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SAW-Filter mit Resonator-Strukturen

| Redakteur: Michael Eckstein

Wenige elektronische Bauteile lassen sich so universell einsetzen wie Oberflächenwellensensoren. In diesem Teil unserer Sensorik-Serie erklärt ELEKTRONIKPRAXIS Aufbau, Funktionsweise und Einsatzgebiete von SAW-Filtern mit Resonatorstrukturen.

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Wellenformen: Oberflächenwellensensoren messen die Verzögerung akustischer Wellen zwischen zwei Elektrodensystemen.
Wellenformen: Oberflächenwellensensoren messen die Verzögerung akustischer Wellen zwischen zwei Elektrodensystemen.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Oberflächenwellensensoren sind extrem robust – und daher ideal geeignet für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen, etwa in Motoren, Windkraftanlagen, Bohrgestängen, Betonbauteilen und in der Weltraumforschung.

Die kurz SAW-Sensoren (Surface Acoustic Wave) genannten Bauteile funktionieren in einem weiten Temperaturbereich von ca. -200 °C (flüssiger Stickstoff) bis ca. +300 °C, bei Substraten wie Langasit sogar bis ca. +1000 °C. Außerdem überstehen sie korrosive Umgebungen, mechanischen Stress und sehr hohe Strahlendosen.

Geschwindigkeit, Phase und Amplitude einer akustischen, sich planar ausbreitenden Körperschallwelle hängt unter anderem von der Temperatur, mechanischem Druck, elektrischer Feldstärke, Gas- oder Feuchtekonzentration in flüssigen und gasförmigen Medien ab. Diese Zusammenhänge nutzen SAW-Sensoren aus. Sie eignen sich zum Messen unterschiedlichster physikalischer und chemischer Größen.

In diesem Teil unserer Sensorik-Serie beschäftigen wir uns mit Oberflächenwellenfiltern mit Resonator-Strukturen. Dafür existieren zwei unterschiedliche DIE-Topologien. Sie arbeiten entweder mit einem oder mit zwei Interdigital-Transducern (IDT).

Elektromechanischer Aufbau

SAW-Filter mit Resonator-Struktur und zwei IDTs bestehen aus den beiden Komponenten Lesegerät (Reader) und SAW-Transponder (SAW-Sensor). Wir betrachten zunächst den SAW-Elementarsensor, eine Baueinheit des Sensors.

Im Mittelbereich des Sensors befinden sich ein Empfangs- und ein Sende-IDT (Interdigital-Transducer). Beide bestehen aus kammartigen Elektroden, deren Abstand zueinander kleiner ist als bei der akustischen Rayleigh-Verzögerungsleitung. In den beiden Außenbereichen ist je ein Reflektor platziert, der aus mehreren Metallstreifen besteht. Dahinter befinden sich zusätzlich akustische Absorber, die nicht reflektierte, restliche Oberflächenwellen unterdrücken sollen.

Physikalisch-technische Wirkungsweise eines SAW-Elementarsensors mit zwei IDT

Die von dem Sende-IDT ausgehenden Oberflächenwellen werden jeweils an einem Reflektor zurückgeworfen, der aus mehreren Metallstreifen besteht. Es gibt wesentlich mehr Reflektor-Metallstreifen als IDT-Metallstreifen. Der Abstand der Streifen zueinander bestimmt die reflektierte Frequenz.

Jeder Streifen wirft nur rund 1 Prozent der Oberflächenwelle zurück. Das Erhöhen der Streifenzahl bewirkt also, dass ein größerer Anteil der Welle reflektiert wird. Nicht zurückgeworfene Anteile nehmen die akustischen Absorber auf.

Die reflektierten, jedoch gegenläufigen akustischen Oberflächenwellen mit gleicher Frequenz interferieren miteinander zu einer stehenden Oberflächenwelle. Ein Empfangs-IDT generiert aus diesen stehenden Oberflächenwellen eine hochfrequente elektrische Wechselspannung. Der Resonator hat im Resonanz-Betrieb aus elektrophysikalischen Gründen eine schmale Bandbreite, der Rauschanteil ist gering.

Zum einen bewirkt eine große Zahl von Reflektor-Metallstreifen viele Mehrfachdurchgänge der resonanten Oberflächenwellen. Dieser physikalische Effekt bewirkt eine Resonanzüberhöhung mit hoher elektrischer Güte. Diese Eigenschaft entspricht einem elektrischen Bandpass mit schmalem Frequenzband. Die Folge: Nur eine bestimmte Oberflächenwellenfrequenz und ihre Nebenmoden gelangen mit geringer Dämpfung an den Empfangs-IDT.

Elektromechanischer Prinzipaufbau eines SAW-Elementarsensors mit Resonator-Strukturen und zwei Interdigital-Transducern (IDT).
Elektromechanischer Prinzipaufbau eines SAW-Elementarsensors mit Resonator-Strukturen und zwei Interdigital-Transducern (IDT).
(Bild: Vogel Business Media)

Alle anderen erzeugten Frequenzen werden dagegen stark gedämpft. Durch eine optimale Anpassung der elektrischen IDT-Impedanz an das piezoelektrische Substrat lassen sich die elektrischen Energieverluste auf ein Minimum reduzieren. Der so aufgebaute akustische Resonator wird als frequenzbestimmendes Element in einer Oszillatorschaltung betrieben. Die mathematische Relation zwischen Frequenzänderung und Schallgeschwindigkeitsänderung der Oberflächenwelle lautet:

Δf / f0 = Δυ / υ0

Δf / f0 ist die relative Frequenzänderung, f0 die Resonanzfrequenz und Δυ / υ0 die relative Schallgeschwindigkeitsänderung. Bei der Resonanzfrequenz f0 entspricht die relative Frequenzänderung annäherungsweise der relativen Schallgeschwindigkeitsänderung bei der entsprechenden Geschwindigkeit υ0.

SAW-Sensoren mit Resonator-Struktur und einem IDT

Die zweite zu Beginn genannte Variante ist ein Funkelementarsensor mit jeweils zwei Reflektoren und akustischen Absorbern, der jedoch nur über einen IDT verfügt. Dieser IDT arbeitet abwechselnd als Sender und Empfänger. Richtig angeregt erzeugt er über den indirekten piezoelektrischen Effekt akustische Oberflächenwellen auf einem piezoelektrischen Substrat.

Die Beiträge basieren auf dem Fachbuch „Industriesensorik – Sensortechnik und Messwertaufnahme“, erhältlich bei Vogel Business Media.
Die Beiträge basieren auf dem Fachbuch „Industriesensorik – Sensortechnik und Messwertaufnahme“, erhältlich bei Vogel Business Media.
(Bild: Vogel Business Media)

Die so erzeugten Wellen breiten sich in beide Richtungen auf dem piezoelektrischen Substrat aus. Von den Reflektor-Metallstreifen zurückgeworfen werden sie erneut empfangen. Eine spezielle Reflektor-Geometrie sorgt schließlich dafür, dass bei einer definierten Frequenz stehende akustische Oberflächenwellen mit scharf ausgeprägter Mittenfrequenz entstehen, die sich proportional zur jeweiligen Messgröße verhalten. Diese Frequenzen lassen sich elektronisch aufbereiten und weiterverarbeiten.

Hinweis: Dieser Beitrag basiert auf dem Fachbuch „Industriesensorik – Sensortechnik und Messwertaufnahme“, erhältlich bei Vogel Business Media. Es ist auch als e-Book verfügbar. Hier finden Sie weitere Informationen zu der Neuerscheinung.

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