基于機械共振器的互調傳感器平臺的制作方法
【專利說明】基于機械共振器的互調傳感器平臺 發明領域
[0001] 本發明涉及基于互調通信原理的新型無源無線傳感器平臺。該平臺采用石英晶體 或其他機械共振器。另外，該平臺允許窄帶寬和/或對傳感器的ID-編碼。
【背景技術】
[0002] 除了來自讀取器的詢問信號之外，無線無源傳感器不需要任何用于操作的功率 源。無源傳感器優于有源和半無源傳感器的優勢在于：它們潛在地更便宜，并且它們的操作 條件或壽命不受功率源（例如電池或俘能器）的限制。
[0003] 可將無源無線傳感器劃分為數字傳感器和模擬傳感器。基于1C (集成電路）的 RFID(射頻識別）采用能提供諸如防沖突協議和非易失性存儲的極復雜特性的數字邏輯。 IC RFID最廣泛地應用于識別，但也能配備傳感器元件。
[0004] 與數字架構相比，模擬傳感器可以潛在地提供更佳的能量效率。這是因為，數字電 子器件利用所接收能量的一小部分來操作1C，而模擬傳感器則能在理論上反向散射全部的 接收能量。另外，數字傳感器的讀出距離通常受功率的限制，而模擬傳感器的讀出距離則受 信噪比的限制。因此，可以通過增加積分時間來增加模擬傳感器的讀出距離。由于這些原 因，使得模擬傳感器在某些特殊應用中具有優勢。
[0005] 模擬傳感器包括基于表面聲波（SAW)式RFID、共振傳感器和諧波傳感器。SAW傳 感器利用印刷于壓電襯底上的叉指式換能器將電磁能量轉換成SAW。然后，利用聲學反射器 來處理SAW，將SAW轉變回電磁能量并發射至讀取裝置。
[0006] 被測量會影響壓電襯底上的SAW的傳播特性。對于傳感元件來說，使用壓電材料 的需求限制了可能的應用。另外，IDT結構的最小線寬將SAW標簽的最高操作頻率限制為 幾千兆赫（GHz)。
[0007] 共振傳感器由自身共振對被測量呈敏感的簡單共振電路構成。這些傳感器需要與 讀取器近場耦合，這將它們的讀出距離限制為幾厘米。另一障礙是，它們的共振會因鄰近導 體或絕緣體而受到影響。共振傳感器可例如用于監測建筑結構的濕度、應力和血壓。
[0008] 諧波傳感器以詢問信號頻率的諧波頻率來反向散射傳感器數據。此概念首先被提 議用于遙測 [9]。隨后，已經將能使詢問頻率加倍的諧波傳感器用于追蹤生物研宄及農業研 宄中的昆蟲以及定位雪崩受害者。目前，互調通信原理被提議用于傳感應用。在這個原理 中，通過兩個鄰近設置的頻率來激活傳感器，并且以互調頻率來反向散射傳感器數據。與諧 波原理相比，互調通信提供了更小的頻率偏移。小的頻率偏移有助于電路設計以及對頻率 規則的遵循。
[0009] 在先公開的采用互調通信原理的傳感器存在一些缺陷。首先，所介紹的傳感器使 用MEMS元件來同時進行混頻和傳感，這意味著MEMS需要在這兩個功能之間折中。類似地， 所介紹的傳感器利用鐵電變容二極管來同時進行混頻和傳感。另外，鐵電傳感器的共振會 因鄰近導體或絕緣體而受到影響。
[0010] 所介紹的傳感器平臺包含單獨的混頻器，并且該傳感器平臺可配備通用電容式傳 感器元件。然而，此設計的障礙在于要使用電感來獲取低頻共振。該電感的自共振頻率限制 了可實現的最小頻率偏移，并且電感的品質因數限制了轉換效率并因此限制了讀出距離。 由于這些原因，頻率偏移需要相對較大，并且讀出距離有限。大的頻率偏移會妨礙對頻率規 則的遵循。
【發明內容】
[0011] 本發明的目的在于提供一種無線傳感器。
[0012] 特定實施例的方面提供了包括天線和電連接至所述天線和低頻電路的混頻元件。
[0013] 而且，根據特定實施例的方面，所述低頻電路包括機械共振器和傳感元件。
[0014] 根據特定示例，所述混頻元件是肖特基二極管或者包括肖特基二極管。另外，根據 特定示例，所述機械共振器包括石英晶體或MEMS共振器。仍然根據特定示例，所述傳感元 件可以為電容式傳感器元件、電阻式傳感器元件或電感式傳感器元件。
[0015] 此外，本發明的目的在于提供一種無線讀取傳感器元件的方法。
[0016] 特定實施例的方面提供了一種包括以下步驟的方法：從讀取裝置向無線傳感器發 射兩個信號，其中以不同的頻率發射各個信號，其中兩個信號頻率之間的差感應出耦合于 傳感元件的機械共振器的激勵；接收來自無線傳感器的互調響應；基于接收到的互調響應 確定傳感元件的阻抗；以及基于所確定的阻抗和所述耦合于傳感元件的機械共振器的已知 共振，提供對傳感器元件的讀出。
[0017] 本文介紹的是一種采用石英晶體或其他例如MEMS共振器的機械共振器來獲得低 頻共振的傳感器架構。與電子電感相比，機械共振器可提供針對給定的自共振頻率的更高 的質量因數和等效電感。因此，所述新型架構實現了更大的讀出距離和更小的頻率偏移。小 的頻率偏移有利于對頻率規則的遵循。由機械共振器提供的窄帶共振還能實現對傳感器的 ID編碼。
[0018] 在由于布線的成本或復雜度（例如，由于轉動式部件或嚴酷環境而造成）而不能 使用接線型讀出器的應用中，需要無線傳感器。這種平臺解決了對傳感器進行讀出的通用 問題。現有方案需要使用電池，并提供了較短的讀出距離，和/或該方案僅適用于有限的被 測量。
[0019] 現存的無源無線傳感器包括具有外部微處理器和傳感元件的RFID、SAWRFID和共 振傳感器。RFID的讀出距離和最高操作距離受功率整流器的限制，它們分別為5-10m和幾 千兆赫（GHz)。當結合外部傳感器元件使用時，功率消耗會進一步增加。SAW傳感器的最高 操作頻率限制為幾千兆赫（GHz)，并且SAW傳感器在高頻下的讀出距離由于叉指式換能器 (IDT)欠佳的電-聲轉換效率而嚴重降低。SAW RFID僅適用于那些能使壓電襯底呈天生敏 感的被測量。共振傳感器需要近場耦合，從而提供非常短的讀出距離。
[0020] 本發明實施例的方面用于克服現存的無線傳感器的上述挑戰中的至少幾項挑戰。 實施例能實現高頻率和大的讀出距離。本發明對通用傳感器元件有利，并因此可用于監測 幾乎所有的參量。另外，本發明提供了一種利用MEMS傳感器技術實現無線無源傳感器的方 法。
【附圖說明】
[0021] 圖1示出了采用互調通信原理的傳感器的等效電路。
[0022] 圖2示出了能產生互調頻率的三種不同的混頻過程。
[0023] 圖3示出了傳感器的電路示意圖。天線以兩個電壓發生器來表示，并且石英晶體 以其等效電路來表示。
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