專利名稱：具有至少一個saw元件的測量值記錄器的制作方法
具有至少一個SAW元件的測量值記錄器本發(fā)明涉及一種具有至少一個SAW元件作為傳感器和/或識別 單元的測量值記錄器，具有一個基本上形成同軸導體的外殼部件，所 述SAW元件無接觸地被組裝在這個外殼部件中，并且所述外殼部件 與連接電纜的屏蔽革相連接，其信號導體在SAW元件的表面耦合結 構的上方無接觸地、至少近似位于中央地走向，并用于同軸導體內的 電磁場與SAW元件的近場耦合。所述類型的測量值記錄器在原理上例如由AT5.042U2已知，并 提供了這樣的優(yōu)點即部分非常廣泛的傳感器相關數據的存儲可以從 與傳感器非常鄰近的區(qū)域(在該區(qū)域經常出現高溫、振動以及干擾) 轉移出來，其中在傳感器內或者在傳感器本身上只保留了一個識別單 元，該識別單元具有利用傳感器相關數據的存儲單元可校正的傳感器 識別信號，該傳感器識別信號只有很少的識別數據。這種很少的、從 而可存儲在相對于嚴酷的環(huán)境條件不那么危險的簡單元件內的識別 數據(例如簡單的二進制代碼)保持物理特性固定地與傳感器相連， 而其余傳感器相關數據(如敏感度曲線、校準數據等)位于轉移出的 存儲器單元中，其中為了確保存儲器單元與傳感器的相關性，只需要 針對相關性對簡單的傳感器識別信號進行檢驗。從所提到的AT5.042U2中也要求保護的傳感器上的識別單元的 不同的簡單構造可以看出，它們同樣可以像說明書開始處所描述的那 樣用已知的SAW元件來實現。采用表面聲波元件(surface acoustic wave, SAW)作為傳感器和/或識別標記(ID標記)是長久以來就已 知的。近來的研究(例如Bruckner等，Proc. 2003 IEEE Freq. Contr. Symp.，第942頁)已經表明，這種類型的系統(tǒng)特別適合于作為ID標 記和/或在已有技術系統(tǒng)中用來監(jiān)控物理或化學參數。特別具有優(yōu)點的
是，這種類型的系統(tǒng)能夠完全無源地工作，即在ID標記或傳感器的 范圍內不需要例如電池這樣的能量供應。此外，SAW元件在熱特性 及機械特性方面是很牢固的，能夠被高度小型化，并在形狀和設計方 面能夠適配于特殊的應用。在已知現有技術的許多公開文獻中，SAW元件以電流連接方式 或者利用對于相應的應用特別有利的天線通過電磁遠場耦合與發(fā)送/ 接收部件相耦合。同樣，例如由EP0827105和EP0502079已知在SAW 元件的表面結構中集成了 (變壓器)耦合環(huán)路，并通過電感式近場耦 合實現了能量和信號傳輸。在這里發(fā)送/接收天線表現為對準被構造為 環(huán)形的集成天線而設計和調節(jié)的導體環(huán)。這種已知的技術方案對于許 多技術應用來說已經足夠了，并且是具有優(yōu)點的。但是，已知耦合方 法還不能很好地適用于在閉合系統(tǒng)中裝配SAW元件，例如用于注模 工具或者內燃機中的汽缸內壓力測量的壓力傳感器，尤其是當它們的 結構非常緊湊時。將SAW元件集成到這種客體系統(tǒng)中，例如用作(無 源)ID標記和/或用于監(jiān)控物理參數(例如溫度、磁場強度等)和/或 化學參數(例如大氣成分、熱分解產物等)，表現出相當可觀的(潛 在)價值。所有這類應用的共同點在于，SAW系統(tǒng)表現為對現有系統(tǒng)的補 充。這意味著，由發(fā)送/接收單元及其自身的SAW元件所組成的SAW 總體系統(tǒng)通常是可以集成的，而不會改變要識別和/或監(jiān)控的客體系統(tǒng) 的例如電氣特性或者裝配技術結構特性。在許多情況下，如果不是以不允許的方式來影響客體系統(tǒng)自身的 有效信號，則通過電流連接、即通過與SAW元件之間有直接電接觸 的電纜實現的耦合是不能實現的。此外，在緊湊系統(tǒng)的情況下，電流 耦合往往只能以很高的開銷在生產或組裝時實現，和/或例如具有彈性 支撐的壓力觸點的系統(tǒng)尤其是在較長的時間間隔內對于例如很高的 和/或交變的溫度、機械震動等的容忍度是很有限的。通過電磁遠場耦實現的耦合通常需要大量結構上的改變，因為 必須集成相對較大的外部天線，在發(fā)送器/接收器和SAW元件之間需
要有開放的無線電間隙，這例如在金屬結構中設置得較深的傳感器的 情況下往往是不能保證的。此外，在應用這類結構時，工作頻率被限制到ISM頻帶上(在各國之間是不同的)，從而限制了最大可用發(fā)送 效率。第三種在文獻中已知的耦合方法，即通過兩個套合的環(huán)之間的 (電感式近場耦合)來實現，同樣不適用于實際應用。采用這種結構 盡管對有效信號的負面影響很小，甚至沒有負面影響，且不需要外部 天線或較長的開放無線電空間，但是對于內部耦合天線有額外的空間 需求，并且需要SAW元件與耦合線圏之間精確地相對對準，帶來了 結構上的改變，即使這種改變是完全能夠實現并且是允許的，但開銷 很大并且非常昂貴?？偟膩碚f，這些限制在一 系列應用中妨礙了例如對于識別或監(jiān)控 任務實際應用SAW元件。這里本發(fā)明將會提供幫助。許多測量值記錄器的原理結構類似于例如在開始時所述的 Bruckner等人的公開文獻中說明的類型(同時也在"Sensor 2003 Proceedings，，第470頁的圖8中示出)(參見圖1中所示的開始所述 類型的現有技術)。這個有源元件11通過一根同軸電纜的中央導體 12與控制或讀取單元相連。從實物上可以看到，這里傳感器外殼10 形成了帶有相應電磁場分布的同軸導體13。從而在最好由高頻同軸電 纜供電的外殼10中可以無接觸地安裝一個或多個SAW元件20，并 通過帶有SAW元件的同軸導體中電磁場的電磁近場耦合實現了對 SAW元件的供能，并傳輸回在SAW元件中生成的信號，對于具體應用情況而言，這種結構與其它已知系統(tǒng)相比具有一系 列優(yōu)點。信號的耦入通過客體系統(tǒng)的同軸電纜來實現，從而可以避免 在其他情況下所需的對客體系統(tǒng)全面的結構改變。這種耦合無接觸地 實現，從而可以有效地避免客體系統(tǒng)有效信號的失真。由于電磁場是 在電磁閉合的空間內生成的，因此能夠并允許采用可自由選擇的頻率 或頻率范圍，這對于SAW元件而言是特別有利的，同時也不會影響 客體系統(tǒng)的功能。其中發(fā)送效率可以廣泛地任意適配于該系統(tǒng)。最后， 可以通過簡單的方式實現客體系統(tǒng)中的組裝，因為在客體系統(tǒng)中不必 形成附加的導電連接，對精確對準的要求也相對較低。但開始所述類型的已知測量值記錄器的缺點在于，集成在saw 元件上的耦合結構的耦入效率相對較低，使得信號質量往往不足以在 不利的環(huán)境條件下以及在較長的時間間隔內確保可靠的識別和測量 數據傳輸。測量方法的規(guī)定功能的一個關鍵因素是對saw元件上的耦合天線的設計。在saw上具有集成耦合結構的已知系統(tǒng)可選地被^:計為如圖3所示的電容式耦合，或者被設計為變壓器(電感式)耦合。例 如在前面已提到的EP0827105中所描述的環(huán)繞的耦入環(huán)路并不適用 于實際的應用情況，因為在同軸導體中的圓形B場增大了感生電壓。 在圖2所示的解決方案中， 一個閉合耦入環(huán)路211被設置到中央導體 的一側，這在原理上是能夠實現其功能的，但其耦入效率對于實際應 用來說是不夠的。同樣的限制也適用于圖3所示的電容式耦入結構。因此，本發(fā)明的任務在于形成一種開始所述類型的測量值記錄 器，以避免所提到的缺點，并且尤其是通過簡單的手段以及在所述的 有限空間條件下能夠提高耦入效率，從而改善信號質量。根據本發(fā)明，該任務在開始所述類型的測量值記錄器的情況下通 過以下方式來解決saw元件的耦合結構具有設置在信號導體兩側 的附加耦合的子結構。下面借助附圖和所屬
詳細描述本發(fā)明 所述實施方式的其他特征和相應優(yōu)點。正如已經提到的，圖l示出了 一種根據現有技術的測量值記錄器的原理結構，圖2和圖3簡要示出 了帶有集成的耦合結構的saw元件，其可以在圖1所示的測量值記 錄器中使用。圖4和圖5簡要示出了根據本發(fā)明的測量值記錄器的與 圖2和圖3相對應的細節(jié)。為了提高同軸電纜的電磁場與saw元件之間的(主要的)電感 式耦合的耦入效率，根據圖4，建議把交互數字轉換器(IDT) 22、 以及反射器23、 25、 26、延遲導線24等設置在兩個獨立的、交叉設
置的環(huán)形耦合結構213之間。通過兩個方向相反的線圏中的隔離，可 以實現感生電流的增加，從而提高SAW元件中的能量耦入并改善信 號質量。另外一種對于特定應用情況特別適用的耦入環(huán)路結構是針對從 基本上為圓形的磁場和基本上為放射狀的電場組合地耦入能量的情 況。這種多功能性具有特別重要的意義，因為在許多客體系統(tǒng)中不能 保證為SAW元件的工作頻率范圍而設計的導線鏈的電氣隔絕。從而 在同軸導體中出現了不可控制的不均勻場，例如能量空鼓和能量結的 形式。因此，能夠有效耦入兩個分量的SAW表面結構是特別具有優(yōu) 點的。這類結構在圖5中示例性地示出。該結構是相對于中央導體12 非對稱的，并保證最優(yōu)地利用了電感和電容式耦合。SAW元件的結構在物理上表現為RLC振蕩回路。為了將電磁激 勵能量有效轉換成聲學表面波，有重要意義的是，使RLC回路的振 蕩特性匹配于SAW元件的工作頻率和材料特性(諧振工作)。這通 常是通過用外接電感或電容對振蕩回路的L和C網絡進行匹配來實現 的，如在DE19851002中所述。這與小型化的要求是相矛盾的，此夕卜， 用外部的分立組件不能實現適用于高溫、例如直至400。C的SAW元 件.對于這種應用，已知可通過適當設計SAW元件上的結構對電感 和電容特性進行匹配。例如改變微帶印刷線路的結構長度或寬度(影 響電感分量，即L分量)，包括形成蛇曲形的結構，以及改變微帶印 刷線路之間的距離(影響電容分量，即C分量)。由于對于實際應用來說SAW元件的尺寸通常通過客體系統(tǒng)的空 間設定而受到限制，這類匹配只能在相當有限的范圍內實現，蛇曲形 結構或與之相當的占據空間的設計通常是不能(有意義地)實現的， 并且印刷線路的長度或距離的改變由于SAW元件的幾何尺寸而受到 限制。根據本發(fā)明的一種具有優(yōu)點的實施方式，建議通過對有效歐姆 阻抗部件R的匹配來優(yōu)化耦合電路。這種匹配最好通過對印刷線路的 橫截面進行匹配來實現，其中為了考慮到空間限制，這種橫截面改變 尤其具有優(yōu)點的是通過以部分或分段方式改變印刷線路的層厚度來實現。另外一種對于帶有集成在表面結構中的電磁耦入結構的SAW元 件的功能來說非常重要的措施是使主要作為天線來考慮的耦入結構 的發(fā)射阻抗匹配于同軸導體的波阻抗。這可以借助特別簡單和有利的 方式通過本發(fā)明所述的對表面結構或部分表面結構的層厚度進行匹 配來實現。例如，基于圖5所示的結構，通過適當改變(部分)印刷 線路的層厚度(但并不是梳形結構，即交互數字轉換器和反射器等的 結構)，可以使信號強度提高一個數量級。為此，將由導電材料、例 如純鋁構成的一個或多個層敷設到一個由多種材料構成的、通常作為 層系統(tǒng)的基層上。典型地，這種附加層的敷設相應使SAW元件上的 表面結構的層厚度提高了 2-10倍。另一種具有優(yōu)點的形成本發(fā)明所述SAW表面結構的方式包括集 成用于熱電荷的導出環(huán)路。熱電效應是SAW元件在高溫應用情況下 的常見問題。多種可用的、適合于高溫SAW應用的、帶有良好耦合 特性的材料具有熱點特性，其中通過沿著SAW元件的溫度梯度可能 在表面上形成電荷。由此出現的電壓可能達到直至kV/cm的范圍。當 通過火花放電突然放電時，所貯存的能量足以破壞例如交互數字轉換 器或反射器的表面結構，從而SAW元件造成不可修復的損害。為了 避免這種電荷加載，有意義的是同一個或多個導出環(huán)路來圍繞該結 構。在結構高度緊湊的SAW元件中，有意義的是將這種導出環(huán)路集 成到對于SAW元件的工作所需的結構中。該結構同時作為用于SAW 元件的高頻工作狀態(tài)的LC振蕩回路，以及用于熱電荷移動的均衡電 流的短路環(huán)路。SAW元件上的觸點(例如在組裝之前進行功能檢驗時需要這些 觸點)同樣可以具有優(yōu)點地集成到用于場耦入的結構中。綜上所述，在無接觸的近場耦合、振蕩特性的匹配、以及對結構 進行保護以免由于熱電荷造成的損害等方面，對于迄今為止未解決 的、明顯限制了應用可能性的問題來說，所描述的用于應用到SAW 元件上的表面結構是一種非常好的適用技術方案。
權利要求
1.一種具有至少一個SAW元件(20)作為傳感器和/或識別單元的測量值記錄器，具有基本上形成一個同軸導體的外殼部件(10)，所述SAW元件(20)無接觸地被組裝在所述外殼部件中，并且所述外殼部件與連接電纜的屏蔽罩(13)相連接，其信號導體(12)在SAW元件(20)的表面耦合結構(213，214)的上方無接觸地、至少近似位于中央地走向，并用于同軸導體內的電磁場與SAW元件(20)的近場耦合，其特征在于，SAW元件(20)的耦合結構(213，214)具有設置在信號導體(12)兩側的附加耦合的子結構。
2. 如權利要求1所述的測量值記錄器，其特征在于，SAW元 件(20)的有源組件，如交互數字轉換器(22)、反射器(23， 25， 26)、延遲導線(24)等，被設置在耦合結構(213)的兩個基本上 相對于信號導體(12)鏡像對稱的、獨立的、交叉設置的環(huán)形子結構 之間。
3. 如權利要求1所述的測量值記錄器，其特征在于，為了從主 要為圓形的磁場和主要為放射狀的電場組合地耦合能量，在信號導體(12)的一側上設置了主要為電感式耦合的天線結構，而在另一側上 設置了主要為電容式耦合的天線結構，作為耦合結構(214)的子結 構。
4. 如權利要求1至3中任一項所述的測量值記錄器，其特征在 于，所述子結構(213， 214)通過至少一個印刷線路在周邊區(qū)域內至 少大部分地包圍所述SAW元件(20)，并作為集成的用于熱電荷的 導出環(huán)路。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的測量值記錄器，其特征在 于，為了匹配于工作頻率和/或材料特性和/或有效歐姆阻抗部件的發(fā) 送阻抗，可通過對耦合結構(213， 214)的印刷線路的橫截面進行匹 配來改變，最好是通過至少部分改變所敷設的印刷線路的層厚度來實 現。
6.如權利要求1至5中任一項所述的測量值記錄器，其特征在 于，SAW元件(20)的耦合結構(213， 214)具有用于功能檢驗設 備等的附加觸點。
全文摘要
一種具有至少一個SAW元件(20)作為傳感器和識別單元的測量值記錄器，該SAW元件(20)無接觸地被組裝在基本上形成一個同軸導體的外殼部件(10)中。所述外殼部件(10)與連接電纜的屏蔽罩(13)相連接，其信號導體在SAW元件(20)的表面耦合結構的上方無接觸地走向。為了改善近場耦合，SAW元件(20)的耦合結構具有設置在信號導體(12)兩側的附加耦合的子結構，所述子結構最好通過至少一個印刷線路在周邊區(qū)域內至少大部分地包圍所述SAW元件(20)，并作為用于熱電荷的集成導出環(huán)路。
文檔編號G06K19/067GK101164073SQ200680013120
公開日2008年4月16日 申請日期2006年4月20日 優(yōu)先權日2005年4月21日
發(fā)明者亞力山大·弗里德爾, 倫哈德·米查爾·萊茵德爾, 古德朗·布魯克恩爾, 羅伯特·斯特米薩克, 羅伯特·豪瑟爾 申請人:Avl里斯脫有限公司