基于机械共振器的互调传感器平台

摘要

本发明涉及一种基于互调通信原理的新型无源无线传感器平台。该平台采用石英晶体(4a,4b)或其他机械共振器。另外，该平台允许窄带和/或对传感器的ID编码。特定实施例实现了高频率和大的读出距离。本发明对通用传感器元件是有利的，因此可用于监测几乎所有的参量。另外，本发明提供了一种利用MEMS传感器技术实现无线无源传感器的方法。

权利要求

1.一种无线传感器，包括：

-天线，

-与所述天线和低频电路电连接的混频元件，其特征在于，

-所述低频电路包括机械共振器和传感元件，其中，所述混频元件耦合至所述机械共振器，并能以两个不同的接收信号频率的差向所述机械共振器提供激励。

2.根据权利要求1所述的无线传感器，其中，所述混频元件为肖特基二极管。

3.根据上述任一项权利要求所述的无线传感器，其中，所述机械共振器包括石英晶体或者MEMS共振器。

4.根据权利要求1所述的无线传感器，其中，所述传感元件为电容式传感器元件、电阻式传感器元件或电感式传感器元件。

5.根据权利要求1所述的无线传感器，还包括至少一个附加的机械传感器-传感元件对。

6.根据权利要求5所述的无线传感器，其中，每对机械传感器-传感元件对中的机械共振器在唯一的频率下进行共振。

7.根据权利要求1所述的无线传感器，其中，所述无线传感器不包含电池。

8.根据权利要求1所述的无线传感器，其中，所述天线充当无线传感器仅有的电压源。

9.根据权利要求1所述的无线传感器，其中，所述无线传感器为无源无线传感器。

10.根据权利要求1所述的无线传感器，其中，所述混频元件能将由机械共振器-传感元件对修改的电压与由所述天线接收的至少两个信号中的一个信号进行混频。

11.根据权利要求1所述的无线传感器，其中，所述天线耦合至所述混频元件，并且所述天线能同时接收具有至少两个不同频率的信号，并能再次发射所述接收信号中的至少一个信号的修改形式。

12.根据权利要求1所述的无线传感器，其中，所述混频元件和所述传感元件为单独的元件。

13.根据权利要求1所述的无线传感器，其中，所述天线与第一匹配电路耦合。

14.根据权利要求1所述的无线传感器，其中，所述混频元件与第二匹配电路耦合。

15.一种对传感器元件进行无线读取的方法，包括以下步骤：-从读取装置向无线传感器发射两个信号，其中以不同频率来发射各个信号，-其中，所述两个信号的频率之间的差感应出耦合于传感元件的机械共振器的激励，-接收来自所述无线传感器的互调响应，-基于所接收的互调响应来确定传感元件的阻抗，以及-基于所确定的阻抗和耦合于所述传感元件的机械共振器的已知共振，提供传感器元件的读出。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，确定所述阻抗包括在频率范围内测量所述互调响应。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，两个发射信号的频率之间的差在0.1-

100kHz之间。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，两个发射信号的频率之间的所述差在1-50kHz之间。

说明书

基于机械共振器的互调传感器平台

发明领域

[0001] 本发明涉及基于互调通信原理的新型无源无线传感器平台。该平台采用石英晶体或其他机械共振器。另外，该平台允许窄带宽和/或对传感器的ID-编码。

背景技术

[0002] 除了来自读取器的询问信号之外，无线无源传感器不需要任何用于操作的功率源。无源传感器优于有源和半无源传感器的优势在于：它们潜在地更便宜，并且它们的操作条件或寿命不受功率源(例如电池或俘能器)的限制。

[0003] 可将无源无线传感器划分为数字传感器和模拟传感器。基于IC(集成电路)的RFID(射频识别)采用能提供诸如防冲突协议和非易失性存储的极复杂特性的数字逻辑。IC RFID最广泛地应用于识别，但也能配备传感器元件。

[0004] 与数字架构相比，模拟传感器可以潜在地提供更佳的能量效率。这是因为，数字电子器件利用所接收能量的一小部分来操作IC，而模拟传感器则能在理论上反向散射全部的接收能量。另外，数字传感器的读出距离通常受功率的限制，而模拟传感器的读出距离则受信噪比的限制。因此，可以通过增加积分时间来增加模拟传感器的读出距离。由于这些原因，使得模拟传感器在某些特殊应用中具有优势。

[0005] 模拟传感器包括基于表面声波(SAW)式RFID、共振传感器和谐波传感器。SAW传感器利用印刷于压电衬底上的叉指式换能器将电磁能量转换成SAW。然后，利用声学反射器来处理SAW，将SAW转变回电磁能量并发射至读取装置。

[0006] 被测量会影响压电衬底上的SAW的传播特性。对于传感元件来说，使用压电材料的需求限制了可能的应用。另外，IDT结构的最小线宽将SAW标签的最高操作频率限制为几千兆赫(GHz)。

[0007] 共振传感器由自身共振对被测量呈敏感的简单共振电路构成。这些传感器需要与读取器近场耦合，这将它们的读出距离限制为几厘米。另一障碍是，它们的共振会因邻近导体或绝缘体而受到影响。共振传感器可例如用于监测建筑结构的湿度、应力和血压。

[0008] 谐波传感器以询问信号频率的谐波频率来反向散射传感器数据。此概念首先被提议用于遥测[9]。随后，已经将能使询问频率加倍的谐波传感器用于追踪生物研究及农业研究中的昆虫以及定位雪崩受害者。目前，互调通信原理被提议用于传感应用。在这个原理中，通过两个邻近设置的频率来激活传感器，并且以互调频率来反向散射传感器数据。与谐波原理相比，互调通信提供了更小的频率偏移。小的频率偏移有助于电路设计以及对频率规则的遵循。

[0009] 在先公开的采用互调通信原理的传感器存在一些缺陷。首先，所介绍的传感器使用MEMS元件来同时进行混频和传感，这意味着MEMS需要在这两个功能之间折中。类似地，所介绍的传感器利用铁电变容二极管来同时进行混频和传感。另外，铁电传感器的共振会因邻近导体或绝缘体而受到影响。

[0010] 所介绍的传感器平台包含单独的混频器，并且该传感器平台可配备通用电容式传感器元件。然而，此设计的障碍在于要使用电感来获取低频共振。该电感的自共振频率限制了可实现的最小频率偏移，并且电感的品质因数限制了转换效率并因此限制了读出距离。由于这些原因，频率偏移需要相对较大，并且读出距离有限。大的频率偏移会妨碍对频率规则的遵循。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于提供一种无线传感器。

[0012] 特定实施例的方面提供了包括天线和电连接至所述天线和低频电路的混频元件。

[0013] 而且，根据特定实施例的方面，所述低频电路包括机械共振器和传感元件。

[0014] 根据特定示例，所述混频元件是肖特基二极管或者包括肖特基二极管。另外，根据特定示例，所述机械共振器包括石英晶体或MEMS共振器。仍然根据特定示例，所述传感元件可以为电容式传感器元件、电阻式传感器元件或电感式传感器元件。

[0015] 此外，本发明的目的在于提供一种无线读取传感器元件的方法。

[0016] 特定实施例的方面提供了一种包括以下步骤的方法：从读取装置向无线传感器发射两个信号，其中以不同的频率发射各个信号，其中两个信号频率之间的差感应出耦合于传感元件的机械共振器的激励；接收来自无线传感器的互调响应；基于接收到的互调响应确定传感元件的阻抗；以及基于所确定的阻抗和所述耦合于传感元件的机械共振器的已知共振，提供对传感器元件的读出。

[0017] 本文介绍的是一种采用石英晶体或其他例如MEMS共振器的机械共振器来获得低频共振的传感器架构。与电子电感相比，机械共振器可提供针对给定的自共振频率的更高的质量因数和等效电感。因此，所述新型架构实现了更大的读出距离和更小的频率偏移。小的频率偏移有利于对频率规则的遵循。由机械共振器提供的窄带共振还能实现对传感器的ID编码。

[0018] 在由于布线的成本或复杂度(例如，由于转动式部件或严酷环境而造成)而不能使用接线型读出器的应用中，需要无线传感器。这种平台解决了对传感器进行读出的通用问题。现有方案需要使用电池，并提供了较短的读出距离，和/或该方案仅适用于有限的被测量。

[0019] 现存的无源无线传感器包括具有外部微处理器和传感元件的RFID、SAWRFID和共振传感器。RFID的读出距离和最高操作距离受功率整流器的限制，它们分别为5-10m和几千兆赫(GHz)。当结合外部传感器元件使用时，功率消耗会进一步增加。SAW传感器的最高操作频率限制为几千兆赫(GHz)，并且SAW传感器在高频下的读出距离由于叉指式换能器(IDT)欠佳的电-声转换效率而严重降低。SAW RFID仅适用于那些能使压电衬底呈天生敏感的被测量。共振传感器需要近场耦合，从而提供非常短的读出距离。

[0020] 本发明实施例的方面用于克服现存的无线传感器的上述挑战中的至少几项挑战。实施例能实现高频率和大的读出距离。本发明对通用传感器元件有利，并因此可用于监测几乎所有的参量。另外，本发明提供了一种利用MEMS传感器技术实现无线无源传感器的方法。

附图说明

[0021] 图1示出了采用互调通信原理的传感器的等效电路。

[0022] 图2示出了能产生互调频率的三种不同的混频过程。

[0023] 图3示出了传感器的电路示意图。天线以两个电压发生器来表示，并且石英晶体以其等效电路来表示。

[0024] 图4示出了示例传感器的图像。

[0025] 图5示出了作为频率差的函数的经测量、计算和模拟的传感器互调响应。在一个频率处的输入功率为-17.5dBm，且载波频率为1.25GHz。

[0026] 图6示出了不同的混频过程对总互调响应的贡献。点划线表示由下变频产生的互调所引起的互调响应，黑色虚线表示由直接混频所引起的互调响应，而虚线则表示由上变频产生的互调响应。

[0027] 图7示出了在不同偏压下测量的(实线)互调响应和拟合的(虚线)互调响应。

[0028] 图8示出了与石英晶体并联的、作为偏压的函数的经测量的总电容。

[0029] 图9示出了示例标签经测量的互调响应和石英晶体经测量的阻抗。

具体实施方式

[0030] 在互调通信原理中，当读取装置利用两个正弦曲线来激活传感器时，传感器在互调频率处进行答复。将传感器设计成使它的互调响应(即，天线两端的互调频率处的电压与基础频率处的电压的比值)受传感器元件的影响。

[0031] 传感器例如包括天线1、混频元件2和低频共振电路3。混频元件2可为无源混频器。混频元件2的示例为图1所示的肖特基二极管。混频器在差频率处产生激励，其中该激励施加给低频共振电路3。低频共振电路3包括电容式、电阻式或电感式传感器元件。

[0032] 图1示出了传感器的电气等效电路的示例。天线1表示为电压源，肖特基二极管用作混频器2，并且低频电路包括一对或多对分别与电容式传感器元件(5a,5b)并联的石英振荡器(4a,4b)。在此配置中，电容式传感器调谐石英晶体的共振。此配置有助于使几对石英晶体-传感器对提供不同频率处的晶体共振。此外，虽然示出了两个石英晶体-传感器对，但传感器仅包括单个的石英晶体-传感器对。

[0033] 天线可耦合于匹配电路6a。另外，混频元件可耦合于匹配电路6b。如图1所示地，匹配电路6a和6b可彼此不同。此处使用的术语“匹配电路”指的是用于常规用途(例如，在一定频率范围内与阻抗进行匹配以使得所需功能为最优)的那些匹配电路。常规技术人员将会辨别出那些为实现期望的效果所采用的多种已知匹配技术。

[0034] 在下文中，将推导出小信号条件下传感器的互调响应方程。分析还扩展地覆盖到在低频处起支配作用的电阻式混频。另外，要考虑几种混频过程，以便在低频共振之外还能精确地预测互调响应。

[0035] 谐波的产生

[0036] 传感器天线接收由读取器发射的两个正弦曲线。在结点两端产生的电压为：

[0037]

[0038] 其中，Pin为在一个频率处的接收功率(这是在共轭匹配下负载可获得的功率)，Rg为天线电阻，Sjg为从天线到二极管结点的电压传递函数，并且ω1和ω2为正弦曲线的角频率。在下述分析中，虽然另一个互调频率出现在2ω2-ω1处，但是本文仅考虑在ωIM＝2ω1-ω2处的互调频率。

[0039] 经过结点，储存在结点电容内的电量非线性地依赖于结点两端的电压。经过结点的电流表示为：

[0040]

[0041] 其中，Vj为结点两端的电压，Is为饱和电流，α＝q/nkT，其中q为基本电量，n理想因子，k为伯尔兹曼常数，T为温度。存储在结点中的电量表示为(省略了可能被捕获的、不依赖电压的那些电荷)：

[0042]

[0043] 其中，Φ为结点电势，Cj0为在零偏压时的结点电容，γ为分布参数(profile parameter)。零偏压下电量的三阶泰勒近似式为：

[0044]

[0045] 将式(4)代入式(2)中，并通过零偏压下的三阶泰勒展开式对式(2)中的第一项求近似。经过结点的电流为：

[0046]

[0047] 其中Rj＝1/αIs。

[0048] 当将两个正弦曲线施加到结点两端时，互调产物直接由式(5)中的三次方电压项产生。此机制是下文中的直接互调产生机制。除了这种机制以外，互调项还能间接地由式(5)中的二次方电压项产生。在间接混频过程中，除了其他频率以外，基础正弦曲线还首先在差频率处和第一谐波频率处进行混频，以产生电流。这些电流产生与结点两端的阻抗相关联的结点电压。然后，经调制的电压与能产生互调频率的基础正弦曲线进行混频。上述混频过程在图2中示出，下面对其进行分析。

[0049] 除了上述混频过程以外，互调项由泰勒展开式中的更高阶项(其在式(4)中被省略)产生。当应用更多的连续二次方过程和三次方过程时，也会产生互调项。实际上，由更高阶项和更多次连续的混频过程所产生的电流通常较弱。

[0050] 直接互调变频

[0051] 在直接混频过程中产生的互调电流可通过将式(1)代入式(5)中的三次方电压项来得到。在ωIM＝2ω1-ω2处经过结点的电流为：

[0052]

[0053] 式(6)中的电阻式混频项和电容式混频项可在相同的数量级内，因此这两项在此分析中都不能被省略。

[0054] 经下变频过程产生的互调

[0055] 通过将式(1)代入式(5)中的二次方电压项中，求解在差频率ωΔ＝ω2-ω1处经过结点的电流，可得：

[0056]

[0057] 在差频率处结点两端的电压为Vj,ωΔ＝Zn(ωΔ)Ij,ωΔ，其中Zn(ωΔ)为差频率处的等效诺顿电流源的阻抗，即结点两端的阻抗。

[0058] 在第二个连续二次方电压混频过程中，将差频率处的电压和在ω1处的电压进行混频，以产生互调频率处的信号。结点电压为：

[0059]

[0060] 通过将式(8)代入式(5)中，求解在互调处的电流，可得：

[0061]

[0062] 在高互调频率(>10MHz)处，电容式混频通常起支配作用，即 并且式(8)可近似于：

[0063]

[0064] 经上变频过程产生的互调

[0065] 假设，电容式混频在2ω1处起支配作用(即， )，并且通过上变频过程来遵循上述互调过程，可得：

[0066]

[0067] 传感器的互调响应

[0068] 在互调频率处，结点两端的电压为Vj,ωIM＝Zn(ωIM)Ij,ωIM，其中Zn(ωIM)为互调频率处的等效诺顿电流源的阻抗，并且Ij,ωIM＝Ij,ωIM,→+Ij,ωIM,↑+Ij,ωIM,↓。发生器两端的电压(即，反向散射信号)为：

[0069]

[0070] 其中，Sgj为从结点到发生器的电压传递函数。将此结果与Friis自由空间方程结合可用于预测传感器的读出距离。式(12)还将传感元件的阻抗与互调响应相关联。

[0071] 传感器可通过使Zn(ωΔ)对外部参量敏感的方式来实施。应注意到，也可使式(12)的其他项对外部参量敏感，但是这些其他项展示出比商业传感器元件的典型截止频率高得多的传感器读出频率。相反地，差频率ωΔ可以非常小，如果需要的话甚至可以在千赫(kHz)范围内。

[0072] 假设差频率与载波频率之间的比值比载波频率下的系统带宽要小，那么可将Sjg,Zn(ωIM),Sgj,Zn(2ω1),ω1和ωIM假定为常数(作为差频率的函数)。在互调频率下，天线两端的电压与下式成比例：

[0073] Vg,ωIM～[A+BZn(ωΔ)]sin(ωIMt)，  (13)

[0074] 其中，A和B为复数常数。当被测量和Zn(ωΔ)的关系已知时，可利用式(13)而从传感器经测量的互调响应中得到被测量。

[0075] 实验和模拟

[0076] 传感器示例

[0077] 图3示出了示例传感器的电路示意图，而图4示出了该示例的照片。

[0078] 示例传感器通过焊接在共面波导结构上的集总电路来实施。电容式传感器元件通过与石英晶体并联的变容二极管来表示。变容二极管的电容受控于外部电压源。

[0079] 传感器的操作通过使用谐波平衡模拟的Aplac1软件(AWR公司，美国加州El Segundo)来模拟。表1示出了在模拟和计算中使用的元件取值。

[0080] 表1

[0081] 在模拟和计算中使用的参数

[0082]

[0083] 测量机构

[0084] 传感器的互调频率响应通过能与外部信号发生器(Agilent E8257C)协作的网络分析器(Agilent N5230A)来测量。激励信号通过功率组合器(最小电路15542)来进行组合，并通过环形器馈送给传感器。在互调频率下的反射信号通过环形器馈送给网络分析器。

[0085] 传感器通过同轴电缆连接到测量设备，以避免那些与无线测量中未知的传播特性相关的功率模糊和相位模糊。然而，无线操作是显著的，且已得到证明。

[0086] 互调响应

[0087] 图5示出了作为频率差的函数的经测量、计算和模拟的互调响应。在一个频率处的输入功率为-17.5dBm，载波频率为1.25GHz。经计算的曲线和经模拟的曲线精确吻合。经测量的响应轻微地偏离其在峰值(14.751MHz)处的响应，但其在别处是一致的。14.751MHz处的经测量的互调转换损耗为-30dB，这比先前已知的设备低了10dB。因此，假设传输功率为20dBm、读取器天线增益为10dBi、传感器天线增益为3dBi并且接收器敏感度为-105dBm，那么传感器的读出距离则为12m。在相同的链路预算参数下，在先传感器的读出距离处于9m的范围内。

[0088] 如上所述，图5所示的互调响应由不同混频程序中所产生的互调项组成。图6表示作为频率差的函数的三个公式项的量级。下变频项在14.751MHz的共振中起支配作用，但在其他频率处直接变频项是最强的。由于上变频产生的项在这个实验中最弱。正如理论分析中所预期地那样，直接项和上变频项在频率扫描过程中几乎保持恒定。

[0089] 作为传感器的应用

[0090] 电容式传感器元件通过能与石英晶体并联的电压控制式变容二极管来表示。在每个电容值处，在频率范围内对互调响应进行测量，并且根据下式得到电容值：

[0091]

[0092] 其中，Sim,meas为经测量的互调响应，A和B为复数常数，并且阻抗Zn(ωΔ)的等效电路作为图8中的插入框来显示。图8给出的针对阻抗的等效电路是图3的电路的低频近似电路。

[0093] 因为所采用的测量设备仅能够用于标量测量，所以式(13)仅利用了互调响应的绝对值。复数数据能提供更好的拟合。

[0094] 图7示出了在变容二极管(典型的电容式传感器元件)的不同偏压下测得的互调响应。偏压的增加使电容减小，从而提高了共振频率。图8示出了所得到的与石英晶体并联的、作为偏压的函数的总电容。结果表明，此概念可用于读出电容式传感器元件。还可将相同的概念直接用于电容式传感器和电感式传感器。

[0095] 作为标签的应用

[0096] 可通过对互调响应进行ID编码来识别标签。标签可通过用另一能展现出多个附近共振的晶体来替代示例传感器的石英晶体的方式来实施。图9示出了利用互调读出原理并结合阻抗分析器(4294A，Agilent技术)所测得的石英晶体的阻抗。以这两种方法测量的共振在频率上是一致的。每个共振频率可对比特位或数字进行编码。

[0097] 上文描述的是包括了机械共振器(例如石英晶体)的通用传感器平台。该平台对通用的传感器元件有利，并且该平台利用的是互调通信原理。

[0098] 读出原理例如可用于监视建筑结构内的湿度、桥梁的应力以及汽车的胎压。该原理提供了能潜在植入人体内并用于监测身体健康和身体素质的非常小型的传感器。

[0099] 现有的无线传感器的实施例包含或者包括天线、混频元件、匹配电路、机械共振器和传感元件。读取装置发射能被传感器天线接收并在混频元件中进行混频的两个频率。混频元件在差频率处产生激励，其中该激励随后被施加给机械共振器。将传感元件配置成例如能通过加载带有电容式传感器的石英晶体来影响机械共振器的共振。传感元件的阻抗会影响差频率处的电压，其中该差频率最终将与读取器发射的频率中的一个频率进行混频。

[0100] 类似地，上述原理可用于实现具有大的读出距离的无源毫米波识别(MMID)标签。另外，本公开实现了例如是可植入人体血管内以监测血压和心跳的传感器的若干其他应用。

[0101] 应当理解，本发明公开的实施例并不限于在此公开的特定结构、方法步骤或材料，而应扩展到相关领域常规技术人员所公认的等同项。也应理解，在此使用的术语仅仅是用于达到描述特定实施例的目的，并无意于加以限制。

[0102] 在本说明书通篇提及的“一个实施例”或“实施例”指的是：结合实施例所描述的具体特征、结构或特性应当包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇多处出现的措辞“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指同一实施例。

[0103] 为方便起见，可以在通用列表中显示本申请中所用的多个条目、结构元件、组成要素和/或材料。但是，这些列表应解释为：列表的各个成员可以分别被识别成独立且唯一的成员。因此，在没有相反指示的情况下，不应仅由于这种列表的个体成员存在于通用组中，就将该成员看作同一列表中的任何其它成员的实际等同项。另外，本发明的各种实施例和示例可以连同其各种组件的替代项一起在本文中涉及。应当理解的是，这些实施例、示例和替代项不应相互看作实际等同物，而应当认为是本发明的单独且独立的表现形式。

[0104] 此外，所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。在下面的说明中，提供了例如尺寸、长度、宽度、形状等示例的众多具体细节，以提供对本发明实施例的全面理解。但是，相关领域技术人员会明白，本发明可以在不具备这些具体细节中的一项或多项的情况下实现，或者可以通过其他方法、组件、材料等来实现。在其他情形下，公知的结构、材料或操作未被详细图示或描述，以免对本发明的各个方面造成混淆。

[0105] 尽管上述示例已经在一种或多种具体应用中对本发明原理进行描述，但是本领域常规技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的原理和概念的情况下，无需创造性劳动即可对实施形式、实施用途和实施细节方面作出多种修改。因此，不应认为本发明受到除了所附权利要求之外的限制。