专利名称：非线性共振传感器及方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求I的前序部分所述的非线性共振传感器。本发明还涉及一种方法。
背景技术：
在现有技术中存在无源无线传感器、电池辅助的半无源传感器，或者具有无线电发射机和电池的有源传感器。无源传感器的优势在于其寿命或操作条件不受电池限制，并且价格低。无源无线传感器的例子有硅基射频识别(RFID)标签、表面声波(SAW)RFID，以及电感耦合的谐振电路传感器。
RFID标签基于集成电路(IC)，这带来了例如可重写存储和防冲突协议等若干复杂的特性。由于可大批量生产，因此RFID标签的成本低廉。RFID最广泛地应用于识别，但也能够用来通过在标签上增设传感元件以实现其它的传感器[1]’ [2]。无源RFID具有一些缺点。产生IC所需功率的功率整流器限制了最大的读出距离和最高的操作频率。因此，RFID并不能很好地适用于要求远距离或高操作频率的场合。需要高操作频率来得到小的标签尺寸和标签的精确空间定位。SAff标签将电磁能转换成沿着压电衬底传播的SAW。SAW之后被处理并转变回电磁波。SAW标签可很好地用作传感器，这是因为SAW的传播性质可调节成对若干被测量(例如温度或应变)敏感，并且不必需要外部的传感器元件，尽管仍有可能使用这样一个传感器元件[3]。在文献[4]中对SAW传感器进行了综述。典型地，最高操作频率被制作于衬底上的声反射器的线宽限制为几千兆赫(GHz)。电感耦合的谐振电路传感器例如用来测量应变M和湿度[6]。这些传感器包括简单的谐振电路，其谐振频率对被测量敏感。该简单的传感器结构带来了低制造成本。然而，这些传感器不能长距离地读取，这是因为其要求与读取器设备近场耦合。无源无线传感器还可以通过微机电系统(MEMS)技术来实施m。当以两个不同的频率照明时，MEMS传感器以互调频率答复传感器数据。互调询问概念M有些类似于首先被提议用于交通应用[9]而之后用于跟踪昆虫和雪崩受害者[13]的谐波雷达。谐波混合上的互调的优势是，所传送和所接收的信号之间的较小的频率偏差有利于线路设计，并且使得能够完成频率调节。互调雷达用于判定混凝土结构中的加固钢材构件中是否存在金属腐蚀[14]，并且用于检测行人、骑自行车者和其它在交通意外中具有高重伤风险的道路使用者的汽车雷达。在文献[16]介绍了使用雷达目标的非线性特性的通用雷达的概念。作为结论，目前尚未得到具有外部传感器接口的RFID标签。识别RFID标签被限制在低的频率和相对短的读出距离，并且不能很好地适合于严酷的环境(高温等)。SAff解决方案仅适合于特定的被测量(温度、应变)，并且被限制为低于几个GHz的频率。它们通常也非常昂贵(在压电衬底上制成)。共振传感器的询问要求近场耦合，并且这些传感器因此被限制在很短的读出距离。这些传感器还要求更复杂的读出技术，这是因为传感器和读出单元之间的耦合会影响传感器。
发明内容
本发明旨在消除现有技术中的缺陷，以创造一种全新类型的非线性传感器以及方法。本发明基于典型地为铁电变容二极管的非线性传感器，其使用互调混合原理来进行询问。该传感器提供了类似于电感耦合的谐振电路传感器的简单架构，但是询问距离明显更大。换言之，本发明典型地为基于铁电变容二极管或其它非线性元件的无源无线传感器。当被读取器设备以两个接近定位的频率照明时，传感器以互调频率答复其数据。该传感器概念可以用来实现不同的能够在长距离上读出的低成本传感器。
进一步地，该传感器典型地包括与铁电变容二极管或其它非线性元件直接匹配的天线。该传感器以两个接近定位的频率照明，并反应出在非线性元件中产生的互调频率。该传感器具有对被测量如温度敏感的阻抗。传感器的共振频率和品质因数基于互调响应来决定。共振频率和品质因数与对被测量敏感的阻抗相关。更明确地说，根据本发明的传感器的特征如权利要求I的特征部分所述。根据本发明的方法的特征依次在于权利要求7和8的特征部分中描述。通过本发明获得了显著的优点。根据本发明的传感器能很好地适合于例如因严酷的操作条件、旋转部件或布线的成本高且复杂而引起的有线读出困难时的应用。一个明显的潜在应用领域是工业机械和引擎中的温度测量。铁电变容二极管可以使用薄膜制造技术来成本合算地实现，并且其为固态器件，这两者例如对于基于MEMS的非线性元件来说均是有利的。最后，还存在使用印刷电子器件制造方法来对整个传感器进行极低成本的大规模生产的前景[17]’[18]。可以在需要低成本的无源传感器的应用中使用该传感器，例如在建筑结构中测量湿度、应变或温度。另外，该传感器的解决方案能很好地适合于在严酷的操作环境中的应用。包括但不限于印刷电子器件方法的低成本制造技术在实现商业可行性的方面是关键的。本发明可实现低成本的无源无线传感器。目前仅存在一些能够用来实现无源无线传感器的技术。这些技术具有若干缺点，并且只能用来实现针对数量非常有限的被测量(温度、应变等)的传感器。本发明具有很高的商业意义。其主要应用可以为置于建筑结构内的湿度传感器，或设在严酷环境(例如机械)内的温度计。诸如印刷电子器件方法的低成本制造技术可以实现在使用现有技术中的解决方案无法达到目的的应用和商业可行性。
在下文中，将根据附图并通过实施方案的实施例来说明本发明。图I显示了根据本发明的基于铁电变容二极管的传感器的等效电路。
图2显示了用来测量互调转换效率和铁电器件的温度的测量机构。图3示意性显示了用来在APLAC中模拟铁电变容二极管的互调响应的电路。之前已经有效地使用APLAC中的类似模型来为复杂的非线性杜芬效应和在例如微机电器件中
的互调行为建模[21]423]。图4通过图表显示了计算、模拟和测量的根据本发明传感器的作为频率的函数的转换损耗。无线测量的曲线中的绝对功率电平或许不精确。图5通过图表显示了测量和拟合的根据本发明传感器的作为频率的函数的转换损耗。不同的曲线对应于不同的温度。图6通过图表显示了根据本发明传感器的测量的温度响应。
图7通过图表显示了测量、计算和模拟的根据本发明传感器在I. 36GHz下作为输入功率电平的函数的转换损耗。图8通过图表显示了根据本发明的传感器在不同功率电平下的铁电变容二极管的拟合参数图9作为俯视图显示了根据本发明的一个传感器元件。图10作为侧剖视图显示了图9的传感器。图11作为框图显示了根据本发明的定向反射器的一个实施方案。图12作为框图显示了本发明的一个实施方案。
具体实施例方式一传感器的操作原理传感器包括与天线共轭匹配的铁电变容二极管。图I显示了传感器的等效电路。天线通过电压Vg和内电阻Rs表示为等效电压源。匹配电路包括分流电容Cm和串联电感Lm，并且可以包括在天线中或作为单独的电路来实现。电阻Rf表示变容二极管的损耗，而Cf(V)将非线性电容与电压相关。与非线性电容并联的电流源用来表示下述分析中的变容二极管上的调制电流。所介绍的传感器可以使用任何非线性元件来实现，但是下述分析考虑的是顺电模式的钛酸钡锶变容二极管BaxSivxTiO3(BST)。此变容二极管在零偏离时具有对称的C-V曲线,并且其自身能够很好地产生互调混合产物。A.传感器的互调响应在下文中将推导出使两个频率下的驱动信号与互调频率下的传感器响应相关联的方程。对于两个输入频率来说，假定有相同的低驱动功率电平。传感器天线表示为等效电压源，如图I所示，其产生电压
权利要求
1.一种适于在电磁辐射区域操作的反射器元件，包括 -用来将反射的能量发送到期望目标的天线， 其特征在于， -与所述天线电耦合的非线性元件，以及 -所述反射器包括用来测量某些参数的传感器。
2.根据权利要求I所述的反射器元件，其特征在于，所述非线性元件是铁电变容二极管。
3.根据权利要求I所述的反射器元件，其特征在于，所述非线性元件是顺电元件。
4.根据权利要求I所述的反射器元件，其特征在于，所述非线性元件是微机械共振器。
5.根据上述权利要求中任一项或其组合所述的反射器元件，其特征在于，所述反射器包括定向天线(202,202)。
6.根据权利要求I所述的反射器，其特征在于，所述传感器具有对例如温度的被测量敏感的阻抗。
7.一种用来检测对象的方法，其中 -使至少一个频率信号定向到对象(101，102，103)； -检测从对象中反射的或反向散射的信号； 其特征在于， -在两个接近定位的频率(O1, ω2)下照明对象；并且 -检测从对象中反射的或反向散射的互调频率。
8.一种用来检测对象的方法，其中 -使至少一个频率信号定向到对象(101，102，103)； -检测从对象中反射的或反向散射的信号； 其特征在于， -在两个接近定位的频率(O1, ω2)下照明对象；并且 -检测从对象中反射的或反向散射的谐波分量。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述传感器具有对例如温度的被测量敏感的阻抗，传感器的共振频率和品质因数基于互调响应来决定，其中共振频率和品质因数与对被测量敏感的阻抗相关。
10.根据权利要求7到9中任一项所述的方法，其特征在于，对照明频率(Co1,ω2)进行扫描，使得照明频率的差值(ω「ω2)实质上处于常量。
11.根据权利要求7到10中任一项所述的方法，其特征在于，所述对象用在服装中以例如用于对行人的检测，或者备选地用在汽车的保险杠中，用来改善对在相同方向上行驶的邻近交通工具或汽车的检测。
12.根据权利要求7到11中任一项所述的方法，其特征在于，照明设备设置于交通工具中。
全文摘要
本申请提出了一种典型地基于铁电变容二极管的无源无线共振非线性传感器。当被读取器设备以两个接近定位的频率照明时，传感器以互调频率答复其数据。本文推导了这种传感器的响应的理论方程，通过模拟证实了该理论，并且介绍了基于铁电变容二极管的温度传感器。
文档编号G01S13/75GK102859889SQ201180017693
公开日2013年1月2日 申请日期2011年3月29日 优先权日2010年3月31日
发明者维尔·维卡里, 黑齐·赛帕, 汤米·马蒂拉, 艾瑞·阿拉斯塔洛, 马克·艾伦, 蒂莫·瓦尔普拉 申请人:芬兰国家技术研究中心