WO2005033719A1 - Telemetrisch abfragbarer passiver potentialsensor - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a telemetric queryable potential sensor and a method for telemetric measurement of electrical potentials or changes in potential.
- the object of the present invention is to implement such a system on the basis of a known transmission principle, the surface acoustic wave reflectors (SAW reflector) with an integrated, detunable LC circuit for the specific application of the determination of small potentials, such as they have already been proposed and implemented for temperature and pressure measuring systems that can be queried telemetrically.
- SAW reflector surface acoustic wave reflectors
- These systems are based on the fact that the surface acoustic wave is excited by a transmitter via a receiving antenna and propagates on the SAW.
- At least two reflectors one of which is not connected and reflects a signal that functions as a normal with respect to the transmission link and the second is connected to an electrical circuit, usually a series or parallel resonant circuit, in which one of the components, usually the Capacity, undergoes a change corresponding to the measured variable. This changes the reflection and amplitude of this reflector. Both reflections are emitted again via the antenna of the SAW and recorded by a receiver and evaluated by comparison.
- the distances between the reflectors can be at different distances from the excitation structure, so that the echoes arrive at different times and thus enable the different sensors to be recognized.
- the present invention extends this measuring principle to the determination of even low electrical potentials and potential changes to a purely passive system which does not require its own energy supply, since the measured variable itself, the electrical potential to be determined, detunes the resonant circuit directly.
- This enables very small, wear and maintenance-free, self-sufficient passive sensors to be implemented, which can also be used in measuring points that are difficult to access or later completely inaccessible, as occur in closed systems, but especially in implantation medicine. can be used, and can be applied with low adhesive forces due to their small size and light weight, which in turn is of great advantage, for example, in medical probes.
- a capacitance diode or a varactor 7, with its capacitance dependent on the applied voltage 8 is used for the variable that detunes the resonant circuit and thus modulates the reflected signal in amplitude and phase.
- Such a varactor can preferably be a metal insulator / oxide semiconductor diode (MIS or MOS diode), but also a metal semiconductor (Schottky) diode or a PN diode, whose space charge capacities have a pronounced voltage dependency exhibit if they are realized in sufficiently low-doped semiconductor materials (10 14 - 10 16 cm -3 ).
- the setting of a change in the capacitance that is as pronounced as possible as a function of the potential present for the highest possible sensitivity can be achieved by the doping level at the PN junction (PN diode), additionally by the choice of metal for the Schottky diode, and also by the choice of the isolator the MIS diode can be reached.
- the semiconductor diodes are, as is customary in semiconductor electronics, each with a maximum of low-doped epitaxial layers required for the necessary capacitance increase (typically 0.1 to 2 ⁇ m) on low-resistance, ie highly doped, substrates.
- the ohmic resistance of the inductance 6 is also minimized by using e.g. by galvanically growing the winding - preferably copper, gold or silver - in a photoresist structure with a high aspect ratio.
- This measure also serves to miniaturize the intended applications and allows e.g. typical structure sizes of the coil turns of some 10 ⁇ m width and spacing at> 50 ⁇ m height.
- the system should preferably be operated with the frequency bands between 400 MHz and 2.5 GHz approved for this purpose, because of the possible miniaturization of antenna structures and the sizes of inductance and capacitance as well as the larger available bandwidth, preferably at the high frequency around 2.4 GHz ,
- the present invention also relates to a method for measuring electrical potentials or potential changes, in which an acoustic surface wave is excited, which propagates on a surface wave element and is reflected on an interdigital structure in the form of a reflector, and in which the acoustic surface wave is transmitted by a reflector connected detunable electrical circuit is changed in amplitude and phase, for example.
- the electrical circuit is detuned directly by the electrical potential to be measured or the electrical potential change.
- the capacitance of a varactor provided in the detunable electrical circuit is preferably changed by the electrical potential to be measured.
- the varactor can be a MIS diode, MOS diode, Schottky diode or a PN diode.
- the varactor is more preferably operated in the range of the maximum slope of its voltage characteristic curve in order to enable maximum sensitivity of the measurement.
- the surface acoustic wave is generated by the reflector connected to the detunable electrical circuit and by an unloaded, i.e. undisturbed reflector, i.e. not connected to a circuit, for example, the reflections, i.e. the reflected surface acoustic waves are compared with each other for evaluation.
- a potential sensor that can be queried telemetrically is preferably used.
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Messung von elektrischen Potentialen durch einen passiven Sensor, der telemetrisch abfragbar ist. Dazu wird an einen von zwei Reflektoren eines akustischen Oberflächenwellen-Elements (SAW-Reflektor) mit einer Anregungsstruktur, die über eine Antenne ein Hochfrequenzsignal empfängt und die Reflexion wieder aussendet, ein LC-Resonanzkreis angeschlossen. Als Kapazität dient eine Varaktordiode, deren Kapazität durch das zu messende elektrische Potential verändert wird und die so den Kreis verstimmt und damit das reflektierte Signal im Verhältnis zu dem des ungestörten Reflektors in Betrag und Phase verändert.
Description
TELEMETRISCH ABFRAGBARER PASSIVER POTENTIALSENSOR
Die Erfindung betrifft einen telemetrisch abfragbaren Potentialsensor sowie ein Verfahren zur telemetrischen Messung elektrischer Potentiale oder Potentialänderungen.
Zur Messung von elektrischen Potentialen außerhalb von Standardbedingungen der Elektrotechnik und Physik, wie z.B. in elektrischen Schaltungen, ist vielfach eine nicht drahtgebun- dene, z.B. telemetrische Bestimmung wünschenswert. In besonderer Weise gilt dies für die Bestimmung von Potentialen u.a. in weitläufigen Industrieanlagen, etwa der Verfahrenstechnik, oder in der Medizin, etwa bei der dauerhaften Überwachung von Herz-Kreislauf- und Hinrnfunktionen (Langzeit-EKG, -EEG, Schlaflabor) . Dort kann eine drahtlose Abfrage dieser Messwerte erhebliche Kosten sparen und auch Sicherheit und Komfort wesentlich steigern. Solche Systeme sind als aktive Systeme, also mit einer integrierten Energieversorgung üblicherweise über Batterien und ggf. versehen mit einer Daten- vorverarbeitung und Identifizierung des angesprochenen Sensors Stand der Technik. Besonders vorteilhaft wäre es aber, wenn solche Systeme frei von einer eigenen Energieversorgung, also rein passiv betrieben werden könnten, da damit nicht nur der Wartungsaufwand, sondern auch die Sicherheit erheblich verbessert werden kann, und, insbesondere bei medizinischen Anwendungen von großer Bedeutung, auch die Akzeptanz wegen des erhöhten Komforts .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches System auf Basis eines bekannten Übertragungsprinzips, der akustischen Oberflächenwellen-Reflektoren (SAW-Reflektor) mit integriertem, verstimmbaren LC-Kreis für die spezifische Anwendung der Bestimmung kleiner Potentiale zu realisieren, wie
sie bereits für telemetrisch abfragbare Temperatur- und Druckmesssysteme vorgeschlagen und realisiert wurden. Diese Systeme basieren darauf, dass die akustische Oberflächenwelle über eine Empfangsantenne von einem Sender angeregt wird und sich auf dem SAW ausbreitet. Darauf befinden sich mindestens zwei Reflektoren, von denen der eine unbeschaltet ist und ein bezüglich der Übertragungsstrecke als Normal fungierendes Signal reflektiert und der zweite mit einem elektrischen Schaltkreis, üblicherweise einem Reihen- oder Parallel- Schwingkreis beschaltet ist, in dem eine der Komponenten, üblicherweise die Kapazität, eine der Messgröße entsprechende Veränderung erfahrt. Damit wird die Reflexion dieses Reflektors in Amplitude und Phase verändert. Beide Reflexionen werden über die Antenne des SAW wieder abgestrahlt und von einem Empfänger aufgenommen und durch Vergleich ausgewertet.
Zur Auswertung mehrerer Sensoren in einem komplexen Messsystem, etwa bei der Kardiographie, können die Abstände der Reflektoren von der AnregungsStruktur unterschiedlich weit ent- fernt sein, so dass die Echos zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen und damit die Erkennung der unterschiedlichen Sensoren ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung weitet dieses Messprinzip auf die Bestimmung auch niedriger elektrischer Potentiale und Potentialänderungen aus auf ein rein passives System, das keine eigene Energieversorgung benötigt, da die Messgröße selbst, das zu bestimmende elektrische Potential, direkt den Schwingkreis verstimmt. Damit lassen sich sehr kleine, verschleiß- und wartungsfreie autarke passive Sensoren realisieren, die auch an schwer zugänglichen Messstellen oder später vollkommen unzugänglichen Stellen, wie sie in verschlossenen Anlagen, aber insbesondere in der Implantationsmedizin auftreten,
eingesetzt werden können, und die aufgrund geringer Größe und geringem Gewicht mit geringen Haftkräften appliziert werden können, was wiederum z.B. bei medizinischen Sonden von großem Vorteil ist.
Gemäß der Figur 1 trifft bei diesem Sensorprinzip die auf dem SAW-Kristall 1 über die Antenne 3 durch die AnregungsStruktur bzw. Interdigitalstruktur 2 angeregte akustische Oberflächenwelle nach dem unbelasteten Reflektor 4 auf den mit dem LC- Messkreis verbundenen Interdigitalwandler bzw. Reflektor 5. Als messwertabhängige Größe, die den Schwingkreis verstimmt und damit das reflektierte Signal in Amplitude und Phase moduliert, dient eine Kapazitätsdiode bzw. ein Varaktor 7 mit seiner von der anliegenden Spannung 8 abhängigen Kapazität. Ein solcher Varaktor kann vorzugsweise eine Metall-Isola- tor/Oxid-Halbleiter-Diode (MIS- bzw. MOS-Diode) , aber auch eine Metall-Halbleiter (Schottky) -Diode oder eine PN-Diode sein, deren Raumladungskapazitäten eine ausgeprägte Spannungsabhängigkeit aufweisen, wenn sie in ausreichend niedrig dotierten Halbleitermaterialien (1014 - 1016 cm-3) realisiert werden. Die Einstellung einer möglichst ausgeprägten Veränderung der Kapazität in Abhängigkeit vom anliegenden Potential für eine möglichst hohe Empfindlichkeit kann durch die Dotierhöhe am PN-Übergang (PN-Diode) , zusätzlich durch Wahl des Metalls bei der Schottky-Diode, darüber hinaus durch Wahl des Isolators bei der MIS-Diode erreicht werden.
Um die für eine hohe Empfindlichkeit erforderliche hohe Güte, d.h. geringste ohmsche Verluste des Schwingkreises, zu erzie- leri, sind die Halbleiterdioden wie in der Halbleiterelektronik üblich, jeweils mit maximal für den notwendigen Kapazitätshub erforderlichen niedrig dotierten Epitaxieschichten
(typisch 0,1 bis 2 μm) auf niederohmigen, d.h. hochdotieren, Substraten zu realisieren.
Darüber hinaus ist es Gegenstand der Erfindung, dass auch der ohmsche Widerstand der Induktivität 6 minimiert wird, indem er mit Methoden der Mikrosystemtechnik z.B. durch galvanisches Aufwachsen der Wicklung - vorzugsweise Kupfer, Gold oder Silber - in einer Photolackstruktur mit hohem Aspektverhältnis realisiert wird. Diese Maßnahme dient zusätzlich ei- ner Miniaturisierung und damit den vorgesehenen Anwendungen und erlaubt z.B. typische Strukturgrößen der Spulenwindungen von einigen 10 μm Breite und Abstand bei >50 μm Höhe.
Das System ist vorzugsweise bei den dafür freigegebenen Fre- quenzbändern zwischen 400 MHz und 2,5 GHz zu betreiben, wegen der möglichen Miniaturisierung von Antennenstrukturen und der Größen von Induktivität und Kapazität sowie der größeren verfügbaren Bandbreite vorzugsweise bei der hohen Frequenz um 2,4 GHz.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Messung elektrischer Potentiale oder Potentialänderungen, wobei eine akustische Oberflächenwelle angeregt wird, die sich auf einem Oberflächenwellenelement ausbreitet und an inde- stens einer als Reflektor ausgebildeten Interdigitalstruktur reflektiert wird, und wobei die akustische Oberflächenwelle durch einen mit dem Reflektor verbundenen verstimmbaren elektrischen Schaltkreis beispielsweise in Amplitude und Phase verändert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der elektrische Schaltkreis direkt durch das zu messende elektrische Potential bzw. die elektrische Potentialänderung verstimmt .
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kapazität eines in dem verstimmbaren elektrischen Schaltkreis vorgesehenen Varaktors durch das zu messende elektrische Potential verändert Der Varaktor kann dabei eine MIS-Diode, MOS-Diode, Schottky-Diode oder eine PN-Diode sein.
Weiter bevorzugt wird der Varaktor im Bereich der maximalen Steigung seiner Spannungskennlinie betrieben, um eine maximale Empfindlichkeit der Messung zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die akustische Oberflächenwelle von dem mit dem verstimmbaren elektrischen Schaltkreis verbundenen Reflektor und von einem unbelasteten, d.h. ungestörten, also beispielsweise nicht mit einem Schaltkreis verbundenen, Reflektor reflektiert, wobei die Reflexionen, d.h. die reflektierten akustischen Oberflächenwellen, zur Auswertung miteinander verglichen werden.
Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein erfindungsgemäßer telemetrisch abfragbarer Potentialsensor verwendet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens können aber auch mehrere erfindungsgemäße telemetrisch abfragbare Potentialsensoren verwendet werden, wobei die Sensorantworten zeitlich gemultiplext detektiert werden.
Claims
1. Telemetrisch abfragbarer Potentialsensor auf Basis eines akustischen Oberwellenreflektors (SAW) , dadurch gekenn- zeichnet, dass ein akustisches Oberflächenwellenelement 1 mit einer Interdigitalstruktur 2 zur Anregung der akustischen Oberflächenwelle über eine Antenne 3 , sowie einem Reflektor 4 und einer weiteren Interdigitalstruktur 5, deren Abstand eine zeitliche Trennung der Echos ermög- licht, versehen ist, wobei der Reflektor 4 zur Normierung der Übertragungsstrecke dient und der zweite Interdigitalwandler 5 mit einem angeschlossenen Resonanzkreis hoher Güte aus einer miniaturisierten festen Induktivität 6, die mit Hilfe der Mikrosystemtechnik realisiert wird, und einer vom anliegenden Potential abhängigen variablen Kapazität 7, einem Varaktor, zur Detektion des Potentials versehen ist, und wobei das reflektierte Signal des Interdigitalwandlers 5 in Betrag und Phase in Abhängigkeit vom anliegenden Potential zwischen den Elektroden 8 und der damit einhergehenden Verstimmung des Schwingkreises moduliert wird.
2. Telemetrisch abfragbarer Potentialsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Varaktor 7 auf die maxi- male Steigung der Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie eingestellt ist.
3. Telemetrisch abfragbarer Potentialsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Varaktor 7 eine MIS-Diode, eine MOS-Diode, eine Schottky-Diode oder eine PN-Diode ist.
4. Telemetrisch abfragbarer Potentialsensor; nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Varaktor 7 auf minimale ohmsche Verluste ausgelegt ist, wobei dies durch ein epitaktisches Schichtsystem realisiert ist, wobei dieses Schichtsystem für den Aufbau der Raumladungskapazität aus einer minimalen hochohmigen Schichtdicke und einem niederohmigen Substrat besteht.
5. Telemetrisch abfragbarer Potentialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität 6 eine hohe Güte hat, wobei diese durch einen Galvanisierungsprozess mit hohem Aspektverhältnis realisiert ist.
6. Telemetrisch abfragbarer Potentialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität 6 eine hohe Güte durch einen Galvanisierungsprozess mit Au, Cu oder Ag erhalten hat.
7. Telemetrisch abfragbarer Potentialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser durch eine Technologie der Mikrosyste technik realisiert ist .
8. Telemetrisch abfragbarer Potentialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Reflektoren auf den SAWs so gewählt sind, dass mehrere Sensoren gleichzeitig abfragbar sind, wobei die Sensorantworten zeitlich gemultiplext in der Abfrageein- heit detektierbar werden.
9. Telemetrisch abfragbarer Potentialssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Tele- metriesystem bei einer der freigegeben Frequenzbänder zwischen 400 MHz und 2,4 GHz arbeitet.
10. Verfahren zur telemetrischen Messung elektrischer Poten- tiale oder Potentialänderungen, wobei eine akustische Oberflächenwelle angeregt wird, die sich auf einem Ober- flächenwellenelement ausbreitet und an mindestens einem Reflektor reflektiert wird, und wobei die akustische Oberflächenwelle durch einen mit dem Reflektor verbunde- nen verstimmbaren elektrischen Schaltkreis in Amplitude und Phase verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zu messende elektrische Potential oder die elektrische Potentialänderung direkt den elektrischen Schaltkreis verstimmt .
11 Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität eines in dem verstimmbaren elektrischen Schaltkreis vorgesehenen Varaktors verändert wird.
12 Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Varaktor im Bereich der maximalen Steigung seiner Spannungskennlinie betrieben wird.
13 Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, dass die akustische Oberflächenwelle von dem mit dem verstimmbaren elektrischen Schaltkreis verbundenen Reflektor und von einem unbelasteten Reflektor reflektiert wird, und wobei die Reflexionen zur Auswertung miteinander verglichen werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein telemetrisch abfragba- rer Potentialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere telemetrisch abfragloare Potentialsensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet werden, wobei die Sensorantworten zeitlich gemultiplext detektiert werden.
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