SAW-Filter: So funktionieren akustische Wellensensoren

Autor / Redakteur: Edmund Schiessle / Michael Eckstein

Smartphones, Kameras, Herzschrittmacher, Robotergreifarme, assistiertes und autonomes Fahren und mehr: Sensoren sind unverzichtbarer Bestandteil unzähliger Anwendungen. In einer mehrteiligen Serie stellt ELEKTRONIKPRAXIS Aufbau, Funktionsweise und Einsatzgebiete wichtiger Sensortypen vor. Los geht es mit akustischen Wellensensoren und deren wichtigsten Vertretern, den SAW-Filter.

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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)

Von den ersten Ultraschall-Dampf- und Gassensoren auf Basis schwingender piezoelektrischer Kristallplatten sind heutige akustische Wellensensoren (Acoustic Wave Sensors, AWS) weit entfernt. AW-Sensoren basieren vielmehr auf piezoelektrischen Substraten, über oder durch die ein definiertes akustisches Signal gesendet wird. Dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von der Dichte des Mediums ab – also von der Art und Anwesenheit chemischer Teilchen.

Eine Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit, die einer Reduzierung der Frequenz der akustischen Welle entspricht, ist die nutzbare Messgröße für diese Art der Sensorik. Die hohe Empfindlichkeit der akustischen Welle lässt sich dafür nutzen, chemische und biologische Größen genau zu erfassen.

Klassifizierung von AW-Sensoren

Die prinzipielle physikalische Funktionsweise von akustischen Wellensensoren beziehungsweise akustische Festkörpersensoren basiert darauf, dass eine Messgröße eine lineare oder eine reflektorische Ausbreitung als longitudinale oder transversale akustischen Welle in einer spezifischen Sensoreinheit (Elementarsensor) oder in einem Medium moduliert.

AW-Sensoren lassen sich anhand ihrer Technologie in zwei Klassen einteilen: Passive akustische Wellensensoren (AW-Sensoren) und aktive akustische Wellen-Funksensoren (AW-Funksensoren). Erstere arbeiten mit einer internen Energieversorgung, zum Beispiel Batterien. Letztere nutzen hingegen externe Energiequellen.

Je nach physikalischer Ausbreitungsart ordnet man akustische Wellen einer von zwei Hauptgruppen zu. Volumenwellen (BAW, Bulk Acoustic Waves) breiten sich transversal im Volumen aus, also zwischen der oberen und der unteren Fläche eines piezoelektrischen Substrats. Bei Oberflächenwellen (SAW, Surface Acoustic Waves) hingegen erfolgt die akustische Wellenausbreitung longitudinal auf der Volumen-Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats (Rayleigh-Ausbreitung).

SAW-Filter im Fokus

SAW-Filter werden aufgrund ihrer topologischen Struktur in vier Gruppen eingeteilt:

  • SAW-Filter mit Einzelverzögerungsleitungs-Struktur: Diese Struktur besteht aus einer Verzögerungsleitung. Sie besteht aus gegenüberliegenden kammartigen Elektroden auf einem piezoelektrischen Substrat.
  • SAW-Filter mit Differenzverzögerungsleitungs-Struktur: Diese Struktur besteht aus zwei parallelen Verzögerungsleitungen, wobei die eine als aktive Messschicht dient und die andere als passive Referenzschicht. Durch elektronische Verschaltung wird ein elektrisches Differenzsignal proportional zur Messgröße erzeugt.
  • SAW-Filter mit Einzelresonator-Struktur: Diese Struktur besteht aus einer mittig angeordneten kammartigen Elektrode mit zwei Reflektoren, wobei je ein Reflektor links und rechts von der Elektrode angeordnet ist.
  • SAW-Filter mit Differenzresonator-Struktur: Diese Struktur besteht aus zwei parallelen Einzelresonatoren, wobei einer als aktiver Messresonator dient und der andere als passiver Referenzresonator. Durch elektronische Verschaltung wird ein elektrisches Differenzsignal proportional zur Messgröße erzeugt.

Am weitesten verbreitet sind heute SAW-Filter. Auf diese werden wir uns im Folgenden konzentrieren. Im zweiten Teil dieser Sensorik-Serie stehen SAW-Sensoren mit Verzögerungsstrukturen ohne Funktechnologie im Fokus.

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

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