Technologie

SAW – Surface Acoustic Waves

Die technologische Basis der sensideon GmbH sind sogenannte SAW-Transponder. SAW-Transponder sind piezoelektrische Kristalle aus Quarz oder Lithiumniobat mit lithographisch aufgebrachten Elektrodenstrukuren.

Diese Elektrodenstrukturen:

  • verwandeln ein ankommendes Funksignal in eine Oberflächenwelle (surface acoustic wave), die sich über den Kristall ausbreitet
  • reflektieren die sich ausbreitende Welle an mehreren Reflektoren, die in definierten Abständen angebracht sind
  • verwandeln die reflektierten Oberflächenwellen in ein elektrisches Signal zurück, das dann wieder ausgelesen werden kann

Das ausgelesene Signal enthält:

  • Informationen über die Abstände der Reflektoren, der aus den Signallaufzeiten bestimmt werden können. Der Abstand der Reflektoren ist für jeden einzelnen SAW-Filter einzigartig. Deshalb kann jeder SAW-Transponder eindeutig identifiziert werden. Diese Tatsache kann zur Objektidentifikation (Tagging) eingesetzt werden.
  • Informationen über die Veränderung derReflektorabstände mit der Temperatur des Kristalls. Diese Information kann zur Temperaturmessung verwendet werden.

Die von sensideon eingesetzte spezielle SAW-Technologie bietet eine Reihe von technologischen Vorteilen:

  • SAW-Transponder können bei sehr hohen Temperaturen arbeiten (bis 400°C) und sind extrem robust.
  • SAW-Sensoren arbeiten sehr schnell. Eine Messung erfolgt typischerweise im Bereich von Mikrosekunden. Dadurch ist es möglich auch bei kurzen Messzyklen über viele Einzelmessungen zu mitteln, so dass eine sehr hohe Messgenauigkeit zustande kommt.
  • SAW-Transponder arbeiten kabellos, sie werden ausschließlich über ein Funksignal angesprochen und ausgelesen. Dadurch können sie an schwer zugänglichen Messstellen eingesetzt werden, aber auch an schnell bewegten und rotierenden Teilen.
  • SAW-Transponder sind passiv, das heißt sie benötigen keine eigene Energieversorgung, sondern arbeiten mit der Energie des ankommenden Funksignals.
  • SAW-Sensoren sind praktisch wartungsfrei.
  • SAW-Sensoren arbeiten auch in metallischen Umgebungen.

Typische Anwendungen von SAW-Sensoren sind:

  • die Überwachung des Betriebszustands schnell rotierender Teile (Walzen, Wellen, Rotoren, Kupplungen,…) bis über 20.000 Umdrehungen pro Minute
  • die Temperaturmessung unter besonders schwierigen Umgebungsbedingungen (Schmutz, Vibrationen, schlecht definierte Oberflächen,…)
  • die Objektidentifikation an Orten, an denen klassische RFID aufgrund der Umgebungsbedingungen versagt

Mit diesen Transpondersystemen können bisher nicht zugängliche Mess- und Betriebsdaten erfasst werden. Dies ermöglicht eine Optimierung verschiedenster Fertigungs- und Logistikprozesse, insbesondere in rauer bzw. industrieller Umgebung.

Die Systemarchitektur eines SAW-basierten Messsystems besteht im Wesentlichen aus einem Lesegerät mit Antenne und einem SAW-Transponder mit Antenne, wobei das Lesegerät in eine vorhandene IST-Infrastruktur eingebunden ist. Die Systeme von sensideon arbeiten im freien Frequenzband bei 2.4 GHz (ISM-Band).

Das Lesegerät schickt ein Abfragesignal, auf das der Transponder antwortet. Die Antwort wird im Lesegerät ausgewertet und an die Middleware weiter gegeben, die meist auf der vorhandenen IT-Infrastruktur läuft.

Als Basis für die Signalauswertung dient die Impulsantwort des Transponders. Die Anordnung der Antwortimpulse entspricht dem Muster der Metallstrukturen auf dem SAW-Chip. Start- und Stopp-Impulse dienen als Referenz und zur Messung der Temperatur und ermöglichen eine einfache und präzise Kalibrierung der Sensoren. Die restlichen Impulse werden für die Kodierung der Identifikationsnummer verwendet. Gemessen wird die Laufzeit der hin- und herlaufenden Oberflächenwelle. Die Temperatur des SAW-Chips ändert die Geschwindigkeit der Welle und die Länge des Kristalls. Damit ändern sich die Laufzeit der Welle und so auch die Verzögerungszeit zwischen den Impulsen. Damit kann die Temperatur des Sensors bestimmt werden.

Relevant Publications (selection)

R. Fachberger, Wireless temperature sensing of fast rotating objects, SAW Symposium, Vienna, 2014

R. Fachberger, C. Werner, Wireless temperature monitoring in an electrolytic galvanizing plant, IEEE Ultrasonics Symposium, 2013

R. Fachberger, J. Bardong, High temperature packaging for SAW transponder, Int. IEEE Frequency Control Symposium, 2010

G.Bruckner, J.Bardong, D.Eisele, E.Forsén, R.Fachberger, Investigations of SAW delay lines on c-plane AlN / sapphire at elevated temperatures, IEEE Int. Frequency Control Symposium, 2010

A. Binder, R. Fachberger, Phase Stability Comparison of SAW Sensor Evaluation with Various CW Type Radars, Proc. Eng. 5, 661-664, 2010

R. Fachberger, A. Binder, A. Erlacher, Applications of Wireless SAW Sensing in the Steel Industry, Proc. Eng. 5, 224-227, 2010

A. Binder, R. Fachberger, Wireless SAW temperature sensor system for high-speed high-voltage motors, IEEE Sensors J., 2010

R. Fachberger, A. Binder, A. Erlacher, SAW-RFID and Temperature Monitoring of Slide Gate Plates, IEEE Sensors, 2009

A. Binder, R. Fachberger, E. Kaldjob, B. Geck, Packaging and antenna design for wireless SAW temperature sensors in metallic environments, IEEE Sensors, 2009

G. Bruckner, G. Stampf, G. Franz, R. Fachberger, R. Hauser, SAW Strain Sensitivity of Selected Rayleigh Wave Crystal Cuts, IEEE Ultrasonics Symposium, 2009

J. Bardong, G. Bruckner, M. Kraft, R.Fachberger, Influence of Packaging Atmospheres on the Durability of High-Temperature SAW Sensors, IEEE Ultrasonics Symposium, 2009

R. Fachberger, A. Erlacher, Monitoring of the Temperature Inside a Lining of a Metallurgical Vessel, Procedia Chemistry 1, 2009

J.Bardong, G. Bruckner, G. Franz, R. Fachberger, A. Erlacher, Characterisation Setup of SAW Devices at High Temperatures and Ultra High Frequencies, IEEE Frequency Control Symposium, 2009

G. Bruckner, R. Fachberger, J. Bardong, SAW ID-tag for industrial application with large data capacity and / or anticollision capability, IEEE Ultrasonics Sympoisum, 2008

R. Fachberger, G. Bruckner, J. Bardong, Durability of SAW Transponders for Wireless Sensing in Harsh Environments, IEEE Sensors, 2008

R. Fachberger, G. Bruckner, J. Bardong, L. Reindl, High Temperature RFID system using passive SAW transponder, Proc. EuMa, special issue RFID systems, 2007

R. Fachberger, G. Bruckner, R. Hauser, L. Reindl, Wireless SAW based high-temperature measurement systems, Proc. IEEE International Frequency Control Symposium (invited paper), 2006

R. Hauser, R. Fachberger, G. Bruckner, W. Smetana, R. Reicher, Ceramic patch antenna for high temperature applications, Proc. ISSE 05, 2005

G. Bruckner, R. Fachberger, G. Art, A. Stelzer, R. Hauser, Wireless identification and temperature measurements under harsh environments, Proc. SENSOR 05, 2005

Patents (selection)

W. Ruile, A. Bergmann, and R. Fachberger, “Mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement,” German Patent DE 102 46 100 A1, 2004.

R. Fachberger and G. Bruckner, “SAW-Transponder mit Drahtantenne,” European Patent EP 1 752 916 A1, 2005.

S. Pischek, S. Pirker, A. Erlacher, R. Fachberger, and M. Ressmann, “Bauteil auf Basis keramischer Masse,” German Patent DE 10 2007 021 172 B4, 2010.