基于机械共振器的互调传感器平台的制作方法
【专利说明】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1C (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1C，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宄及农业研 宄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。
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