CN101164073A - 具有至少一个saw元件的测量值记录器 - Google Patents

Abstract

一种具有至少一个SAW元件(20)作为传感器和识别单元的测量值记录器，该SAW元件(20)无接触地被组装在基本上形成一个同轴导体的外壳部件(10)中。所述外壳部件(10)与连接电缆的屏蔽罩(13)相连接，其信号导体在SAW元件(20)的表面耦合结构的上方无接触地走向。为了改善近场耦合，SAW元件(20)的耦合结构具有设置在信号导体(12)两侧的附加耦合的子结构，所述子结构最好通过至少一个印刷线路在周边区域内至少大部分地包围所述SAW元件(20)，并作为用于热电荷的集成导出环路。

Description

具有至少一个SAW元件的测量值记录器

本发明涉及一种具有至少一个SAW元件作为传感器和/或识别单元的测量值记录器，具有一个基本上形成同轴导体的外壳部件，所述SAW元件无接触地被组装在这个外壳部件中，并且所述外壳部件与连接电缆的屏蔽罩相连接，其信号导体在SAW元件的表面耦合结构的上方无接触地、至少近似位于中央地走向，并用于同轴导体内的电磁场与SAW元件的近场耦合。

所述类型的测量值记录器在原理上例如由AT5.042U2已知，并提供了这样的优点：即部分非常广泛的传感器相关数据的存储可以从与传感器非常邻近的区域(在该区域经常出现高温、振动以及干扰)转移出来，其中在传感器内或者在传感器本身上只保留了一个识别单元，该识别单元具有利用传感器相关数据的存储单元可校正的传感器识别信号，该传感器识别信号只有很少的识别数据。这种很少的、从而可存储在相对于严酷的环境条件不那么危险的简单元件内的识别数据(例如简单的二进制代码)保持物理特性固定地与传感器相连，而其余传感器相关数据(如敏感度曲线、校准数据等)位于转移出的存储器单元中，其中为了确保存储器单元与传感器的相关性，只需要针对相关性对简单的传感器识别信号进行检验。

从所提到的AT5.042U2中也要求保护的传感器上的识别单元的不同的简单构造可以看出，它们同样可以像说明书开始处所描述的那样用已知的SAW元件来实现。采用表面声波元件(surface acousticwave，SAW)作为传感器和/或识别标记(ID标记)是长久以来就已知的。近来的研究(例如Bruckner等，Proc.2003 IEEE Freq.Contr.Symp.，第942页)已经表明，这种类型的系统特别适合于作为ID标记和/或在已有技术系统中用来监控物理或化学参数。特别具有优点的是，这种类型的系统能够完全无源地工作，即在ID标记或传感器的范围内不需要例如电池这样的能量供应。此外，SAW元件在热特性及机械特性方面是很牢固的，能够被高度小型化，并在形状和设计方面能够适配于特殊的应用。

在已知现有技术的许多公开文献中，SAW元件以电流连接方式或者利用对于相应的应用特别有利的天线通过电磁远场耦合与发送/接收部件相耦合。同样，例如由EP0827105和EP0502079已知在SAW元件的表面结构中集成了(变压器)耦合环路，并通过电感式近场耦合实现了能量和信号传输。在这里发送/接收天线表现为对准被构造为环形的集成天线而设计和调节的导体环。这种已知的技术方案对于许多技术应用来说已经足够了，并且是具有优点的。但是，已知耦合方法还不能很好地适用于在闭合系统中装配SAW元件，例如用于注模工具或者内燃机中的汽缸内压力测量的压力传感器，尤其是当它们的结构非常紧凑时。将SAW元件集成到这种客体系统中，例如用作(无源)ID标记和/或用于监控物理参数(例如温度、磁场强度等)和/或化学参数(例如大气成分、热分解产物等)，表现出相当可观的(潜在)价值。

所有这类应用的共同点在于，SAW系统表现为对现有系统的补充。这意味着，由发送/接收单元及其自身的SAW元件所组成的SAW总体系统通常是可以集成的，而不会改变要识别和/或监控的客体系统的例如电气特性或者装配技术结构特性。

在许多情况下，如果不是以不允许的方式来影响客体系统自身的有效信号，则通过电流连接、即通过与SAW元件之间有直接电接触的电缆实现的耦合是不能实现的。此外，在紧凑系统的情况下，电流耦合往往只能以很高的开销在生产或组装时实现，和/或例如具有弹性支撑的压力触点的系统尤其是在较长的时间间隔内对于例如很高的和/或交变的温度、机械震动等的容忍度是很有限的。

通过电磁远场耦合实现的耦合通常需要大量结构上的改变，因为必须集成相对较大的外部天线，在发送器/接收器和SAW元件之间需要有开放的无线电间隙，这例如在金属结构中设置得较深的传感器的情况下往往是不能保证的。此外，在应用这类结构时，工作频率被限制到ISM频带上(在各国之间是不同的)，从而限制了最大可用发送效率。

第三种在文献中已知的耦合方法，即通过两个套合的环之间的(电感式近场耦合)来实现，同样不适用于实际应用。采用这种结构尽管对有效信号的负面影响很小，甚至没有负面影响，且不需要外部天线或较长的开放无线电空间，但是对于内部耦合天线有额外的空间需求，并且需要SAW元件与耦合线圈之间精确地相对对准，带来了结构上的改变，即使这种改变是完全能够实现并且是允许的，但开销很大并且非常昂贵。

总的来说，这些限制在一系列应用中妨碍了例如对于识别或监控任务实际应用SAW元件。这里本发明将会提供帮助。

许多测量值记录器的原理结构类似于例如在开始时所述的Bruckner等人的公开文献中说明的类型(同时也在“Sensor 2003Proceedings”第470页的图8中示出)(参见图1中所示的开始所述类型的现有技术)。这个有源元件11通过一根同轴电缆的中央导体12与控制或读取单元相连。从实物上可以看到，这里传感器外壳10形成了带有相应电磁场分布的同轴导体13。从而在最好由高频同轴电缆供电的外壳10中可以无接触地安装一个或多个SAW元件20，并通过带有SAW元件的同轴导体中电磁场的电磁近场耦合实现了对SAW元件的供能，并传输回在SAW元件中生成的信号，

对于具体应用情况而言，这种结构与其它已知系统相比具有一系列优点。信号的耦入通过客体系统的同轴电缆来实现，从而可以避免在其他情况下所需的对客体系统全面的结构改变。这种耦合无接触地实现，从而可以有效地避免客体系统有效信号的失真。由于电磁场是在电磁闭合的空间内生成的，因此能够并允许采用可自由选择的频率或频率范围，这对于SAW元件而言是特别有利的，同时也不会影响客体系统的功能。其中发送效率可以广泛地任意适配于该系统。最后，可以通过简单的方式实现客体系统中的组装，因为在客体系统中不必形成附加的导电连接，对精确对准的要求也相对较低。

但开始所述类型的已知测量值记录器的缺点在于，集成在SAW元件上的耦合结构的耦入效率相对较低，使得信号质量往往不足以在不利的环境条件下以及在较长的时间间隔内确保可靠的识别和测量数据传输。

测量方法的规定功能的一个关键因素是对SAW元件上的耦合天线的设计。在SAW上具有集成耦合结构的已知系统可选地被设计为如图3所示的电容式耦合，或者被设计为变压器(电感式)耦合。例如在前面已提到的EP0827105中所描述的环绕的耦入环路并不适用于实际的应用情况，因为在同轴导体中的圆形B场增大了感生电压。在图2所示的解决方案中，一个闭合耦入环路211被设置到中央导体的一侧，这在原理上是能够实现其功能的，但其耦入效率对于实际应用来说是不够的。同样的限制也适用于图3所示的电容式耦入结构。

因此，本发明的任务在于形成一种开始所述类型的测量值记录器，以避免所提到的缺点，并且尤其是通过简单的手段以及在所述的有限空间条件下能够提高耦入效率，从而改善信号质量。

根据本发明，该任务在开始所述类型的测量值记录器的情况下通过以下方式来解决：SAW元件的耦合结构具有设置在信号导体两侧的附加耦合的子结构。下面借助附图和所属附图说明详细描述本发明所述实施方式的其他特征和相应优点。正如已经提到的，图1示出了一种根据现有技术的测量值记录器的原理结构，图2和图3简要示出了带有集成的耦合结构的SAW元件，其可以在图1所示的测量值记录器中使用。图4和图5简要示出了根据本发明的测量值记录器的与图2和图3相对应的细节。

为了提高同轴电缆的电磁场与SAW元件之间的(主要的)电感式耦合的耦入效率，根据图4，建议把交互数字转换器(IDT)22、以及反射器23、25、26、延迟导线24等设置在两个独立的、交叉设置的环形耦合结构213之间。通过两个方向相反的线圈中的隔离，可以实现感生电流的增加，从而提高SAW元件中的能量耦入并改善信号质量。

另外一种对于特定应用情况特别适用的耦入环路结构是针对从基本上为圆形的磁场和基本上为放射状的电场组合地耦入能量的情况。这种多功能性具有特别重要的意义，因为在许多客体系统中不能保证为SAW元件的工作频率范围而设计的导线链的电气隔绝。从而在同轴导体中出现了不可控制的不均匀场，例如能量空鼓和能量结的形式。因此，能够有效耦入两个分量的SAW表面结构是特别具有优点的。这类结构在图5中示例性地示出。该结构是相对于中央导体12非对称的，并保证最优地利用了电感和电容式耦合。

SAW元件的结构在物理上表现为RLC振荡回路。为了将电磁激励能量有效转换成声学表面波，有重要意义的是，使RLC回路的振荡特性匹配于SAW元件的工作频率和材料特性(谐振工作)。这通常是通过用外接电感或电容对振荡回路的L和C网络进行匹配来实现的，如在DE19851002中所述。这与小型化的要求是相矛盾的。此外，用外部的分立组件不能实现适用于高温、例如直至400℃的SAW元件。对于这种应用，已知可通过适当设计SAW元件上的结构对电感和电容特性进行匹配。例如改变微带印刷线路的结构长度或宽度(影响电感分量，即L分量)，包括形成蛇曲形的结构，以及改变微带印刷线路之间的距离(影响电容分量，即C分量)。

由于对于实际应用来说SAW元件的尺寸通常通过客体系统的空间设定而受到限制，这类匹配只能在相当有限的范围内实现。蛇曲形结构或与之相当的占据空间的设计通常是不能(有意义地)实现的，并且印刷线路的长度或距离的改变由于SAW元件的几何尺寸而受到限制。根据本发明的一种具有优点的实施方式，建议通过对有效欧姆阻抗部件R的匹配来优化耦合电路。这种匹配最好通过对印刷线路的横截面进行匹配来实现，其中为了考虑到空间限制，这种横截面改变尤其具有优点的是通过以部分或分段方式改变印刷线路的层厚度来实现。

另外一种对于带有集成在表面结构中的电磁耦入结构的SAW元件的功能来说非常重要的措施是使主要作为天线来考虑的耦入结构的发射阻抗匹配于同轴导体的波阻抗。这可以借助特别简单和有利的方式通过本发明所述的对表面结构或部分表面结构的层厚度进行匹配来实现。例如，基于图5所示的结构，通过适当改变(部分)印刷线路的层厚度(但并不是梳形结构，即交互数字转换器和反射器等的结构)，可以使信号强度提高一个数量级。为此，将由导电材料、例如纯铝构成的一个或多个层敷设到一个由多种材料构成的、通常作为层系统的基层上。典型地，这种附加层的敷设相应使SAW元件上的表面结构的层厚度提高了2-10倍。

另一种具有优点的形成本发明所述SAW表面结构的方式包括集成用于热电荷的导出环路。热电效应是SAW元件在高温应用情况下的常见问题。多种可用的、适合于高温SAW应用的、带有良好耦合特性的材料具有热点特性，其中通过沿着SAW元件的温度梯度可能在表面上形成电荷。由此出现的电压可能达到直至kV/cm的范围。当通过火花放电突然放电时，所贮存的能量足以破坏例如交互数字转换器或反射器的表面结构，从而SAW元件造成不可修复的损害。为了避免这种电荷加载，有意义的是同一个或多个导出环路来围绕该结构。在结构高度紧凑的SAW元件中，有意义的是将这种导出环路集成到对于SAW元件的工作所需的结构中。该结构同时作为用于SAW元件的高频工作状态的LC振荡回路，以及用于热电荷移动的均衡电流的短路环路。

SAW元件上的触点(例如在组装之前进行功能检验时需要这些触点)同样可以具有优点地集成到用于场耦入的结构中。

综上所述，在无接触的近场耦合、振荡特性的匹配、以及对结构进行保护以免由于热电荷造成的损害等方面，对于迄今为止未解决的、明显限制了应用可能性的问题来说，所描述的用于应用到SAW元件上的表面结构是一种非常好的适用技术方案。

Claims (6)

1.一种具有至少一个SAW元件(20)作为传感器和/或识别单元的测量值记录器，具有基本上形成一个同轴导体的外壳部件(10)，所述SAW元件(20)无接触地被组装在所述外壳部件中，并且所述外壳部件与连接电缆的屏蔽罩(13)相连接，其信号导体(12)在SAW元件(20)的表面耦合结构(213，214)的上方无接触地、至少近似位于中央地走向，并用于同轴导体内的电磁场与SAW元件(20)的近场耦合，其特征在于，SAW元件(20)的耦合结构(213，214)具有设置在信号导体(12)两侧的附加耦合的子结构。

2.如权利要求1所述的测量值记录器，其特征在于，SAW元件(20)的有源组件，如交互数字转换器(22)、反射器(23，25，26)、延迟导线(24)等，被设置在耦合结构(213)的两个基本上相对于信号导体(12)镜像对称的、独立的、交叉设置的环形子结构之间。

3.如权利要求1所述的测量值记录器，其特征在于，为了从主要为圆形的磁场和主要为放射状的电场组合地耦合能量，在信号导体(1 2)的一侧上设置了主要为电感式耦合的天线结构，而在另一侧上设置了主要为电容式耦合的天线结构，作为耦合结构(214)的子结构。

4.如权利要求1至3中任一项所述的测量值记录器，其特征在于，所述子结构(213，214)通过至少一个印刷线路在周边区域内至少大部分地包围所述SAW元件(20)，并作为集成的用于热电荷的导出环路。

5.如权利要求1至4中任一项所述的测量值记录器，其特征在于，为了匹配于工作频率和/或材料特性和/或有效欧姆阻抗部件的发送阻抗，可通过对耦合结构(213，214)的印刷线路的横截面进行匹配来改变，最好是通过至少部分改变所敷设的印刷线路的层厚度来实现。

6.如权利要求1至5中任一项所述的测量值记录器，其特征在于，SAW元件(20)的耦合结构(213，214)具有用于功能检验设备等的附加触点。

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