝播する音響波が再びフィードバック反射され、それによって当該反射器が共振器ミラーのように作用するように構成されて解決される。
前記インピーダンス素子はリアクタンス素子（例えば磁界に依存する素子）であってもよい。これは表面波装置構成部の少なくとも１つの表面波構造部と電気的に接続されている。このインピーダンス素子は、その電気的なインピーダンス特性が、センサを用いて検出される作用に依存して変化されるように適合化されていなければならない。
実施例
次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。
図１、図２、図３は、それぞれインピーダンス素子が接続されている、本発明によるセンサのための表面波装置構成部の種々の実施形態を示した図である。
図１〜図３に示されている実施形態では各表面波装置構成部２１が非常に簡単な構成しか有していないが、実質的に本発明のもとで使用される表面波装置構成部の作用の説明には十分である。符号２２では表面波装置構成部２１の公知形式の圧電体が示されている。この圧電体２２の表面には集積化された変換器構造部２３が公知形式で配設されている。符号２４で２つのダイポール半部からなるアンテナが示されている。しかしながらこのアンテナはその他のアンテナ構造、例えばパッチアンテナ、ループアンテナ等の形態で設けられていてもよい。高周波問合せ信号３０はこのアンテナ２４によって受信され、２つのダイポール半部の間で生じる高周波電圧が変換器２３の２つのインターデジタルフィンガー構造部に印加される。入力変換器としての変換器２３によって形成される表面波２５は、基板２２表面を伝播する。そのような表面波は符号２５で概略的に示されている。この表面波はその経路において、反射器としてのフィンガー構成部に基づき表面波２５に対して有効である構造部２６の作用領域にも達する。しかしながらこの構造部２６もインターデジタルフィンガー構造部として実施され、その２つのインターデジタル構造においては図からも明らかなようにインピーダンス素子１２が電気的に接続されているので、前記構造部２６においては音響的表面波が付加的に高周波電圧も生起させる。これに対して素子１２は電気的な終端抵抗として有効である。素子１２の電気抵抗に依存して作用の振幅も変化するので、構造部２６の電気的な（複素的）終端抵抗の変化が引き起こされる。この場合影響も生じる。これは極端なケースでは非常に高抵抗な終端抵抗とほぼ短絡状の終端抵抗との間で異なって生じ、振幅に依存する。前記素子１２の電気値の良好な選定値によっては、素子１２から作用を受ける終端抵抗の有利な測定レンジがそれぞれ設定可能である。パルス応答信号は符号３１で示されている。
換言すれば、前記素子１２は電気的な終端インピーダンスであり、ここでは本発明の新たな特徴をなしている。
変換器の既知のＰ−マトリックス表示においては、この変換器の反射が以下に示す電気的終端の関数として表される。：

この場合前記前記Ｐ₁₁（ＳＣ）は短絡−反射係数、前記Ｐ₁₃は電気音響変換、前記Ｐ₃₃は変換器アドミタンス、前記Ｙ_Lastは終端アドミタンスである。
有利には、装置をその他の電磁障害から保護するために、狭帯域のアンテナが設けられる。
図１には基板プレート２２と該プレート上に設けられた表面波構造部とを備えた表面波装置構成部が示されている。符号２３で入／出力変換器が示されている。この変換器には無線受信と無線応答のためのアンテナ２４のダイポール半部が接続されている。インピーダンス素子１２に接続され表面波反射器として用いられる変換器２６は、プレート２２上で変換器２３の片側に配設されている。
それに対してプレート２２表面の他方の側には図１に示されているように例えば２つの基準反射器２２６／及び３２６が設けられている。これらは、センサ素子１２による作用の測定の他にも付加的に送受信器とセンサ素子１２との間の間隔と、センサ素子の温度を検出するのにも用いられる。例えば表面波構成部と、送受信ステーションとして構成されたその部分との間の距離を常時変化させてもよい。この場合距離測定と温度測定は、本来のセンサ素子１２がプレート２２上に設けられているか又はこれに対して所定の僅かな間隔をおいて位置付けされていることを前提とする。距離（変化）とセンサ素子温度の検出によって例えば信号処理におけるセンサ信号の周知の横感度が消去可能である。
本発明に適したさらなる表面波装置構成部は図２と図３に示されている。図２にはモード結合された変換器を備えた装置構成部が示されている。符号７１及び７１′で示されている基板プレート２２上の変換器はアンテナ２４のダイポール半部を有する入出力変換器である。変換器７２も表面波構造部である。これは変換器７１、７１′とモード結合されている。このモード結合された変換器７２は、インピーダンス素子１２と接続され、その終端インピーダンスの変化、例えば磁界中の素子１２の変化は前述したような実施例のもとで評価される測定量である。
図３は表面波共振装置構成部が示されている。この構成部には基板２２上に入出力変換器２３、２３′と前述のようにインピーダンス素子と接続されている変換器２６が含まれている。符号１２３、１２３′で反射器構造部が示されている。そこでは基板表面上を伝播する音響波がフィードバック反射され、そのためこの反射器は共振器のミラーのように有効である。
表面構造部の応答特性に働くセンサ素子１２の作用は、パルス応答信号の変化としてその絶対値及び/又は位相において、問合せ信号毎に測定可能である。
本発明によるセンサの較正/計測は、定量的測定のなされるセンサ／測定装置の較正に対して種々適用されているように公知の形式で行われる。
表面波装置構成部は、付加的な表面波チップとしてインピーダンス結合されるセンサ１２にハイブリッドに集積化されてもよい。このセンサ１２は例えば比較的大きな支持基板上に配設される抵抗素子であってもよい。この基板上にはその他にもさらにもう１つの例えば酸化亜鉛からなる圧電層が表面波装置構成部に対する基板層２２として被着される。このセンサ素子は、例えばシリコン基板上の半導体構成部であってもよい。
前記インピーダンス１２としては抵抗性、容量性又は誘導性の抵抗が単独で用いられるかもしくは組み合わされて用いられてもよい。例えば、ホトレジスタ、磁気抵抗素子、温度依存性の抵抗、カーボンマイクロホン等か及び/又は容量性ダイオード、容量性位置センサ/距離センサ、湿度センサ、コイル等の誘導性素子、距離検出器/位置発生器等である。

Claims (10)

1. 表面波構成部（２３，２６）及びアンテナ（２４）を備えた表面波装置構成部（２１）と、
   センサ部としての感応形インピーダンス素子（１２）と、
   無線アンテナ及び電子評価装置を備えた無線周波数（３０，３１）送受信器を有しており、
   前記インピーダンス素子（１２）は、前記センサ部を用いて検出すべき作用の下にさらされており、前記インピーダンス素子（１２）は少なくとも１つの表面波構造部（２６）と電気的に接続されており、
   前記送信器は、問合せパルス（３０）の無線送信のために構成されており、
   評価装置を備えた受信器は、無線受信のためと、表面波装置構成部のパルス応答（３１）における、インピーダンス素子への作用によって影響を受けた変化の定性的／定量的評価のために構成されており、
   さらに２つの反射器構造部（１２３、１２３′）が設けられており、該反射器構造部（１２３，１２３′）によって基板表面上を伝播する音響波が再びフィードバック反射され、それによって当該反射器が共振器ミラーのように作用することを特徴とするセンサ装置。
2. 表面波構成部（２３，２６）及びアンテナ（２４）を備えた表面波装置構成部（２１）と、
   センサ部としての感応形インピーダンス素子（１２）と、
   無線アンテナ及び電子評価装置を備えた無線周波数（３０，３１）送受信器を有しており、
   前記インピーダンス素子（１２）は、前記センサ部を用いて検出すべき作用の下にさらされており、前記インピーダンス素子（１２）は少なくとも１つの表面波構造部（２６）と電気的に接続されており、
   前記送信器は、問合せパルス（３０）の無線送信のために構成されており、
   評価装置を備えた受信器は、無線受信のためと、表面波装置構成部のパルス応答（３１）における、インピーダンス素子への作用によって影響を受けた変化の定性的／定量的評価のために構成されており、
   さらに２つの基準反射器（２２６，３２６）が設けられており、該基準反射器（２２６，３２６）は、センサ素子（１２）による作用の測定の他に付加的に送受信器とセンサ素子（１２）との間の間隔と、センサ素子の温度を検出するのに用いられることを特徴とするセンサ装置。
3. 前記感応形インピーダンス素子は抵抗性素子である、請求項１または２記載のセンサ装置。
4. 前記抵抗性素子は、磁気抵抗素子である、請求項３記載のセンサ装置。
5. 前記抵抗性素子は、ホトレジスタである、請求項３記載のセンサ装置。
6. 前記感応形インピーダンス素子は、キャパシタンスダイオードである、請求項１または２記載のセンサ装置。
7. 前記感応形インピーダンス素子は、磁界内に配設されるコイルである、請求項１または２記載のセンサ装置。
8. 前記表面波装置構成部（２１）は、表面波−共振器フィルタである、請求項１から６いずれか１項記載のセンサ装置。
9. 前記表面波装置構成部（２１）は、遅延線路である、請求項１から６いずれか１項記載のセンサ装置。
10. 前記表面波装置構成部（２１）は、モード結合装置である、請求項１から６いずれか１項記載のセンサ装置。

Images